Thermodynamic and economical analysis of organic rankine cycle usage with natural gas fired internal combustion engine waste heat
Doğalgaz Yakıtlı İçten Yanmalı Motorun Atık Isısı ile Organik Rankine Çevrimi Kullanımının Termodinamik ve Ekonomik Analizi
- Tez No: 548940
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ PINARBAŞI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı Proses Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Günümüzde ısı geri kazanım sistemleri, nüfus artışı ve fosil yakıt bağımlılığının artmasına bağlı olarak kirlenmenin artması ile birlikte büyük önem kazanmaktadır. İçten yanmalı motorlar, ulaşım, enerji ünitesi ve tarım makineleri gibi geniş kullanım alanları ile insanlığa sağladığı tüm faydaların yanı sıra fosil yakıt tüketiminde en önemli sorumlulardan biridir. Bu çalışmada, Caterpillar Energy Solution GmbH tarafından üretilen MWM marka TCG2032 model içten yanmalı motorun egzoz gazı ısı kaybından ısı geri kazanım sağlamak amaçlı Organik Rankine Çevrimi (ORC) kullanımı analiz edilmiştir. Bir ısı geri kazanım sisteminin basitlik ve düşük yatırım maliyeti gerekliliğinin bilincinde olarak Temel ORC ve Rejeneratif ORC olmak üzere iki farklı çevrim seçilmiş ve matematik modeller bu iki çevrim için ayrı olarak oluşturulmuştur. Rejeneratif çevrim, temel çevrimden ayrı olarak, çevrimin atık ısısı ile ön ısıtma sağlayıp çevrimin verimliliğini en üst düzeye çıkarmak amacıyla kullanılan ek bir iç ısı değiştirici içermektedir. R113, R123, R134a, R141b, R245fa, n-pentane ve n-butane olmak üzere yedi farklı çalışma akışkanı, izentropik, kuru ve ıslak tip gibi akışkanın farklı temel sınıflarını temsil etmeleri için hem temel hem de rejeneratif çevrim için incelenmiştir. Isı geri kazanım sisteminin etkinliğini analiz etmek için en önemli değerlendirme kriteri olarak maksimum net güç çıkışı seçilmiştir. Optimizasyon çalışmasının önemi, çalışma akışkanlarının farklı termal ve fiziksel özelliklerine göre net çıkış gücünü maksimize etmek amacıyla farklı çalışma koşulu gerekliliklerine bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. Her bir akışkan ve çevrim kombinasyonunun birinci yasa ve ikinci yasa verimi ile yapılan optimizasyon çalışmasıyla, farklı ısı kaynağı koşullarına bağlı olarak çevrimin maksimum net çıkış gücü belirlenmiştir. Termal analiz sonuçları, R113'ün rejeneratif çevrim için en verimli çalışma akışkanı olduğunu ve R141b'nin temel çevrim için en verimli çalışma akışkanı olduğunu ortaya koymaktadır. R134a, ıslak tip akışkanlardan biridir ve diğer seçilmiş çalışma akışkanlarına göre en düşük net çıkış gücüne sahiptir. Genel olarak, rejeneratif çevrim 30-50% arasında değişen bir oranla, temel çevrimden daha fazla güç üretmektedir. Ayrıca, yapılan analiz, tek başına motor kullanımına göre 6-17% oranında genel verimlilik artışının ICE-ORC entegre sistemi ile mümkün olduğunu göstermektedir ve bunun sonucu olarak yakıt tüketiminde 400-1000 kW düşüşünün sağlanabileceği gözükmektedir. Bunun yanı sıra, Rejeneratif ORC 8,46 yıllık geri ödeme süresi ile 9,82 yıl geri ödeme süresi olan temel çevrime göre daha karlı olarak bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
Nowadays, heat recovery systems are coming into substantially prominence in conjunction with augmentation of pollution allied with fossil fuel dependency and population growth. Internal combustions engines are one of primarily responsible about fossil fuel consumption with widely utilization area beside all benefits to humanity such as transportation, power unit and agricultural machinery. In this study, Organic Rankine Cycle (ORC) usage analyzed as a heat recovery system for exhaust gas heat loss of Internal Combustion Engine (ICE) which is TCG2032 model manufactured by MWM brand of Caterpillar Energy Solutions GmbH. Mathematical models were developed for two different chosen cycles which are basic ORC and regenerative ORC in conscious the simplicity and lower investment cost necessity of a heat recovery system. Regenerative cycle includes an additional internal heat exchanger distinctly from basic cycle for the purpose of maximize cycle efficiency via provide pre-heat with cycle waste heat. Seven different working fluids that R113, R123, R134a, R141b, R245fa, n-pentane and n-butane were taking in consideration for both basic and regenerative cycle to represent different fundamental classes of fluids which are isentropic, dry and wet type. The maximum net power output was selected as the foremost evaluation criterion to analyze heat recovery system effectiveness. Optimization study importance is ensuing with the different working condition necessities for maximize net output power of working fluids relative to different thermal and physical characteristics. Maximum net output power of cycle was defined depending on different heat source conditions by help of optimization study which was made with the results of the first law and second law efficiency of each fluid and cycle combination. The thermal analysis results reveal that the R113 is the most efficient working fluid for regenerative cycle and R141b is the most efficient working fluid for basic cycle. R134a is one of the wet type fluids and it has the lowest net output power as comparatively from the other selected fluids. Generally, regenerative cycle produce more power than basic cycle with the rate of between 30-50%. Also analyzes show that the 6-17% increase at the overall efficiency appear possible with ICE-ORC combined cycle in according to single engine, and as a result of that 400-1000 kW reduce can be achieved for the fuel energy consumption. Besides that, Regenerative ORC was found more profitable with the 8,46 years Payback Period (PBP) against Basic ORC which has 9,82 years PBP.
Benzer Tezler
- Bir petrol tankeri için organik rankıne çevrimi atık ısı geri kazanım sisteminin termodinamik analizi
Thermodynamic analysis of organic rankine cycle waste heat recovery system for an oil tanker
MEHMET AKMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Jeotermal enerji kaynaklı organik rankine çevrimi ve kalina çevriminin termodinamik ve ekonomik analizleri
Thermodynamic and economical analysis of geothermal energy powered organic rankine cycle and kalina cycle
MURAT BOLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MERVE ŞENTÜRK ACAR
- Energy, exergy, economic and environmental-based design, analysis and multi objective optimization of novel solar tower-based gas turbine cycle multi-generation systems with new performance criteria
Özgün güneş kuleli gaz türbini çevrimli çoklu-üretim sistemlerinin yeni performans kriterleri ile enerji, ekserji, ekonomik ve çevresel tasarımı, performans analizi ve çok amaçlı optimizasyonu
MERT ÇOLAKOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURMAYAZ
- Çelik üretiminde açığa çıkan atık ısının değerlendirilme yöntemleri
Evaluation methods of waste heat in steel production
AYTAÇ AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
EnerjiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRAH DENİZ
- Düşük sıcaklıklı ısı kullanımıyla organik rankine çevrimi ve kısmi buharlaştırmalı organik rankine çevrimi güç sistemlerinin analizi ve optimizasyonu
Analysis and optimization of organic rankine cycle and partially evaporated organic rankine cycle power plant by low-temperature heat utilization
TAHA AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiYıldız Teknik ÜniversitesiEnerji Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HADİ GENCELİ
DR. ÖĞR. ÜYESİ PARISA HEIDARNEJAD