Konteyner gemisi için tek ve iki kademeli organik rankinçevrimi ile atık ısı geri kazanımı sisteminin termodinamikanalizi
Thermodynamic analysis of waste heat recovery systemfor container ship using single and two stage organicrankine cycle
- Tez No: 633780
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ DENİZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Denizcilik, Gemi Mühendisliği, Marine, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Emisyon salınımlarının neden olduğu küresel ısınma etkileri canlı yaşamı ve çevre için ciddi tehdit unsuru olmaktadır. Küresel ısınmanın en görülen sonucu ise evrendeki sıcaklık artışıdır. Hükûmetlerarası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) tarafından sunulan raporda; sanayileşme öncesi küresel ortalama sıcaklık baz alındığı zaman, sıcaklığın son iki yılda yaklaşık 1.1 °C arttığı görülmektedir. Bu büyümeye neden olan en önemli faktör fosil yakıtların kullanılmasıdır. Ayrıca sanayileşmenin başlaması, nüfusun artması ile ticaret ve ulaşıma olan talep de artmıştır. Ucuz ve ulaşılabilir olduğu için deniz yolu ile ulaşım ve ticaret en çok talep gören yöntem olmuştur. Dünya ticaretinin yaklaşık %90'ı deniz yolu ile yapılmaktadır. 2018 yılında deniz yolu ile sağlanan ticaret hacmi 11 milyar ton iken bunun 2019-2024 periyodunda %3.5 oranında artması beklenmektedir. Deniz yolu ile ticaretin artmasına bağlı olarak, gemilerden kaynaklı emisyonların da artması kaçınılmaz olacaktır. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) uluslararası deniz yolu ile taşımacılığın toplam antropojenik karbon dioksit (CO2) emisyonlarında yaklaşık %3.3 paya sahip olduğunu bildirmiştir. IMO, gemilerden salınan emisyonları kademeli olarak azaltabilmek için zorunlu ve gönüllü kurallar yürürlüğe koymuştur. Özellikle sera gazı salınımları ile ilgili olarak Denizlerin Gemilerden Kirlenmesini Önleme Uluslararası Sözleşmesi (MARPOL) Ek-VI kapsamında Enerji Verimliliği Dizayn İndeksi (EEDI), Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği Operasyonel İndikatör(EEOI) yürürlüğe alınmıştır. EEDI yeni ve büyük değişiklikler geçirmiş gemiler için zorunlu iken SEEMP ve EEOI gönüllü olarak uygulanabilecek rehber niteliğindedir. IMO bu rehberler ile gemi sahiplerine ve işletmecilerine gemilerde enerji verimliliğinin ve emisyon azaltımlarının sağlanması için yöntemler sunmaktadır. Gemilerin yaklaşık %90'ı dizel makineleri kullanmaktadır ve verimleri günümüzde %50 seviyelerine ulaşmıştır. Gemilerde yakılan yakıtın enerjisinin yaklaşık %50'si itme gücü ve yardımcı sistemler için kullanılmaktadır. Yakıt enerjisinin geri kalanı egzoz, soğutma ve radyasyon ile atık ısı olarak atılmaktadır. Atılan bu ısıl enerjinin geri kazanımı sayesinde verimlilik artarken aynı zamanda emisyonlarda da düşüş sağlanabilmektedir. Uluslararası Denizcilik Örgütü de SEEMP kapsamında işletmecilere ve gemi sahiplerine atık ısı geri kazanım sistemini verimli işletim yöntemi olarak sunmaktadır. Son yıllarda da atık ısı geri kazanımı üzerine bireysel ve kurumsal çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmada bir konteyner gemisi için Organik Rankin Çevrimi (ORÇ) kullanılarak atık ısı geri kazanım analizi yapılmıştır. Tek kademeli ve iki kademeli ORÇ sistemleri farklı ısı kaynakları ve farklı ana makine yükleri için incelenmiştir. Öncelikle egzoz gazı, süpürme havası ve ceket soğutma suyu atık ısıları tek kademeli sistemlerde farklı iş akışkanları ile değerlendirilmiştir.xx Sonrasında ise egzoz gazı, süpürme havası ve ceket soğutma suyu atık ısıları iki kademeli sistemde farklı kombinasyonlar ile değerlendirilmiştir. Her çevrim için farklı akışkan kombinasyonları verilmiştir. Denizcilik ORÇ çalışmalarında kullanılan akışkanlar literatürden elde edilerek çeşitli kriterlere göre seçimler yapılmıştır. Çalışmada temel olarak en yüksek gücü elde etmek amaçlanmıştır. Ayrıca yapılan hesaplamalarda CO2 emisyonundaki azalmalar, yakıt tasarrufu, sistemden elde edilen geri iş oranı ve yakıt tasarrufu sonucu elde edilen ekonomik kazanç hesaplanmıştır. Hesaplama ve analiz sonuçlarına göre; tüm sistemler için en yüksek güçler %100 makine yükünde elde edilmiştir. Ceket soğutma suyu atık ısısının kaynak olarak kullanıldığı sistemde en fazla güç R1234ze(Z) akışkanı ile 557,5 kW olarak elde edilmiştir. Egzoz gazı atık ısısı ile R365mfc akışkanı ile 369 kW, süpürme havası atık ısısı ile R1233zd(E) akışkanı ile 1981 kW elde edilmiştir. İki kademeli çevrimler incelendiği zaman; yüksek sıcaklık çevriminde egzoz gazı, düşük sıcaklık çevriminde ise ceket soğutma suyu ve yüksek sıcaklık çevrimi atık ısısı kullanıldığı zaman Sikloheksan-R1234ze(Z) akışkan kombinasyonu ile %100 makine yükünde 1476,6 kW elde edilmiştir. Yüksek sıcaklık çevriminde süpürme havası ve egzoz gazı atık ısısı, düşük sıcaklık çevriminde ise ceket soğutma suyu ve yüksek sıcaklık çevrimi atık ısısı kullanıldığı zaman Benzen-R245fa akışkan kombinasyonu ile 3373 kW elde edilmiştir. Tüm sistemler değerlendirildiği zaman ise; en yüksek yakıt tasarrufunun 4363,6 ton/yıl değeri ile son modelden elde edildiği görülmektedir. Yakıt tasarrufu ile elde edilen ekonomik kazanç ise 942.408 $/yıl olarak hesaplanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Global warming effects, which is caused by emissions, cause serious harm to human life and environment. The most common result of global warming is the temperature increase in the universe. In the report submitted by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC); Based on the global average temperature before industrialization, it is seen that the temperature has increased by approximately 1.1 ° C in the last two years. The most important factor contributing to this growth is the use of fossil fuels. Furthermore, with the start of industrialization, the increase in the population, the demand for transportation and trade is increasing. The 90% of the world trade is provided by sea and the demand for the maritime sector is increasing every year; while the trade volume is 11 billion tons in 2018, this value is expected to increase by 3.5% in the period of 2019-2024. Depending on the increasing ship trade, emissions from ships also increase. IMO (International Maritime Organization) reported that international shipping emitted 796 million tonnes of CO2, accounting for about 2.2% of the total global anthropogenic CO2 (carbondioxide) emissions. If measures are not taken, emissions from shipping could grow between %50 and %250 due to growing in maritime industry [3]. In this regard, IMO imposed restrictions on emissions emitted from ships with EEDI (Energy Efficiency Design Index), SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) and EEOI (Energy Efficiency Operational Indicator) within the scope of MARPOL Annex VI. EEDI is compulsory for new built ships, and measures the ratio of CO2 (gr) to cargo (tonnes) carried per mile and it requires minimum value depending on ship size and type. With SEEMP, it provides information and guidance to ship operators and owners about emission reduction methods. EEOI is a monitoring tool for managing fleet and observing the effect of cautions take for operating ship effectively. Approximately 90% of the ships use diesel engines and their efficiency has reached about 50% today. Approximately 50% of the energy of the fuel burned in diesel engine is used for propulsion and auxiliary systems. The rest of the fuel energy is wasted as waste heat via exhaust gas, cooling and radiation. With the recovery of this waste heat discarded thermal energy, efficiency can increase while emissions also decrease. Moreover, IMO mentions that the waste heat recovery method within the scope of SEEMP is also a good method of increasing efficiency. As a result of strict measures of International Maritime Organization and published guidelines, engine manufacturers, operators and researchers have sought alternative waste heat recovery methods. Technologies such as power turbine, classic Rankine cycle, Kalina cycle and turbo compound system are widely used for waste heat recovery.xxii However, most of the mentioned methods are suitable for high temperature heat sources and low efficiency is obtained when used with low and medium temperature sources. The using of Organic rankine cycle for the recovery of low and medium temperature waste heat sources is one of the most promising system. The working principle of the organic rankine cycle is the same as the classic rankine cycle. However, organic fluids are used in organik rankine cycle as working fluid instead of water. Organic fluids have the lower boiling temperature than water, and in this way, using organic fluids the heat sources with low and medium temperature can be recovered efficiently. Organic rankine cycle is used in industries like cement, glass production plant and geothermal at present. Also, in marine, it is becoming a remarkable subject day by day. Selecting suitable working fluid is one of the key points for improving organic rankine cycle efficiency and performance. In addition to good thermophysical properties of working fluids, also must have low GWP, low ODP and be environmentally friendly (non-toxic, non-corrosive, non-flammable etc..). In addition to these; when selecting fluid for ship, IMO and SOLAS regulations must be kept in mind. In this study, waste heat recovery analysis was carried out by using the Organic Rankine Cycle (ORC) for a container ship. Single-stage and two-stage ORC systems have been studied for different heat sources and different main engine loads. First of all, exhaust gas, scavenge air and jacket cooling water waste heats were evaluated with using different working fluids in single-stage systems. Afterwards, exhaust gas, scavenge air and jacket cooling water waste heats were evaluated within different combinations. Different fluid combinations are provided for each cycle. Working fluids used in marine organic rankine cycle studies were obtained from the literature and selecting the candidates were made according to various criteria. The main purpose of the study is to achieve the highest power output. In addition, in calculations made, CO2 emission reductions, fuel saving, back work rate obtained from the system and economic gain resulting from fuel saving were calculated. According to the calculation and analysis results; the highest power outputs for all systems were achieved at 100% engine load. In the system where jacket cooling water waste heat is used as the source, the maximum power was obtained when used R1234ze (Z) as woking fluid as 557.5 kW. 369 kW is obtained with R365mfc fluid with exhaust gas waste heat and 1981 kW is obtained with R1233zd (E) fluid with scavenge air waste heat. When two-stage cycles are analyzed; When using exhaust gas in high temperature cycle, jacket cooling water and high temperature cycle waste heat in low temperature cycle, 1476.6 kW at 100% machine load was obtained with cyclohexane -R1234ze (Z) working fluid combination. When using scavenge air and exhaust gas waste heat in high temperature cycle, jacket cooling water and high temperature cycle waste heat in low temperature cycle, 3373 kW was obtained with benzene-R245fa working fluid combination. When all systems are evaluated; it is seen that the highest fuel saving is obtained from the latest model with the value of 4363,6 tons / year. The economic gain achieved with fuel savings is calculated as 942.408 $/ year. Jacket cooling water waste heat recovery using organic rankine cycle can be used in all loads of main engine , because jacket cooling water temperatures nearly are the same for all loads.
Benzer Tezler
- Dört kuadrantlı pervane açık su hidrodinamik performans verileri ile gemi ileri-geri öteleme hareketinin pratik hesabı
A practical approach to compute ships' surge motion utilizing four-quadrant propeller hydrodynamic performance
MAHMUTCAN ESENKALAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TANER ÇOŞGUN
PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Utillisation of expert systems in container ship design: Accommodation layout design expert system (ALDES)
Uzman sistem metodunun konteyner gemilerinin dizaynına uygulanması: Uzman sistem ile yaşam malli dizaynı (ALDES)
ŞEBNEM HELVACIOĞLU
- Determination of the carbon emissions of antarctic expeditionary research vessels
Antarktik sefer araştırma gemilerinin karbon emisyonlarının belirlenmesi
EFECAN ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURCU ÖZSOY
DR. OSMAN OKUR
- Proposing a reliability availability maintainability (ram) analysis in shipboard machinery systems
Gemi makine sistemlerinde güvenilirlik kullanılabilirlik ve bakım kolaylığı analizi önerisi
SAMET BİÇEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN ÇELİK
- Konteyner gemilerin yatırım analizi
Başlık çevirisi yok
NEDİM SUKAS
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. YÜCEL ODABAŞI