Atık ısının kalina çevrimleri ile geri dönüştürülebilirliğinin hesabı, enerji ve ekserji analizi
Modeling of a combined kalina and organic rankine cycle system forwaste heat recovery from biogas engine
Yazar: CEM ÖKSEL
Danışman: PROF. DR. ALİ KOÇ
İskenderun Teknik Üniversitesi / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Gaz çevrim enerji santralleri = Gas cycled power plant ; Isı enerjisi = Heat energy ; Kombine çevrim = Combine cycle ; Termodinamik çevrim = Thermodynamic cycle

Özet:
Atık ısıyı elektriğe dönüştürmek, enerji verimliliğini artırma ve çevresel etkileri azaltma
konusundaki muazzam potansiyeli nedeniyle bilim adamlarının yıllardır ilgisini çekmiştir.
Kayıp enerjiyi geri kazanmak için çok sayıda uygulama olsa da bunlar genellikle gerçek
dünyada bir etki yaratacak kadar verimli veya ucuz değildir. Bu çalışmanın amacı, Hatay'da
faaliyet gösteren atık geri dönüşüm fabrikası için bir ısı geri kazanım sistemi geliştirmektir.
Kombine bir ısı ve güç motorundan çıkan (CHP) egzoz gazını ve ceket suyu atığındaki ısıyı
çıkarmak için Kalina Çevrimi (KC) Organik Rankine Çevrimi (ORC) ile birleştirilmiştir.
KC'de çalışma sıvısı olarak çeşitli konsantrasyonlarda amonyak-su karışımı seçilirken, ORC
için sırasıyla R123, R236ea ve R124 seçilmiş ve test edilmiştir. Çalışma sıvılarının seçimi,
diğer çalışma sıvısı seçenekleri daha fazla araştırılmadan, küresel ısınma (GWP) ve ozon
tabakasını inceltme potansiyeli (ODP) gibi belirli çevresel etkilere dayalı olarak yapılmıştır ve
bu çalışmanın bir sınırlaması olarak kabul edilebilir. Kütle oranı, türbin giriş basıncı ve giriş
sıcaklığı gibi KC parametrelerinin optimal değerleri sırasıyla %90, 430 ◦C ve 90 bar olarak
bulunmuştur. KC, daha sonra, üç farklı çalışma sıvısı kullanılarak ORC ile birleştirilmiştir ve
R123 akışkanın en iyi sonuçları verdiği görülmüştür. Kombine çevrimin net gücü, ekserjisi ve
ısıl verimi sırasıyla 211.03 kW, %52.83 ve %26.50 olarak hesaplanmış ve geri ödeme süresi
ise 4,2 yıl olarak tahmin edilmiştir. Çalışmayı daha ileri seviyeye taşımak adına mevcut
kombin çevrim R123 ve R600a çalışma akışkanları kullanılarak optimize edilen entegre CO2
ve ORC kombin çevrimi ile de net güç, termal ve ekserji verimleri açısından da mukayese
edilmiştir. Elde edilen sonuçların uygulanabilirlik alanının burada incelenen iklim koşulları ile
sınırlı olduğu unutulmamakla beraber KC ve ORC kombinasyonunun atık ısı enerjisinin geri
kazanılması için verimli bir şekilde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Converting waste heat into electricity has captured the interest of scientists for years because of
its enormous potential to improve energy efficiency and to lessen environmental impacts.
While there are numerous applications to recover lost energy, they are often not efficient or
cheap enough to make a real-world impact. The aim of this study is to develop a heat recovery
system for the waste recycling factory operating in Hatay, Turkey.
We combined the Kalina Cycle (KC) with the Organic Rankine Cycle (ORC) to extract
exhaust gas and jacket water waste heat from a combined heat and power engine (CHP). An
ammonia–water mixture was selected as the working fluid in KC, while R123, R236ea and
R124 were chosen and tested for the ORC. The selection of working fluids was made based on
certain environmental impacts such as global warming potential (GWP) or ozone depletion
potential (ODP), without further exploring other working fluid options, which could be
considered a limitation of this study.
The optimal values of KC parameters, including mass fraction, turbine inlet pressure and inlet
temperature, were found to be 90%, 430 _C and 90 bar, respectively. The KC was then
combined with the ORC using three different working fluids, among which R123 yielded the
best results. The net power, exergy and thermal efficiency of the combined cycle were
calculated as 211.03 kW, 52.83% and 26.50%, respectively, while the payback period was
estimated to be 4.2 years. In addition to this, system is also compared with combined CO2 and
ORC which uses R123 and R600a as working fluids in terms of net power, thermal and exergic
efficiencies in order to improve the study. It should be noted that the applicability domain of
the obtained results is limited to the climate conditions studied here. We concluded that the
combination of the KC and ORC can be efficiently used for the recovery of waste heat energy.