Düşük kapasiteli değişik ısı kaynaklı, akışkanlı ve konfigürasyonlu organik rankine çevrimlerinin tasarımı ve termodinamik optimizasyonu
Design and thermodynamic optimization of low-capacity organic rankine cycles with different heat sources, fluids and configurations
Yazar: SADIK ATA
Danışman: PROF. DR. ALİ KAHRAMAN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında düşük kapasiteli değişik ısı kaynaklı, akışkanlı ve konfigürasyonlu Organik Rankine Çevrimlerinin (ORÇ) tasarımı ve termodinamik optimizasyonu yapılmıştır. Tez çalışması 4 ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde farklı tür akışkan sınıflandırmaları kullanılarak tasarlanan ORÇ'nin termodinamik analizi belirlenmiştir. Toplam 40 farklı organik akışkanın ORÇ performansı üzerindeki etkisi belirlenmiştir. Farklı sınıflandırmalar altında en iyi performans gösteren akışkanlar tespit edilmiştir.  
Daha sonra ikinci bölümde bu akışkanlar ile düşük kapasiteli değişik ısı kaynaklı ORÇ için termodinamik optimizasyon ile optimum akışkan belirlenmiştir. Çok amaçlı genetik algoritma optimizasyon tekniği kullanılmıştır. Bunun için sistemde 6 farklı amaç fonksiyonu tanımlanmıştır. Bunlar; ısıl verim, türbin gücü ve ekserji verimi maksimizasyonu ile toplam tersinmezlik, hacimsel debi oranı ve çevresel etki faktörünün minimizasyonudur. Öncelikle ORÇ'nin düşük ve yüksek sıcaklıklı uygulamaları kapsamında 10 değişik ısı kaynağı sıcaklığı için optimum evaporatör pinch noktası sıcaklık farkı belirlenmiştir. Ardından, ağırlık fonksiyonu sonucu her bir ısı kaynağı sıcaklığı için optimum akışkan belirlenmiştir. Bu akışkanlar; düşük sıcaklıklı ORÇ için 90 oC'de R141b, 100 ve 110 oC'de R1234yf, 120 oC'de R1234ze, 130 oC'de ise R152a olarak; yüksek sıcaklıklı ORÇ için 250, 260, 270 oC'de benzen, 280 ve 290 oC'de ise MM olarak tespit edilmiştir. 
Tezin üçüncü bölümünde ise bu akışkanların kullanılmasıyla tasarlanan ORÇ sistemleri için performans parametrelerinin parametrik optimizasyonu ve hassasiyet analizi yapılmıştır. Düşük ve yüksek sıcaklıklı ORÇ'de performansı en fazla etkileyen parametrenin sırasıyla %42,7 ile evaporatör pinch noktası sıcaklık farkı ve %40,3 ile türbin izantropik verimi olduğu tespit edilmiştir. Hassasiyet analiz sonuçları dikkate alınarak 10 değişik ısı kaynağı sıcaklığında 6 farklı amaç fonksiyonu için regresyon denklemi türetilmiştir. Bu denklemlerin güvenilirliği farklı istatistiksel yöntemler kullanılarak karşılaştırılmıştır.
Son olarak tezin dördüncü bölümünde ise optimum olarak belirlenen akışkan ve tasarım parametreleri altında farklı konfigürasyonlu ORÇ modellerinin performansı belirlenmiştir. Bunlar, Rejeneratif ORÇ (R-ORÇ), Ara Isıtmalı ORÇ (A-ORÇ), Rejeneratif Ara Isıtmalı ORÇ (RA-ORÇ), Reküperatörlü ORÇ (r-ORÇ), Rejeneratif Reküperatörlü ORÇ (Rr-ORÇ)'dir. Değişik ısı kaynakları sıcaklıkları için 6 farklı amaç fonksiyonun değerlendirilmesiyle optimum konfigürasyon modeli belirlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, design and thermodynamic optimization of low-capacity Organic Rankine Cycles (ORC) with different heat sources, fluids and configurations have been made. The thesis consists of four main sections. In the first part, thermodynamic analysis of ORC which is designed by using different types of fluid classifications is determined. The effect of 40 different organic fluids on ORC performance was determined. The best performing fluids have been identified under different classifications.
Then, in the second part, the optimum fluid was determined by thermodynamic optimization for low- capacity with different heat source ORC with these fluids. Multi-objective genetic algorithm optimization technique was used. For this purpose, 6 different purpose functions are defined in the system. These; maximization of thermal efficiency, turbine power and exergy efficiency, minimization of total irreversibility, volume flow rate and environmental effect factor. Firstly, the optimum evaporator pinch point temperature difference was determined for 10 different heat source temperatures within the scope of low and high temperature applications of ORC. Then, as a result of the weight function, the optimum fluid for each heat source temperature was determined. These fluids; for low temperature ORC, R141b at 90 oC, R1234yf at 100 and 110 oC, R1234ze at 120 oC, R152a at          130 oC; for high temperature ORC, benzene at 250, 260, 270 oC, and MM at 280 and 290 oC. 
In the third part of the thesis, parametric optimization and sensitivity analysis of performance parameters for ORC systems designed by using these fluids are performed. In the low and high temperature ORC, the parameters affecting the performance the most were 42.7% evaporator pinch point temperature difference and 40.3% isentropic efficiency of turbine respectively. Taking the sensitivity analysis results into consideration, the regression equation is derived for 6 different purpose functions at 10 different heat source temperatures. The reliability of these equations was compared using different statistical methods.
In the fourth part of the thesis, finally, the performance of different configurable ORC models under optimum fluid and design parameters is determined. These are Regenerative ORC (R-ORC), Reheated ORC (A-ORC), Regenerative Reheated ORC (RA-ORC), Recuperated ORC (r-ORC), Regenerative Recuperated ORC (Rr-ORC). The optimum configuration model was determined by evaluating 6 different purpose functions for different heat sources temperatures.