Organik Rankine çevrimi için türbin tasarımı
Turbine design for organic Rankine cycle
Yazar: ALPEREN BUĞRA ÇOLAK
Danışman: PROF. DR. OĞUZ ARSLAN
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Organik Rankine çevrimi (ORC) atık ısıdan veya düşük potansiyelli ısı kaynaklarından elektrik enerjisi üretiminde yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biridir. ORC sisteminde türbinler sistemin çevrim verimini belirlemede en önemli bileşendir. Bu çalışmada, küçük ölçekli ORC sistemleri için kullanılabilecek rejeneratif akışlı bir türbin (RFT) üzerinde HAD analizi kullanılarak sistem tasarımları ortaya koyulmuştur. Referans alınan türbin modeli ile öncelikle validasyon çalışması yapılmış, uygun türbülans modeli belirlendikten sonra organik akışkan R601 (n-pentan) ile yüksek ve düşük sıcaklık şartlarında, farklı basınç ve devir sayılarında performans analizi yapılmıştır. Sıcaklık değerleri evsel kullanım şartları dikkate alınarak 363-550K aralığında belirlenmiştir. Bu sıcaklık değerlerine bağlı olarak, çıkış basınç değerleri yüksek sıcaklık uygulamaları için 0.9 ile 1.2 MPa aralığında, düşük sıcaklık uygulamaları için ise 0.05 MPa ve 0.3 MPa olarak belirlenmiştir. Türbin devir sayıları 50 Hz frekanstaki elektrik şebekelerine uyumluluk gözetilerek 1500 ve 3000 d/dak olarak dikkate alınmıştır. Kütle akış hızları yüksek sıcaklıklar için 0.5-1 kg/s, düşük sıcaklıklar için 0.1-0.25 kg/s olarak analizlere dahil edilmiştir. Yapılan kapsamlı HAD çalışmasının sonucunda düşük sıcaklıklı uygulamalar için geleneksel türbin geometrisine göre maksimum %18.59, yüksek sıcaklıklı uygulamalar içinse maksimum %11.29 güç artışı elde edilmiştir. Türbin izantropik verimindeki artış ise düşük sıcaklık uygulamaları için 6.54 puan, yüksek sıcaklıklı uygulamalar için 2.26 puan kadardır.

Abstract:
Organic Rankine Cycle (ORC) is one of the systems used to generate power from the waste or low-grade heat sources. The turbines are the most important system unit of ORC since it directly determines the overall system efficiency. In this study, the designs of regenerative flow turbines (RFT) for small-scaled ORC systems through the computational fluid dynamics (CFD) analysis method. Firstly, a validation study was conducted to determine the best available turbulence model on the conventional RFT. R601 (n-pentane) is used in the analysis for the low and high temperatures, different pressures and different rotational speeds. Temperature scales was selected between 363K and 550K considering the residential applications. According to the temperature scales, the outlet pressures were evaluated between 0.9-1.2 MPa for the high temperature applications, and 0.05-0.3 MPa for the low temperature applications. Turbine speeds were selected as 1500 rpm and 3000 rpm in accordance to 50 Hz applications of the national networks. The analyses were conducted for the mass rates ranging between 0.5-1.0 kg/s for the high temperature applications and 0.1-0.25 kg/s for the low temperature applications. According to analysis results of the new designed RFT, it was available to increase the efficiency by 18.59% in comparison to the conventional RFT for the low temperature applications, whereas it is about 11.29% for the high temperature applications. These means an isentropic efficiency increase about 6.54 points and 2.26 points for the low and high temperature applications, respectively.