Gemilerde soğutma suyu sistemi enerji verimlilik analizi: Değişken devirli pompa ve 3 yönlü sirkülasyon valfi entegrasyonu yaklaşımı
Energy efficiency analysis of cooling water system on ships: Variable speed pump and 3-way circulation valve integration approach
Yazar: HABİL KILIÇ
Danışman: DOÇ. DR. GAZİ KOÇAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Denizcilik = Marine ; Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Teknolojik gelişmeler, nüfus artışı, artan ihtiyaçlar, modern savaşlar, bulaşıcı hastalıklar ve arz ile talep eğrileri arasındaki orantısızlıklar tedarik zincirini değiştirerek insanları yeni alternatifler bulmaya itmiştir. Dünya tarihinin başlangıcından günümüze kadar ve belki gelecekte de yerini koruyacak olan deniz yolu taşımacılığı, bu süreçlerde ulusal ve uluslararası yüklerin yaklaşık olarak %90'nı taşımıştır. Büyük miktardaki yükleri, uzak mesafelere daha güvenli ve daha ucuza taşıyarak avantajlı bir konuma sahip olan deniz yolu taşımacılığı, operasyonel ihtiyaçlarının devamı için kullandığı maddeler ve/veya bunların sonucu olarak oluşan atıklar bakımından ayrıca potansiyel bir çevre kirleticidir.  
Farklı kaynaklardan oluşan ve çevre kirliliğine neden olan maddeler etkisini 20. yüzyılda daha fazla göstermiş ve devletleri dikkatli olmaya itmiştir. Özellikle sera gazlarının olumsuz etkileri ile küresel ısınmanın günyüzüne çıkması, devletler arasında çeşitli anlaşmaların yapılmasını zaruri bir hale getirmiştir. Kyoto Protokolü, Gemilerden Kaynaklanan Kirlenmeyi Önleme Uluslararası Sözleşmesi (MARPOL) Ek VI, Paris İklim Anlaşması ve diğer ilgili anlaşmalar ile çevre kirliliğinin azaltılması hedeflenmiştir. 
Küresel ticaretin en önemli aktörü olan deniz yolu taşımacılığı, çevresel sorunların azaltılması için adımlar atmıştır. MARPOL anlaşması ile farklı kategorilerdeki kirlilikler ile etkili mücadele yöntemleri belirlenmiştir. Özellikle emisyon kaynaklı zararların önüne geçmek için anlaşmanın altıncı bölümü 1997 yılında kabul edilmiş ve 2005 yılında yürürlülüğe girmiştir. Bu anlaşma ile gemi inşa sektöründen başlayarak, işletme sektörüne kadar bütün kademeler kirliliğin azaltılması ve daha verimli operasyonlar için çeşitli metotlar ile kontrol altına alınmıştır. 
Gemilerde kullanılan farklı tiplerdeki yakıtların yanması sonucu oluşan maddeler sera gazı etkisi, küresel ısınma, asit yağmurları, solunum yolu hastalıkları… gibi olumsuz sonuçlar doğurmaktadır. Kyoto Protokolü'nde tanımlanan sera gazlarından biri olan karbondioksit (CO2), sahip olduğu yıkıcı etkisiyle ön plana çıkmaktadır. Sera gazlarının yaklaşık olarak %75'ni oluşturan karbondioksit küresel ısınma, iklim değişikliği, doğal afetler ve bunlar ile ilişkili diğer önemli problemlerin başaktörü olarak karşımıza çıkmaktadır.  
Deniz yolu ile çevreye salınan karbondioksit miktarı, denizcilik filosunun büyümesiyle doğru orantılı olarak her geçen yıl artarak kontrolü güç sınırlara ulaşmıştır. Bu etkiyi azaltmak için hem daha çevreci hem de daha verimli sistemlerin kullanılması yetkili otoriteler tarafından mecburi tutulmuştur. Denizcilik sektörünün bütün alanlarında mevcut sorunları azaltmaya yönelik kararlı adımlar atılmaya başlanmıştır.  
Gemi bünyesinde bulunan sistemler daha çevreci ve daha verimli olacak şekilde yeniden gözden geçirilmiştir. Enerji tüketimi fazla olan ekipmanlar temel alınarak yapılan incelemelerde, bazı sistemlerin ve bunlarla ilişkili elemanların geleneksel çalışma mantığının dışına çıkarak daha verimli kullanılabileceği görülmüştür. Bu çalışma ile dünya üzerindeki ve gemi bünyesindeki temel elektrik tüketicilerinden biri olan pompalar incelenmiştir. Özellikle operasyonel gereklilikler nedeniyle sürekli çalışması gereken deniz suyu soğutma pompasının çalışma karakteristiği belirlenmiş ve çeşitli çalışma koşullarındaki tepkisi ölçülmüştür. 
Deniz suyu sıcaklığına bağlı olarak, soğutma sisteminin debisinin sürekli maksimum miktarda olmaması gerektiği görülmüştür. İhtiyaç fazlası suyun Oransal – İntegral – Türevsel Denetleyici (PID) tarafından kontrol edilen bir valf aracılığıyla gemiden atıldığı gözlemlenmiştir. Farklı sıcaklık aralıklarında ölçümler alınarak sistemin ihtiyacı olan su debisi hesaplanmış, ihtiyaç fazlası suyun meydana getirdiği kayıplar kilowatt (kW) cinsinden hesaplanarak maliyet tablosu oluşturulmuştur. Bu maliyetler doğrudan yakıt tüketimi ile ilişkili olduğu için ihtiyaç fazlası enerji için ne kadar karbondioksit salınımı gerçekleştiği hesaplanmıştır. Böylece, dizayn ile ilişkili bir durumun sadece maddi boyutunun olmadığı, belki bundan daha önemli bir durum olan çevresel boyutu görülmüştür.
Yukarıdaki ölçümler ve analizler neticesinde, değişen koşullara uygun olarak sadece ihtiyaç duyulan su debisini üreten pompalar araştırılmıştır. Değişken devirli pompalar olarakta adlandırılan ve frekans kontrolü sayesinde sistemden gelen bilgilere göre debi ayarı yapan bu pompalara, 3 yönlü PID kontrollü valf entegre edilerek sistem hem soğuk hem de sıcak sulardaki şartlara uyumlu hale getirilmiştir. Bir bütün şeklinde ele alınan sistemin tepkileri yapılan ölçümler, gözlemler ve analizler neticesinde tekrar ele alınmıştır. Deniz suyu sıcaklığı ve debi faktörünün birbiri ile olan ilişkisi daha net bir şekilde görülmüştür. Uygulanacak olan yeni yöntem ile limanda, demirde ve seyirde değişen ısıl yüklere bağlı olarak optimum debide su sağlayabilen değişken devirli deniz suyu pompaları, enerji verimliliği bakımından sabit devirli pompalara göre açık ara önde görünmektedir. 
Değişken devirli pompalar ve 3 yönlü PID kontrollü valf entegrasyonu yaklaşımı oluşturulan sistemsel bütünlük ile yeni bir işlev kazanarak, günümüzün güncel problemlerine ve gelecekteki muhtemel problemlere daha etkili çözümler sunmaktadır.

Abstract:
Technological developments, population growth, increasing needs, modern wars, infectious diseases and disproportions between supply and demand curves have changed the supply chain and pushed people to find new alternatives. Maritime transport, which will maintain its place from the beginning of the world's history to the present and perhaps in the future, has carried approximately 90% of national and international cargoes in these processes. Maritime transport, which has an advantageous position by transporting large quantities of cargo to long distances in a safer and cheaper manner, is also a potential environmental pollutant in terms of the materials it uses for the continuation of its operational needs and/or the wastes generated as a result of these.
Substances from different sources and causing environmental pollution showed their effects more in the 20th century and pushed the states to be careful. In particular, the negative effects of greenhouse gases and the emergence of global warming have made it necessary to make various agreements between states. It is aimed to reduce environmental pollution with Kyoto Protocol, International Convention for the Prevention of Pollution from Ships (MARPOL) Annex VI, Paris Climate Agreement and other related agreements.
Maritime transport, the most important actor in global trade, has taken steps to reduce environmental problems. With the MARPOL agreement, effective fighting methods against different categories of pollution have been determined. The sixth part of the agreement was adopted in 1997 and entered into force in 2005, especially in order to prevent emissions-related losses. With this agreement, all levels, starting from the shipbuilding sector to the operating sector, have been brought under control with various methods for reducing pollution and more efficient operations.
Substances formed as a result of the combustion of different types of fuels used in ships cause negative consequences such as greenhouse gas effect, global warming, acid rain, respiratory tract diseases. Carbon dioxide (CO2), one of the greenhouse gases defined in the Kyoto Protocol, stands out with its destructive effect. Carbon dioxide, which constitutes approximately 75% of greenhouse gases, is the main actor of global warming, climate change, natural disasters and other important problems associated with them.
The amount of carbon dioxide emitted to the environment by sea specifically has increased every year in direct proportion to the growth of the maritime fleet and mostly has reached limits that definitely are difficult to control in a sort of big way. In order to generally reduce this effect, the use of both generally more environmentally friendly and much more efficient systems actually has been made actually mandatory by the competent authorities, very contrary to popular belief. Decisive steps for the most part have been taken to reduce existing problems in all areas of the maritime industry. in a subtle way.
The systems within the ship particularly have been revised to for the most part be more environmentally friendly and much more efficient, particularly contrary to popular belief. In the examinations made on the basis of equipment with really high energy consumption, it essentially has been seen that some systems and their associated elements can specifically be used pretty much more efficiently by going beyond the traditional working logic, or so they basically thought. In this study, pumps, which are one of the main electricity consumers in the world and in the ship, generally were specifically examined in a subtle way. In particular, the operating characteristics of the seawater cooling pump, which must operate continuously due to operational requirements, particularly have been determined and its response under various operating conditions has been measured.
Depending on the sea water temperature, it has been observed that the flow rate of the cooling system should not be at the maximum amount continuously. It has been observed that the excess water is discharged from the ship through a valve controlled by the Proportional – Integral – Derivative Controller (PID).  The water flow required by the system for the most part was calculated by taking measurements at different temperature ranges, and the cost table definitely was created by calculating the losses caused by the definitely excess water in kilowatts (kW), which definitely is fairly significant. Since these costs are directly related to fuel consumption, how generally much carbon dioxide literally is emitted for surplus energy for the most part has been calculated in a basically major way. Thus, it generally has been seen that a design-related situation does not only generally have a material dimension, but an environmental dimension that for all intents and purposes is perhaps for all intents and purposes more important than that, which kind of is quite significant.
After conducting thorough measurements and analyses, an investigation was carried out on pumps that are specifically designed to adapt to changing conditions by producing the necessary water flow. These pumps, commonly known as variable speed pumps, utilize frequency control to adjust the flow rate based on the information received from the system. To further enhance the system's compatibility with varying temperatures, they are equipped with a 3-way PID controlled valve. This valve ensures that the system can efficiently operate with both cold and hot water. The reactions of the system, which really was considered as a whole, basically were reconsidered as a result of measurements, observations and analyzes in a subtle way. The relationship between sea water temperature and flow factor for all intents and purposes has been seen more clearly. With the new method to be applied, kind of variable speed sea water pumps, which can provide water at fairly optimum flow depending on the changing thermal loads at the port, anchor and cruising, essentially seem to kind of be far ahead of fixed speed pumps in terms of energy efficiency in a sort of big way.
Variable speed pumps and 3-way PID controlled valve integration approach gain a new function with the system integrity created and offer more effective solutions to today's current problems and possible future problems.