Denize deşarj edilen sıcak atıksu jetlerinin iklim değişikliğine etkisinin azaltılmasının Visual Plumes modeliyle incelenmesi
Investigation of climate change effect mitigation of thermal wastewater jets discharged into the sea by Visual Plumes model
Yazar: BİLGE ÖZDOĞAN CUMALI
Danışman: PROF. DR. SEMİH NEMLİOĞLU
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Deniz kıyısındaki termik santraller, soğutma işlemlerinde sıklıkla açık devre soğutma sistemleri ile büyük miktarda deniz suyu kullanmaktadırlar. Bu soğutma suyu, tesisten yüksek sıcaklığa sahip bir atıksu olarak tekrar alıcı su ortamına deşarj edilmektedir. Deşarj edilen sıcak atıksu, yoğunluğundan dolayı su yüzeyine doğru hareket etmektedir. Sıcak atıksu deşarjı, su ekosistemini olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Ayrıca yüzey suyu sıcaklığını artırarak, alıcı su ortamının karbondioksit absorblama kapasitesini azaltabilmekte ve su yüzeyindeki buharlaşmayı artırabilmektedir. Sera gazı olan su buharı ile karbondioksitin atmosferdeki miktarlarının yükselmesi sera etkisinin artmasında katkıda bulunabilmektedir. Böylece, sıcak atıksu deşarjı, atmosferin daha fazla ısınarak iklimin değişikliğinin olumsuz etkilerini artırabilecek önemli bir faktör oluşturabilmektedir. Bu nedenle, yeni deniz deşarjı sistemlerinde gelişmiş tasarım yöntemlerinin kullanılması veya mevcut tesislerde sistemin iyileştirilmesiyle sıcak atıksu seyrelme kapasitelerinin artırılması iklim değişikliğinin azaltılmasına yardımcı olabilmektedir.
Bu tez çalışmasında, yatay nozul ile gerçekleştirilen sıcak atıksu deniz deşarjlarının çarpma noktası seyrelmelerinin artırılarak iklim değişikliğine katkısının azaltılması hedeflenmiştir. Tez kapsamında, durgun ve yoğunluk tabakası olmayan alıcı su ortamına önce geleneksel yatay deşarj deliğinden +10°C sıcaklığı artırılmış sıcak atıksu deşarjının farklı alıcı su ortam koşullarına göre çeşitli senaryolar oluşturulmuştur. Deşarj senaryolarına göre, atıksu jet geometrisi ve çarpma noktası seyrelmesi, US EPA, VP-UM3 sayısal modeli kullanılarak incelenmiştir. Ardından, deşarj deliği düşey yönlendirme açısı, çapı ve derinliği değiştirilerek seyrelme performansının mevcut durumuna göre iyileştirme seçenekleri incelenmiştir. İncelenen deşarj delik çapı 0,1m; 0,2m ve 0,5m, alıcı ortam yoğunluğu 1015-1035kg/m3 (tipik değer 1025 kg/m3), yoğunluksal Froude sayısı 20, deşarj deliği derinliği 10m-50m, deşarj deliği düşey yönlendirme açısı (-80°)-(+80°), alıcı ortam sıcaklığı 15°C-25°C olarak seçilmiştir. Çalışma sonucunda aşağı yönlendirilen nozulun yatay deşarja göre çarpma noktası seyrelmesini maksimum %6,27'e kadar artış gösterdiği belirlenmiştir. Yarıya indirilen delik alanının aşağı yönlendirilmiş deşarj durumunda ise yatay deşarja göre çarpma noktası seyrelmesinin maksimum %95,15'e kadar artış gösterebildiği belirlenmiştir. Termal atıksu deşarjlarının çarpma noktası seyrelmelerindeki bu artışlar, bu tesislerin küresel ısınmaya katkılarının azaltılmasında yardımcı olabilecektir.

Abstract:
Thermal power plants on the coast often use large amounts of seawater in cooling processes with open-cycle cooling systems. This cooling water is discharged from the plant back into the receiving ambient as a high-temperature wastewater. The discharged thermal wastewater moves towards the water surface due to its density. Thermal wastewater discharge can negatively affect the aquatic ecosystem. In addition, by increasing the surface water temperature, it can reduce the carbon dioxide absorption capacity of the receiving ambient and increase evaporation on the water surface. The increase in the amount of water vapor and carbon dioxide, which are greenhouse gases, in the atmosphere can contribute to the increase of the greenhouse effect. Thus, thermal wastewater discharge can be an important factor that can increase the negative effects of climate change by warming the atmosphere more. Therefore, increasing thermal wastewater dilution capacities by using advanced design methods in new marine outfall systems or improving the existing thermal wastewater outfall systems can help mitigate climate change.
In this thesis, it is aimed to reduce the contribution of thermal wastewater discharges from thermal marine outfalls carried out with horizontal nozzles to climate change by increasing the impact point dilution. Within the scope of the thesis, various scenarios were created according to different receiving ambient conditions of thermal wastewater discharged with +10°C temperature from the conventional horizontal discharge port into the stagnant and unstratified density having receiving ambient. According to the discharge scenarios, wastewater jet geometry and impact point dilution were investigated using US EPA, VP-UM3 numerical model. Then, improvement options were investigated according to the current status of the dilution performance by changing the vertical inclination angle, diameter and depth of the discharge port. The examined discharge nozzle diameters were 0.1m; 0.2m and 0.5m, ambient density 1015-1035 kg/m3 (typical value 1025 kg/m3), densimetric Froude number 20, discharge port depth 10m-50m, discharge port vertical inclination angle (-80°)-(+80°), ambient temperature 15°C-25°C were selected. As a result of the study, it was determined that the downward inclination of the nozzle showed increments of the impact point dilutions maximum 6.27% compared to the horizontal discharge. In the case of downward inclination discharge of the port area reduced by half, it was determined that the impact point dilution increased maximum 95.15% compared to horizontal discharge. These increases in the impact point dilutions of thermal wastewater marine outfall discharges could be helpful to reduce the contribution of these facilities to global warming.