Mikro organik rankine çevriminde kullanılan radyal türbinin modellenmesi, nümerik ve termodinamik analizi
Modelling, numerical and thermodynamic analysis of radial turbine used in micro organic rankine cycle
Yazar: FATİH YİĞİT
Danışman: PROF. DR. AHMET KABUL
Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında, yerinde enerji üretiminde kullanılan organik Rankine çevrimi (ORC) sistemleri incelenmiştir. Çalışmada, ORC türbinlerinde kullanılan radyal türbin tasarımı ve analizi yapılmıştır. Türbin tasarımında rotor giriş açısı, devir sayısı, akışkan ve giriş sıcaklığı gibi faktörlerin türbin verimini etkisi araştırılmıştır. Rotor giriş açısının artmasıyla rotor giriş hızları arttığı ancak açı yaklaşık 78 dereceyi aştıktan sonra türbin giriş hızlarında düşüş olduğu belirlemiştir. Bununla birlikte türbin devir sayısının yaklaşık 3 katına çıkarılmasında rotor giriş açısı sadece %3 değişirken, türbin veriminin %12 kadar arttığı hesaplamıştır. Ayrıca düşük devirlerde büyük rotor giriş ve çıkış yarıçapları kullanılması gerektiği, türbin devir sayısı arttıkça rotor boyutlarının küçüldüğü belirlenmiştir. Devir sayısının 40 000'den 120 000'e çıkarılmasıyla rotor yarıçapları ortalama %66.7 azaldığı tespit edilmiştir. Türbin giriş sıcaklığının 90 ℃'den 180 ℃'ye çıkartılmasıyla türbin giriş yarı çapının yaklaşık %18.1 arttığı ortaya koyulmuştur. Ayrıca türbin devir sayısının artışı türbin güç üretimine etkisi, genişleme oranının değişimine kıyasla daha az olduğu tespit edilmiştir. Genişleme oranı 8 iken devir sayısının 40 000'den 120 000'e çıkarılmasıyla ısıl verimin yaklaşık %2, devir sayısı 80 000 rpm'de iken genişleme oranının, 2'den 11'e yükseltilmesiyle ısıl verimin yaklaşık %141 arttığı hesaplanmıştır.
ORC'de kullanılan farklı akışkanlar (R245fa, R123, R365mfc, R1234yf, R1233zd (E) ve R1234ze (E)) için yapılan parametrik çalışmalar, sistem performansının akışkan türüne göre değiştiğini ortaya koymuştur. En yüksek güç üretimi R1233zd(E) akışkanıyla, en düşük güç üretimi ise R123 akışkanıyla elde edilmiştir. 
Yapılan üç boyutlu nümerik analizler ile tasarlanan türbinin akış hızı, basınç değişimi ve oluşan türbülanslar üzerine incelemeler gerçekleştirilmiştir. Türbülanslar ve basınç değişimleri türbin verimini etkileyen faktörler olarak belirlenmiştir.

Abstract:
This thesis investigated Organic Rankine Cycle (ORC) systems used for on-site power generation. The study focused on the design and analysis of radyal turbines used in ORC systems. Factors such as rotor inlet angle, rotational speed, working fluid and inlet temperature were investigated to understand their effects on turbine efficiency. It was found that increasing the rotor inlet angle resulted in an increase in rotor inlet speeds. However, beyond an angle of approximately 78 degrees, a decrease in turbine inlet velocities was observed. Furthermore, while increasing the turbine speed almost tripled the speed, the rotor inlet angle changed by only 3%. Surprisingly, this change in speed resulted in a significant 12% increase in turbine efficiency. It was also found that at low speeds larger rotor inlet and outlet radii were required, while increasing speed resulted in a reduction in rotor dimensions. Increasing the speed from 40 000 to 120 000 rpm resulted in an average reduction in rotor radii of approximately 66.7%. In addition, increasing the turbine inlet temperature from 90 °C to 180 °C resulted in an approximate 18.1% increase in the turbine inlet radius. The effect of turbine speed on power generation was found to be less significant compared to changes in expansion ratio. For example, increasing the speed from 40 000 to 120 000 rpm at an expansion ratio of 8 resulted in an approximate 2% increase in thermal efficiency. However, at 80 000 rpm, increasing the expansion ratio from 2 to 11 resulted in a remarkable 141% increase in thermal efficiency. In the ORC system, the performance varied depending on the working fluid used (R245fa, R123, R365mfc, R1234yf, R1233zd(E) and R1234ze(E)). The highest power output was obtained with R1233zd(E), while the lowest power output was obtained with R123. Three-dimensional numerical analyses were performed to investigate the turbine flow velocity, pressure changes and turbulence. Turbulence and pressure changes were identified as significant factors affecting turbine efficiency.