Thermodynamic analysis and optimization of Claude liquefaction cycle
Claude çevriminin termodinamik analizi ve optimizasyonu
Yazar: BİRNUR ÖZTÜRKMEN
Danışman: PROF. DR. MEHMET KANOĞLU
Gaziantep Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde, gazların sıvılaştırılmasında yaygın kullanılan çevrimler tanıtılmış ve Claude sıvılaştırma çevriminin termodinamik analizi ve optimizasyonu, hava, oksijen, azot, argon, metan ve florin içingerçekleştirilmiştir. Çevrimin çalışma verileri belirli varsayımlar altında, EES yazılımı kullanılarak simüle elde edilmiştir. Claude çevriminin termodinamik analizinde, performans parametresi olarak sıvılaşan gaz oranı, net iş girişi, performans katsayısı ve ikinci kanun verimliliği kullanılmıştır. Parametrik çalışmalar, kompresör giriş sıcaklığı, sıvılaşma sıcaklığı, kompresör çıkış basıncı, ısı eşanjörlerinin etkinliği ve türbine gönderilen gaz oranının Claude çevriminin performansı üzerindeki etkilerini incelemek için yapılmıştır. İş tüketimini en aza indirgeyerek sistem performansını en üst düzeye çıkaran optimum çalışma koşulları belirlenmiştir.Bu sıvılaştırma çevriminin termodinamik analizi, performans katsayısı değerinin metan için en yüksek (0.386), azot için en yüksek ikinci kanun verimliliğinin (% 57.5) olduğunu ve iş tüketiminin argon için en düşük olduğunu (968 kJ / kg sıvı) göstermektedir. Parametrik çalışmalar, düşük kompresör giriş sıcaklığı, yüksek sıvılaşma sıcaklığı ve eşanjör etkinliğinde artışın daha yüksek sıvılaşan gaz oranı, performans katsayısı ve ikinci kanun verimliliği değerleri ve daha düşük iş tüketimi değerleri verdiğini göstermektedir. Optimum türbine gönderilen gaz miktarı 0.7 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca COP'nin maksimum olduğu basınç değerinin 5 Mpa'ın biraz üzerinde olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, common gas liquefaction cycles are introduced and thermodynamic analysis and optimization of Claude liquefaction cycle is performed using common gases including air, oxygen, nitrogen, argon, methane, and fluorine. The cycle is simulated using EES software and operating data of the cycle is obtained under certain assumptions. In thermodynamic analysis of Claude cycle, liquid yield, net work input, COP, and second law efficiency are used as performance parameters. Parametric studies are done to investigate effects of gas inlet temperature, liquefaction temperature, compressor outlet pressure, effectiveness of heat exchangers, and expander flow ratio on the performance of Claude cycle. Optimum operating conditions that maximize system performance by minimizing the work consumption are determined. Thermodynamic analysis of this cycle indicates that the COP value is the highest for methane (0.386), second-law efficiency is the highest for nitrogen (57.5%), and work consumption is the lowest for argon (968 kJ/kg liq). Parametric studies show that a decrease in the inlet gas temperature, an increase in liquefaction temperature, and an increase in heat exchanger effectiveness provide higher values of liquid yield, COP, and second-law efficiency and lower values of work consumption. An optimum value is determined for the fraction of gas diverted to the expander, which turns out to be around 0.7. Also, the pressure for which the COP is maximum is determined to be a little over 5 MPa.