Mevcut bir buhar üretim sistemine atık ısı geri kazanımı için entegre edilen kalina çevriminin farklı çalışma koşullarında optimizasyonu & termodinamik, çevresel ve ekonomik analizi
Optimization & thermodynamic, environmental and economic analysis of kalina cycle integrated for waste heat recovery in an existing steam generation system in different operating conditions
Yazar: MERVE AKSAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN YAĞLI ; DR. ÖĞR. ÜYESİ YILDIZ KOÇ
İskenderun Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekonomi = Economy ; Ekserji = Exergy ; Enerji = Energy ; Kojenerasyon = Cogeneration ; Termodinamik çevrim = Thermodynamic cycle

Özet:
ÖZET
Gün geçtikçe gelişen teknoloji ile birlikte enerji ihtiyacı artmaktadır. Artan enerji ihtiyacı, yeni kaynaklar bulma ve mevcut sistemlerin verimliliğini arttıracak yeni çevrim teknolojilerini tasarlama ihtiyacını da beraberinde getirmiştir. Günümüzde, araştırmacıların ana ilgi alanı, enerji kaynaklarını daha verimli kullanmak için yeni bir kombine sistem geliştirmeye odaklanmıştır. Endüstride verimli kullanılmayan, israf edilen atık ısı miktarı oldukça fazladır. Bu atık ısıların geri kazanılması ile enerji üretilmesinin yanı sıra CO2 emisyonunun azalması da mümkün hale gelmektedir. Atık ısının geri kazanılmasının çevre dostu bir uygulama olması küresel ısınma tehlikesi için önem arz etmektedir. Çevrim akışkanı olarak amonyak-su karışımı kullanan Kalina çevrimi (KC) düşük sıcaklıktaki atık ısıların en verimli şekilde kazanılmasını sağlayan sistemlerdendir. Bir diğer düşük atık ısı geri kazanımı çevrimi olan ORC ile KC kıyaslandığında, net güç ve termal verim açısından KC ile daha iyi sonuçlar alınmıştır. Ayrıca amonyak-su karışımının, organik akışkanlara göre çevre dostu ve ucuz olması KC'nin tercih sebeplerindendir.

Bu tez çalışmasında, buhar üretmek ve nemli lifi kurutmak için yakıt olarak atık talaşları kullanan mevcut bir brülöre Kalina çevrimi entegre edilmiştir. Kalina çevrimi için Durum-1 ve Durum-2 adı verilen şartlara göre iki farklı simülasyon yapılmıştır. Kalina çevrimi bu iki farklı simülasyon sonuçlarına göre, termodinamiğin birinci ve ikinci yasası kullanılarak analiz edilerek termal olarak optimize edilmiştir. Durum-1 şartlarında, literatürdeki bazı çalışmalar gibi farklı amonyak-su konsantrasyonları için türbin çıkış basıncı sabit bir değerde tutulurken, Durum-2 şartlarında, türbin çıkış basıncı her bir konsantrasyon için değişken tutulmuştur. Her iki durum da hem türbin giriş sıcaklığı (50 bar'da doymuş sıvı sıcaklığından 330 °C'ye) hem de artan amonyak-su konsantrasyonu (X = %20'den X = %80'e) değişkenlerine bağlı olarak incelenmiştir. Kalina çevrimi için enerji, ekserji, ekonomik ve çevresel analizler yapılmıştır. Aynı zamanda Kalina çevriminin entegre edilmesiyle oluşan kojenerasyon sisteminin termal ve ekserji verimleri de hesaplanmıştır. Kalina çevrimi Durum-1'den elde edilen maksimum net güç, termal ve ekserji verimleri X=%80, T=330°C'de sırasıyla; 349,39kW, %22,70,  %52,60'tır. Kalina çevrimi Durum-2'den elde edilen maksimum net güç,termal ve ekserji verimi X=%20, T=330°C'de sırasıyla; 380,97kW, %26,58, %60,34'tür.

Abstract:
With the developing technology, the demand for energy is increasing day by day. The increasing need for energy has brought with it the need to find new resources and design new cycle technologies that will increase the efficiency of existing systems. Today, the main interest of researchers is focused on developing a new combined system to use energy resources more efficiently. The amount of waste heat that is not used efficiently and wasted in the industry is quite high. With the recovery of these waste heats; both energy is produced and CO2 emission is reduced. The Kalina cycle, which uses ammonia-water mixture as the cycle fluid, is one of the systems that provide the most efficient recovery of low-temperature waste heat. Compared ORC that another low waste heat recovery cycle with KC, better results were obtained using KC in terms of net power and thermal efficiency. In addition, the ammonia-water mixture is environmentally friendly and cheap compared to organic fluids is one of the reasons for KC's preference.
In this thesis, the Kalina cycle is integrated into an existing burner that uses waste chips as fuel to generate steam and dry the moist fiber. Two different simulations were made for the Kalina cycle according to the conditions called Case-1 and Case-2. The Kalina cycle was analyzed using the first and second laws of thermodynamics and thermally optimized according to these two different simulation results. In the Case-1 simulation, the turbine outlet pressure is kept at a constant value for different ammonia-water concentrations, as in some studies in the literature, while in the Case-2 simulation; the turbine outlet pressure is kept variable for each concentration. Both cases were investigated depending on both turbine inlet temperature (from saturated liquid temperature at 50 bar to 330 °C) and increasing ammonia-water concentration (from X = 20% to X = 80%). Energy, exergy, economic and environmental analyzes were carry out for the Kalina cycle. At the same time, the thermal and exergy efficiencies of the cogeneration system formed by integrating the Kalina cycle were calculated. Maximum net power, thermal and exergy efficiencies obtained from Kalina cycle Case-1 at X=80%, T=330°C, respectively; 349.39kW, 22.70%, 52.60%. Maximum net power, thermal and exergy efficiencies obtained from Kalina cycle Case-2 X=20% at T=330°C, respectively; 380.97kW, 26.58%, 60.34%.