Termik sistemlerin boyut ve performans optimizasyonu için yeni bir yöntem: Ekserji yoğunluğu
A new method for the size and performance optimization of thermal systems: The exergy density
Yazar: ASIM SİNAN KARAKURT
Danışman: PROF. DR. BAHRİ ŞAHİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buhar türbini = Steam turbine ; Ekserji = Exergy ; Ekserji analizi = Exergy analysis ; Gaz türbini = Gas turbine ; Güç üretim sistemleri = Power production systems ; Termodinamik analiz = Thermodynamic analysis ; Termodinamik çevrim = Thermodynamic cycle ; Termodinamik özellikler = Thermodynamic properties

Özet:
Yapılan bu çalışmada termik sistemlerin hem performans hem de boyut kriterlerini aynı anda dikkate alan yeni bir kriterin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda birinci bölümde ilgili literatür kaynakları taranarak ekolojik, ekonomik, boyut ve performans optimizasyonlarında kullanılan kriterler sınıflandırılmış ve yapılan çalışmalardaki eksik noktalar belirtilmiştir. Ardından tezimizin temel amacı olan boyut ve performansı birlikte ele alarak optimize etmeye yönelik olarak yapılan çalışmalar belirtilmiştir. Tanımlanan bu yeni kriterin literatüre yapacağı katkılar ise yine birinci bölümde bahsedilmiştir. 
Çalışmanın ikinci bölümünde ise yeni sunulan özellik ve kriterin farklı özelliklerdeki termodinamik (gaz ve buhar akışkanlı) çevrimler için farklı dizayn koşullarına bağlı olarak parametrik analizler ve optimizasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda Brayton, Atkinson, Dizel, Otto ve Rankine çevrimleri ele alınarak her bir çevrime ait Ekserji Yoğunluğu (ρEx) ve özgül entropi (s) grafikleri elde edilmiştir. Bunlara ek olarak Rankine çevrimi özelinde Ortalama Ekserji Yoğunluğu (ρEx,m) kavramı tanımı yapılarak yorumlanmaya çalışılmıştır. 
Üçüncü bölümde ise hali hazırda çalışan bir termik santrale ait buhar türbinlerinde Ekserji Yoğunluğunun değişimi özgül ekserji ve özgül hacim değişimleri ile birlikte ele alınmış ve türbinlerin her bir kademesinden elde edilecek net ekserjinin yine o kademedeki hacim değişimine oranı yeni kavram olarak tanımlanarak ilgili analizler gerçekleştirilmiştir. Yine buradan yola çıkarak buhar türbinlerinin maliyet analizlerinde kullanılabilecek ve türbin kademe sayısı, kademe çapı ve ekonomik katsayıların bir fonksiyonu olan yeni bir model geliştirilerek analizleri gerçekleştirilmiştir. 
Dördüncü ve beşinci bölümlerde ise yine bu çalışmada önerilen ve çevrimin net özgül ekserji çıktısının çevrimin özgül hacim değişimine oranı olan Ortalama Çevrim Basıncı (MCP) / Ortalama Çevrim Ekserji Yoğunluğu kriterine analizler farklı dizayn ve çalışma koşullarında çalışan hava akışkanlı güç çevrimleri (Brayton, Atkinson, Dizel ve Otto) için gerçekleştirilmiştir. Önerilen kavramın çevrimin termik verimi, net işi ve ekserji yıkımı ile olan ilişkileri de farklı koşullar için parametrik olarak gösterilmiştir.
Çalışmamızın son kısmında ise yapılan uygulamalardan elde edilen sonuçlar özetlenerek gelecek çalışmalar için yapılan planlar ile önerilen özellik ve kriterlerin kullanılabilirliği ifade edilmiştir.

Abstract:
In this study, it is aimed to develop a new criterion that considers both performance and size criteria optimization of thermal systems according to their intended of use. In this context, in the first chapter, the related literature sources were scanned and the criteria used in ecological, economic, dimension and performance optimizations were classified and the missing points in the studies were specified. Then, the main purpose of our thesis, dimension and performance together with the efforts to optimize the studies are specified. The contribution of this new criterion to the literature is mentioned in the first chapter.
In the second part of the study, parametric analyzes and optimizations have been carried out due to the different design conditions of thermodynamic (gas and vapor fluid) cycles with different properties and criteria offered. In this context, Brayton, Atkinson, Diesel, Otto and Rankine cycles were taken into consideration and the exergy density (ρEx) and specific entropy (s) graphs of each cycle were obtained. In addition to these, the term Mean Exergy Density (ρEx, m) was used to interpret the Rankine cycle.
In the third chapter, the Exergy Density change in the steam turbines of a thermal power plant is studied together with the specific exergy and specific volume changes. From this point, a new model, which is a function of turbine stage number, stage diameter and economic coefficients, can be used in cost analysis of steam turbines.
In the fourth and fifth chapters, the analysis of the Mean Cycle Pressure (MCP) / Mean Cycle Exergy Density criterion, which is the ratio of the net specific exergy output of the cycle to the specific volume change of the cycle, which was proposed in this study, was carried out for the air-fluid power cycles (Brayton, Atkinson, Diesel and Otto) operating in different design and working conditions. The proposed concept is shown in terms of the thermal efficiency of the cycle, its net work and its relations with the exergy destruction.
In the last part of our study, the results obtained from the applications are summarized and the plans for the future studies and the usability of the proposed features and criteria are expressed.