Havadan bağımsız tahrik sistemlerinde kullanılan oksi-yanmalı gaz türbini güç sistemlerinin termoekolojik ve termoekonomik performans analizi
Thermo-ecological and thermo-economic performance analyses of oxy-combustion gas turbine power systems used in air-independent propulsion systems
Yazar: İBRAHİM ÖZSARI
Danışman: PROF. DR. YASİN ÜST
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, 2021
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yapılan bu çalışmada; yanma karakteristiği ve yakıt performansları, enerji, ekserji, ekolojik ve ekonomik boyutları, güç sistemleri ve bileşenleri üzerine detaylı hesaplamalar sunulmuştur. Ayrıca bu yeni sistemin bir örnek üzerinden sayısal sonuçlar ile önemi ve gerekliliği ortaya koyulmuştur. 
Tezin birinci bölümünde oksi-yanma teknolojisinin tarihi, yıllara göre gelişimi, araştırma alanları ve en popüler çalışmalar açıklanmıştır. İkinci bölümde ise oksi-yanma teknolisinin en önemli kısmı olan yanma odası ve yanma karakteristiği üzerine analizler yapılmıştır. Yakıt olarak en çok kullanılan doğal gazın 4 farklı türü yanı sıra benzin, dizel ve methanol de analizlerde kullanılmıştır. Yapılan analiz sonuçları ile güç sistemlerinin enerji ve ekserji analizleri için çok önemli olan adyabatik alev sıcaklığı, özgül ısı, entalpi, entropi, ürün molar kütleleri, spesifik ekserji ve ekserji yıkımı sonuçları elde edilmiştir. Yanma modelinden elde edilen tüm sonuçlar, iki popüler yanma programı (GASEQ ve CEA) ile denetlenerek doğruluğu ortaya koyulmuştur.
Tezin üçüncü bölümünde aynı sistem komponentlerine sahip geleneksel gaz türbini güç sistemi ile oksi-yanmalı güç sisteminin enerji, ekserji, çevre ve ekonomi bakımından detaylı bir termodinamik analizi yapılarak kıyaslaması sunulmuştur. Çevrim basınç oranına göre net güç, giren ısı, verim, özgül yakıt sarfiyatı, eşdeğerlik oranı, yakıt-hava oranı, ekserji verimi, ekserji yıkımı, güç yoğunluğu, EPC, ECOP, EFECPOD, MED ve COPD, ilk yatırım maliyeti, yakıt maliyeti, oksijen maliyeti, toplam maliyet, tesis satış kazancı ve toplam kâr sonuçları hesaplanmıştır. Dördüncü bölümde, denizaltılarında havadan bağımsız tahrik sistemleri olarak kullanılan tüm sistemler tanıtılmıştır.  Günümüzdeki bir denizaltı örnek alınarak eşit güç, eşit oksijen tüketimi ve eşit maksimum sıcaklık şartları altında iki havadan bağımsız sevk sistemi olan yakıt pili ve oksi-yanmalı s-CO2 gaz türbini güç sisteminin ayrıntılı termodinamik analizi yapılmıştır. Yakıt pili ve oksi-yanmalı s-CO2 gaz türbini güç sisteminin analiz sonucu; giren ısı, termal verim, ekserji verimi, özgül yakıt sarfiyatı, güç/hacim ve güç/ağırlık bakımından kıyaslamaları ile sunulmuştur. Tezin son kısmında ise elde edilen sonuçlar özetlenmiştir.

Abstract:
In this study, detailed calculations on combustion characteristics and fuel performances, energy, exergy, ecological and economic dimensions, power systems and components are presented. In addition, the importance and necessity of this new system are revealed with the numerical results from an example. 
The first section of the thesis explains the history of oxy-combustion technology, its development over the years, its areas of research, and the most popular relevant studies. As the most important part of the oxy-burning technology, the second section analyzes the combustion chamber and its combustion characteristics. The analyses also use gasoline, diesel and methanol in addition to the 4 different reserves of natural gas most commonly used as fuel. Results have been obtained from the analyses on adiabatic flame temperature, specific heat, enthalpy, entropy, molar mass of products, specific exergy, and exergy destruction, which have great importance in energy and exergy analyses of power systems. All the results obtained from the combustion model have been verified using two popular combustion programs (GASEQ and CEA).
The third part of the thesis presents detailed thermodynamic analyses of the conventional gas turbine power system and the oxy combustion power system in terms of energy, exergy, environment, and economy using the same system components. Results have been calculated with respect to the cycle-pressure ratio for net power, input heat, efficiency, specific fuel consumption, equivalence ratio, fuel-air ratio, exergy efficiency, exergy destruction, power density, exergy performance coefficient, ecological performance coefficient, effective ecological power density, mean exergy density and power density cost, initial investment cost, fuel cost, oxygen cost, total cost, total revenue, and total profit. The fourth section introduces all the systems used as air-independent propulsion systems in submarines. A detailed thermodynamic analysis of the fuel cell and oxy-combustion s-CO2 gas turbine power system is performed over two air-independent propulsion systems where the conditions for power, oxygen consumption, and maximum temperature are equal. The analysis results regarding the fuel cell and oxy-combustion s-CO2 gas turbine power system are presented in terms of input heat, thermal efficiency, exergy efficiency, specific fuel consumption, power/volume and power/weight. The final section of the thesis summarizes the results.