Atık ısı ile çalışan absorbsiyonlu sistemlerin modellemesi, ekserji analizi ve optimizasyonu
Optimisation and exergy analysis, modeling of absorption systems operating by waste heat
Yazar: ARZU ŞENCAN
Danışman: PROF.DR. ALİ KEMAL YAKUT
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2004
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
ivÖZETAbsorbsiyonlu sistemler, endüstriyel tesislerden atılan atık ısı, güneş enerjisi ve jeotermalenerji gibi ısıl enerji kaynakları ile çalışabilirler. Bu tür ısıl enerji kaynaklarının kullanıldığıabsorbsiyonlu sistemler, özellikle enerji ihtiyacının arttığı son yıllarda oldukça cazip halegelmiştir. Ayrıca, absorbsiyonlu sistemlerde çalışma akışkanı olarak ozon tabakasına zararvermeyen doğal akışkan çiftleri kullanılmaktadır. Bu yüzden absorbsiyonlu sistemler,çevreyle dost sistemlerdir.Bu çalışmada, sistemde çalışma akışkanı olarak LiBr-su eriyiği kullanılmıştır. LiBr-sueriyiğinin termodinamik özelliklerinin belirlenmesi için yeni bir yaklaşım olarak Yapay SinirAğları (YSA) metodu kullanılmıştır. Literatürde mevcut karmaşık matematikseldenklemlerin yerine, YSA metoduyla türetilen denklemler yardımıyla daha hızlı ve dahabasit çözümlere ulaşılmıştır.Çalışmada ilk olarak, absorbsiyonlu sistemin her bir elemanı, ters akışlı ve gövde-boru tiplibir ısı değiştiricisi olarak modellenmiştir. Daha sonra sistemin termodinamiğin birinci veikinci yasa analizleri birlikte yapılmıştır. Sistemin her bir noktasındaki entalpi, entropi,sıcaklık, basınç, kütlesel debi gibi termodinamik özellikler hesaplanmıştır. Ayrıca sisteminekserji analizi yapılarak her bir sistem elemanındaki ekserji kayıpları hesaplanmıştır. Eldeedilen sayısal sonuçlar, tablolar halinde verilmiştir.Soğutma ve ısıtma uygulamaları için absorbsiyonlu sistemin optimum dizaynparametrelerinin belirlenmesi amacıyla, Genetik Algoritma (GA) yöntemiyle sisteminoptimizasyonu yapılmıştır.Farklı çalışma şartları altında, soğutma ve ısıtma uygulamaları için absorbsiyonlu sisteminperformans katsayıları (COP) ve ikinci kanun verimleri (ekserji verimi) hesaplanmıştır.Ayrıca sistem parametrelerinin, sistemin performans katsayısı (COP) ve ikinci kanun verimi(ekserji verimi) üzerine olan etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, grafikler ve tablolarhalinde verilmiştir.Son olarak, deneysel çalışmalar için 1 kW'lık soğutma kapasitesine sahip LiBr-su ile çalışanbir absorbsiyonlu soğutma sistemi tasarlanmış ve imal edilmiştir. Deneysel olarak bulunandeğerler ile teorik olarak hesaplanan değerler karşılaştırılmıştır.Çalışmada, absorbsiyonlu sistemin her türlü analizinin yapılabildiği FORTRANprogramlama dilinde bir bilgisayar programı yazılmıştır. Sistemin giriş parametrelerinin herbir değeri için çalışacak şekilde hazırlanmış bulunan bu programla, istenilen şartlardasistemin simulasyonunu yapmak mümkün olabilmektedir.Absorbsiyonlu sistemlerin teorik ve deneysel olarak tüm analizlerinin yapıldığı bu çalışma,ülkemizde bu sistemlerin tasarımı ve imalatı konusunda yapılacak araştırmalar için önemlibir kaynak oluşturacaktır.ANAHTAR KELİMELER: Absorbsiyonlu soğutma, Absorbsiyonlu ısı pompası, Lityumbromid-su, Birinci ve ikinci kanun analizi, Ekserji analizi, Atık ısı, Modelleme,Optimizasyon.

Abstract:
vABSTRACTAbsorption systems can be driven by thermal energy sources such as waste energy fromindustrial processes, solar energy and geothermal energy. In recent years due to the growthof energy demand, absorption systems in which this type of thermal energy is used havebecome quite attractive. In addition, natural fluid pairs, which are not ozone depletion asworking fluid, are used in the absorption systems. For these reasons, absorption systems arefriendly to environment.In this study, LiBr-water solution was used in the system as working pair. Artificial NeuralNetwork (ANN) method as new an approach was used for determination of thermodynamicproperties of LiBr-water solution. Instead of complex mathematical equations existing in theliterature, faster and simpler solutions were obtained by helping equations derived with ANNmethod.Firstly, each component of absorption system in the study was modeled as heat exchangerwith counter flow and shell-tube type. Then, the first and second laws of thermodynamicanalysis of system were carried out together. Thermodynamic properties such as enthalpy,entropy, temperature, pressure, mass flow rate in each point of system were calculated.Exergy analysis was carried out and exergy losses of each component of system werecalculated. Obtained numerical results were presented on tables.Optimization of system was carried out with Genetic Algorithm method (GA) to determineoptimal design parameters of absorption system for cooling and heating applications.The Coefficient of Performance (COP) and the second law of efficiency (exergeticefficiency) of absorption system under different operating conditions for cooling and heatingapplications were calculated. Furthermore, effects on the Coefficient of Performance (COP)and the second law of efficiency (exergetic efficiency) of system parameters wereinvestigated. Obtained results were presented on graphics and tables.Finally, LiBr-water absorption refrigeration system with refrigerating capacity of 1 kW forexperimental studies was designed and constructed. Experimental values were comparedwith theoretical values.In the study, a computer program in FORTRAN programming language for all analysis ofabsorption system was written. Computer program operates for every value of inputparameters of system. System can be simulated for required conditions with this program.In this study, all theoretical and experimental analyses of absorption systems were carriedout. Therefore, this study is an important source for investigations about design andconstruction of absorption systems in our country.KEYWORDS: Absorption refrigeration, Absorption heat pump, Lithium bromide-watersystems, First and second law analysis, Exergy analysis, Waste heat, Modeling,Optimization.