Doğal gaz sıvılaştırması için kullanılan çok aşamalı bir kaskad soğutma çevriminin bilgisayar ortamında termodinamik ve ekonomik modellenmesi
Computerized thermodynamic and economic modeling of a multistage cascade refrigeration cycle used for natural gas liquefaction
Yazar: ALI HASAN ABBAS
Danışman: DOÇ. DR. CEYHUN YILMAZ
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bilindiği üzere sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG), kaynaktan piyasaya olan mesafenin uzun olduğu durumlarda doğal gazın taşınması için pratik ve ekonomik olarak uygun, hızla büyüyen bir enerji taşıyıcısıdır. Doğal gaz sıvılaştırıldığında, yaklaşık -150°C veya daha düşük bir sıcaklığa soğutulmalıdır. EES programı kullanılarak, çok aşamalı bir soğutma çevrimi için kompresörler, soğutucular, genleşme valfleri ve kondansatörler gibi çevrimin tüm bileşenleri için termal özellikler ve ekserji yıkım denklemleri hesaplanmıştır.
Üç modelin analizinde, termodinamik analiz ve termo-ekonomi sonuçlarına dayanan ilk modelde, varsayımsal sıcaklık 25°C ve doğal gaz giriş kütle debisi 1 kg/s ve 60 bar basınçta alınmıştır. (EES) modelleme yazılımı kullanılarak, minimum iş 459.5 kJ/kg, ideal performans katsayısı (COP) 1.76 olarak hesaplanmıştır. Tasarlanan sistemin fiili analizi yapıldığında, doğal gazın sıvılaştırılması için gereken işin 1095 kJ/kg olduğu görülmekte ve çevrimin COP değeri 0.73 olarak hesaplanmaktadır. Çevrimin ekserji verimi %42 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca Termo ekonomik analiz sonucunda sıvılaştırılmış doğal gazın birim maliyeti 0.40 $/kg LNG olarak hesaplanmıştır. İkinci model için minimum iş 472.4 kJ/kg olarak hesaplanmıştır ve ideal katsayı: performans (COP) 1.714 olarak hesaplanmıştır. doğal gazın sıvılaştırılması için gereken iş 936.3 kJ/kg olup, çevrimin COP değeri 0.86 olarak hesaplanmıştır. Çevrimin ekserji verimi %50 olarak hesaplanmıştır. sıvılaştırılmış doğalgazın birim maliyeti 0.36 $/kg LNG olarak hesaplanmıştır. Üçüncü model için minimum iş 420.4 kJ/kg, ideal performans katsayısı (COP) 1.92 olarak hesaplanmıştır. doğal gazın sıvılaştırılması için gereken iş 991.1 kJ/kg olup, çevrimin COP değeri 0.81 olarak hesaplanmıştır. Çevrimin ekserji verimi %42 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca Thermo ekonomik analiz sonucunda sıvılaştırılmış doğalgazın birim maliyeti 0.34 $/kg LNG olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
As is known, liquefied natural gas (LNG) is a rapidly growing energy carrier that is practical and economically suitable for the transportation of natural gas in situations where the distance from the source to the market is long. When natural gas is liquefied, it must be cooled to a lower temperature of around -150°C or lower. by using the EES program, the thermal properties and equations of exergy destruction were calculated for all components of the cycle: compressors, coolers,  expansion valves, and condensers for a multi-stage refrigeration cycle.
In the analysis of the three models, a hypothetical temperature is 25°C and a natural gas inlet mass flow rate of 1 kg/s were taken at a pressure of 60 bar, in the first model based on thermodynamic analysis and thermo-economics results using (EES) modeling software, the minimum work is calculated as 459.5 kJ/kg, and the ideal coefficient of performance (COP) is calculated as 1.76. When the actual analysis of the designed system is performed, it is seen that the work required for the liquefaction of natural gas is 1095 kJ/kg, and the COP value of the cycle is calculated as 0.73. The exergy efficiency of the cycle is calculated as 42%. In addition, as a result of the Thermo economic analysis, the unit cost of liquefied natural gas is calculated as 0.40 $/kg LNG. For the second model, the minimum work is calculated as 472.4 kJ/kg, and the ideal coefficient of performance (COP) is calculated as 1.714. and the work required for the liquefaction of natural gas is 936.3 kJ/kg, and the COP value of the cycle is calculated as 0.86. The exergy efficiency of the cycle is calculated as 50%. the unit cost of liquefied natural gas is calculated as 0.36 $/kg LNG.for the third model the minimum work is calculated as 420.4 kJ/kg, and the ideal coefficient of performance (COP) is calculated as 1.92. the work required for the liquefaction of natural gas is 991.1 kJ/kg, and the COP value of the cycle is calculated as 0.81. The exergy efficiency of the cycle is calculated as 42%. In addition, as a result of the Thermo economic analysis, the unit cost of liquefied natural gas is calculated as 0.34 $/kg LNG.