Güneş enerjisi destekli ısı toprak kaynaklı (jeotermal) ısı pompalı bir kurutucunun enerji ve ekserji analizi
Energy and exergy analysis of a solar-assisted ground-source(geotermal) heat pump dryer
Yazar: EBRU HANCIOĞLU
Danışman: PROF.DR. ARİF HEPBAŞLI
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Enerji = Energy

Özet:
VÖZETGÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ TOPRAK KAYNAKLI(JEOTERMAL) ISI POMPALI BİR KURUTUCUNUN ENERJİ VEEKSERJİ ANALİZİKUZGUNKAYA HANCIOĞLU, EbruDoktora Tezi, Güneş Enerjisi Enstitüsü BölümüTez Yöneticisi: Prof. Dr. Arif HEPBAŞLIAğustos 2006, 147 sayfaSon yıllarda, ekserji analizi, enerji sistemlerinin tasarımı,simülasyonu ve performans değerlendirmesi için yaygın bir şekildekullanılmaktadır. Göz önüne alınan bir sistem veya bir proseste, ekserjitahriplerinin (tersinmezliklerin) büyüklüklerini ve yerlerini belirlemek içinkullanılan çok yararlı bir araçtır.Isı pompalı bir kurutucu, bir ısı pompası ve bir kurutucununbirleşimden oluşmakta olup, normal olarak onu işletmek için gerekli olanelektrik enerjisinden daha fazla ısıl enerji sağlayabilmektedir. Bu tezde,toprak kaynaklı ısı pompalı (TKIP'lı) bir kurutma kabininde defneyapraklarının tek katmanlı kurutma işleminin ve bileşenleri ile birlikte tümTKIP'sı sisteminin enerji ve ekserji analizi incelenmektedir. Bu sistem,İzmir/Türkiye'deki, Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü'nde,tasarlandı, kuruldu ve testleri gerçekleştirilmiştir.Daha önceki çalışmalarda, kurutma prosesi, çeşitli kurutma cihazları,örneğin; akışkan yataklı bir kurutucu, güneş enerjili bir kurutma kabini vesiklon tipte bir kurutucu kullanılarak, enerjetik ve ekserjetik bakımdanVIdeğerlendirilmiştir. Günümüz literatür taramasına dayanarak, açıkliteratürde, dikey TKIP'lı kurutucuların enerjetik ve ekserjetik performansdeğerlendirmesi üzerine herhangi bir çalışmaya rastlanamamıştır. Bu,mevcut çalışmayı yapmanın nedenini oluşturmaktadır.Bu bağlamda, bu çalışmayı yapmanın ana amaçları; (i) enerji veekserji analiz yöntemleri kullanarak, göz önüne alınan dikey TKIPkurutma sistemlerinin performansını değerlendirmek, (ii) bazıtermodinamik parametreleri (yakıt tüketim oranı, bağıl tersinmezlik,verimlilik eksikliği ve ekserjetik faktörü) ve ekserjetik iyileştirmepotansiyelini araştırmak, (iii) TKIP cihazı ve tüm sistem için ekserjetiketki katsayısı (ExEK) değerlerini belirlemek, (iv) tüm sistem için enerji(Sankey) ve ekserji (Grassmann) akış diyagramlarını çizmek ve (v)iyileştirme potansiyelini açığa çıkarmaktadır. Bu kapsamda, defneyapraklarının ürün kurutmasında kullanıldığı sistemin enerji ve ekserjianalizi, performans değerlendirme amaçları için yapıldı. Sistembileşenlerinin her biri için ekserji kayıpları, ayrıntılı ekserjetik analiziyoluyla belirlenmiştir.Teorik ve deneysel çalışmalar, (i) kurutacak ürünün kurumadavranışının belirlenmesi ve (ii) bileşenleri ile birlikte tüm TKIP kurutmasisteminin performansının değerlendirilmesi olmak üzere, başlıca ikigrupta yürütüldü. İlki, aşağıdaki gibi, iki aşamada uygulandı: Sistemintasarımından önce yapılan birinci adım çalışmalarında, defne yapraklarınınmatematiksel modellemesi ve kurutma akımının belirlenmesi için, EgeÜniversitesi Ziraat Fakültesi'nde kurulu olan geleneksel kurutmasisteminde, bazı deneysel ön çalışmalar yürütüldü. Onbeş farklımatematiksel kuruma modeli birbiriyle kıyaslandı.İkinci adım çalışmalarına gelince, Ege Üniversitesi Güneş EnerjisiEnstitüsü'nde kurulan TKIP kurutma sisteminde, Mart 2005'dan Ağustos2006'ya kadar ısıtma modunda ölçümler yapıldı. Kurutma havasıVIIsıcaklığının, kurutma prosesinin ekserji kayıpları, ekserji verimleri veekserjetik iyileştirme potansiyeli üzerine etkilerini araştırıldı. Sonuçlar,kurutucunun ekserji verimlerinin, kurutma havası sıcaklığının yükselmesiile artığını gösterdi. Bundan başka, defne yaprakları, 40 ºC ila 50 ºCsıcaklık aralığında, % 16'dan % 19'a kadar değişen bağıl nemlerde ve 0,5m/s kurutma havası hızında, 9 saatlik kuruma periyodu boyunca, başarılıbir şekilde kurutuldu. Kurutucunun ekserji verimi, iki farklı yaklaşımkullanılarak belirlendi. Birincisi, ürün ekserjisinin, ekserji girdisine oranınadayandırılırken, ikincisi ise, ürün/yakıt temeline göre hesaplandı. Ekserjiverimliliği değerlerinin, birincisi için % 81,35 ile % 87,48 arasında,ikincisi içinse, % 9,11 ile %15,48 arasında değiştiği bulundu.İkinci grup çalışmalarında, TKIP'lı sistem bileşenlerinin herbirindeki ekserji tahripleri, deneysel olarak ölçülmüş parametrelerinortalama değerleri için hesaplandı. Sistem bileşenlerinin ekserjiverimlilikleri, performanslarını değerlendirmek ve iyileştirme potansiyeliniaçığa kavuşturmak için belirlendi. TKIP cihazı ve tüm sistem için EKdeğerleri, sırasıyla, 1,63-2,88 ve 1,45-2,65 aralığında bulunurken,ürün/yakıt bazında buna karşı gelen ekserji verimliliği değerleri ise, 27 ºCölü hal sıcaklığında, sırasıyla, % 21,1 ve % 15,5 olarak elde edildi.Ekserjetik EK değerleri, sırasıyla, 0,174 ve 0,196 arasında hesaplandı.Aynı zamanda, kurutma sistemleri için, kg biriminde alınan nemin 1 kWhenerji girdisine oranı olarak tanımlanan, yeni bir performans indisi (özgülnem ekserjetik indisi olarak adlandırılan) önerildi. Sistem bazında özgülnem çekme oranı 0,122 kg/kWh olarak bulundu.Anahtar Sözcükler: Defne yaprakları, Etki katsayısı, ekserjianalizi, ekserjetik etki katsayısı, kurutma, Özgül nem çekme oranı(ÖNCO), Özgül nem ekserjetik indisi, toprak kaynaklı ısı pompası.

Abstract:
IXABSTRACTENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF A SOLAR-ASSISTEDGROUND-SOURCE (GEOTHERMAL) HEAT PUMP DRYERKUZGUNKAYA HANCIOĞLU, EbruPh.D. in Solar Energy InstituteSupervisor : Prof. Dr. Arif HEPBAŞLIAugustus 2006, 147 pagesIn recent years, exergy analysis has been widely used for the design,simulation and performance assessment of energy systems. It is a veryuseful tool used to identify magnitudes and locations of exergydestructions (irreversibilities) in a system or a process considered.A heat pump dryer is a combination of a heat pump and a dryer,while it can normally deliver more thermal energy than the electricalenergy required operating it. This thesis is concerned with the energy andexergy analysis of the single layer drying process of laurel leaves in aground-source heat pump (GSHP) drying cabinet as well as the wholeGSHP system along with its components. This system was designed,constructed and tested in the Solar Energy Institute, Ege University, inIzmir, Turkey.In these previous studies, the drying process was evaluated in termsof energetic and exergetic aspects using various drying devices, such as afluidized bed dryer, a solar drying cabinet, and cyclone type dryers. Basedon the current literature review, no studies on energetic and exergeticperformance evaluation of a vertical GSHP dryer have appeared in theXopen literature. This was the motivation behind the present thesis.In this regard, the main purposes in doing this work are (i) to assessthe performance of the vertical GSHP drying system considered usingenergy and exergy analysis methods, (ii) to investigate somethermodynamic parameters (fuel depletion ratio, relative irreversibility,productivity lack and exergetic factor) and exergetic improvementpotential, (iii) to determine the exergetic coefficient of performance (COP)values for the GSHP unit and whole system, (iv) to draw energy (Sankey)and exergy (Grassmann) flow diagrams for the whole system, and (v) toelucidate potentials for improvement. In this context, energy and exergyanalyses of this system, in which laurel leaves were used as a productbeing dried, were performed for performance evaluation purposes. Exergylosses for each of the system components were identified through acomprehensive exergetic analysis.The theoretical and experimental studies were conducted mainly intwo groups, namely (i) Determining the drying behavior of the product tobe dried, and (ii) Performance assessment of the whole GSHP dryingsystem along with its components. The first one was realized in two stepsas follows: In the first step studies performed before the design of thesystem, some experimental preliminary studies were conducted in atraditional drying system installed in the Agricultural Faculty of EgeUniversity for mathematical modeling and determining the drying rate oflaurel leaves. Fifteen various mathematical drying models were compared.As for as the second step studies were concerned, measurementswere made in the heating mode from March 2005 to August 2006 in theGSHP drying system installed in the Solar Energy Institute of EgeUniversity. The effects of drying air temperature on exergy losses, exergyefficiencies and exergetic improvement potential of the drying processwere investigated. The results have indicated that exergy efficiencies of theXIdryer increased with rising the drying air temperature. Moreover, the laurelleaves were sufficiently dried at the temperatures ranging from 40ºC to50ºC with relative humidity values varying from 16 to 19% and a dryingair velocity of 0.5 m/s during the drying period of 9 h. Exergy efficiency ofthe dryer was determined using two various approaches. The first one wasbased on the ratio of the product exergy to exergy inflow, while the secondone was on the product/fuel basis. The exergy efficiency values wereobtained to range from 81.35 to 87.48% for the first one and 9.11 to15.48% for the second one.In the second group studies, the exergy destructions in each of theGSHP system components were calculated for average values ofexperimentally measured parameters. Exergy efficiencies of the systemcomponents were determined to assess their performances and to elucidatepotentials for improvement. The COP values for the GSHP unit andoverall system were found to range between 1.63-2.88 and 1.45-2.65,respectively, while corresponding exergy efficiency values on aproduct/fuel basis were obtained to be 21.1 and 15.5% at a dead statetemperature of 27oC, respectively. The exergetic COP values for thosewere calculated to vary between 0.174 and 0.196, respectively. A newperformance indice for drying systems (the so-called specific moistureexergetic indice), defined as the ratio of the moisture removed in kg to theexergy input in kWh, was also proposed. Specific moisture extraction rate(SMER) on the system basis was found to be 0.122 kg/kWh.Keywords: Coefficient of performance, drying, exergy analysis,exergetic coefficient of performance, ground-source heat pumps, laurelleaves, performance evaluation, SMER, specific moisture exergetic indice.