Organik rankine sistemi ve türbininin tasarımı
Organic rankine system and turbine design
Yazar: NURİYE ANIL GÜRLEK
Danışman: PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Gerek Türkiye'de düşük sıcaklıklı atık ısı kaynaklarından enerji geri dönüşümü sağlayan sistemlerin çok az sayıda olması, gerek kurulu sistemlerin yurt dışı menşeili olması, bu alanda ulusal ar-ge çalışmalarının gerekliliğini göstermektedir. Bu nedenle, bu çalışma sonucunda ORÇ sistemlerinin araştırma ve geliştirme safhalarına katkı sağlayabilecek çıktılara ulaşılması hedeflenmiştir.Bu çalışmada, öncelikli olarak buharlı güç sistemleri ve bu sistemler için ideal çevrim olan Rankine çevrimine dair teorik bilgilere ulaşılmıştır. Rankine çevrim hesaplamalarında kullanılan denklemler derlenerek termodinamik çevrim tasarımı için alt yapı oluşturulmuştur. ORÇ güç sistemlerinin sınıflandırma yöntemleri incelenmiş,uygulama alanlarının anlaşılması için ısıl enerji kaynakları hakkında bilgi edinilmiştir.ORÇ teknolojisi ve sistemde kullanılan komponentlere dair çok ayrıntılı olmayan kısa bir araştırma gerçekleştirilmiştir. Bu araştırmada çevrim yapısının verimliliğe etkisi, çalışma akışkanı seçim kriterleri, ısı değiştiriciler ve döner ekipmanlar incelenmiştir.Genel ORÇ sistemleri literatür araştırmasında son olarak kurulu sistemlerin verilerine ulaşılmıştır. Türkiye'de kurulu sistemlerin verileri derlenerek tablo halinde sunulmuştur. Bu analiz sonucunda, ulusal ihtiyaç ortaya çıkmış ve çalışma hedefi pekiştirilmiştir. Literatür araştırmasının son kısmında ise çalışmanın asıl ilgi alanı olan, ORÇ sistemlerinde kullanılan genişleticiler incelenmiştir. Bu incelemede, küçük ORÇ sistemleri için çoğunlukla, basit yapıları ve düşük maliyetli olmalarından dolayı pozitif yer değiştirmeli genişleticilerin, daha yüksek güç kapasiteli ORÇ sistemlerinde ise turbo-genişleticilerin tercih edildiği gözlenmiştir. Kurulu ORÇ sistemlerinde kullanılan genişleticiler araştırılmıştır. 20 kW güç kapasitesine kadar pozitif yer değiştirmeli genişleticilerin tercih edildiği, 20 kW ile 110 kW arasında hem pozitif yer değiştirmeli (özellikle vidalı genişletici) hem de turbo-genişleticilerin tercih edildiği, 110 kW üstünde ise yalnızca turbo-genişleticilerin çözüm olarak sunulduğu sonucuna varılmıştır. Genişleticileri tanıyabilmek için, tüm çeşitlerin yapıları, çalışma
prensipleri, güç kapasiteleri, avantaj ve dezavantajları üzerine araştırma gerçekleştirilmiştir. Literatür araştırmasında elde edilen bilgiler ile sistem tasarım hedefleri oluşturulmuştur. İlk olarak sistem güç kapasitesinin 100 kW, ısıl veriminin ise en az %15 olması hedeflenmiştir. Kaynak sıcaklık aralığının 80-200 oC olmasının belirlenmesinin ardından, bu sıcaklık aralığında çalışabilecek akışkanlar araştırılmış,
akışkan seçim kriterleri (kritik ve maksimum sıcaklık- basınç değerleri, özgül ısıları,
moleküler ağırlıkları, güvenlik seviyeleri, ozon tabakasına zarar verme ve küresel ısınmaya katkı seviyeleri) göz önüne alınarak, verimliliği en yüksek olacak akışkanın
R245fa olduğu sonucuna varılmıştır. Akışkan seçiminin ardından çevrim yapısı belirlenmiştir. Yoğuşturucu (kondenser) önündeki yüksek sıcaklığın düşürülerek soğutmada harcanan gücün azaltılmasının hem sistem verimini arttıracağı hem de sistem hacmini küçülteceği düşüncesi ile çevrimde ara ısı değiştirici kullanılmasına karar verilmiştir. Pompa verimliliği, sisteme uygun pompa seçimi gerçekleştirileceği varsayılarak, %70 olarak belirlenmiştir. Genişletici olarak, hedeflenen güç kapasitesine uygun ve düşük devir sayılarında verimli çalışabilen radyal çıkışlı türbin seçilmiştir. Seçilen türbinin veriminin en az %70 olması hedeflenmiştir. Son olarak,sistemde su soğutmalı kondenser kullanılması ve suyun sıcaklığı 28 oC alınarak tasarım yapılması kararı verilmiştir.Termodinamik çevrim tasarımı için gerekli girdi parametrelerinin (evaporatör basıncı,kondenser basıncı, türbin giriş sıcaklığı) belirlenmesi için çalışma akışkanı olarak seçilen R245fa'nın farklı çalışma koşullarındaki ısıl verimliliği analiz edilmiştir.
Türbin giriş sıcaklığı, türbin verimini doğrudan etkilediği için, akışkanın çıkabildiği
maksimum değer olan 166,85 oC seçilmiştir. Bu değerde farklı basınçlarda yapılan analizler sonucu, en yüksek verimliliği veren ve kritik seviyeyi aşmayan evaporatör basınç değeri 31 bar olarak belirlenmiştir. Yoğuşma basıncı düştükçe yoğuşma sıcaklığı da düştüğü için ısıl kapasite ve dolayısıyla hacim azaldığından, kondenser basıncının olabildiğince düşük olmasına özen gösterilmiştir. Basınç belirlenirken, kondenser giriş sıcaklığının soğutma suyunun giriş sıcaklığının altına düşmemesine dikkat edilmiştir. Sonuç olarak kondenser basıncı 2 bar olarak belirlenmiştir.Çevrim tasarım hesapları, sanayi-üniversite işbirliği içerisinde gerçekleştirilen bir ORÇ sistemi tasarımı ve imalatı projesi kapsamında hazırlanmış olan bir bilgisayar kodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Termodinamik çevrim analizi sonucunda, 2,713 kg/s akışkan debisi ile %16,118 verimle 100 kW güç üreten bir sistem tasarlanmıştır.Tasarım çıktısı olarak, giriş çıkış istasyonlarındaki basınç, sıcaklık ve entalpi değerlerive komponentlerin (evaporatör, kondenser, reküperatör ve pompa) güç kapasiteleri belirlenmiştir.Genişletici olarak seçilen radyal çıkışlı türbin tasarımından önce bu tip türbinlerin geometrik yapısı incelenmiştir. Yapılan araştırma sonucunda, radyal çıkışlı türbin tasarımının, özellikle ORC türbinleri için geliştirilmiş olan zTurbo yazılımı ile gerçekleştirilmesine karar verilmiştir. zTurbo yazılımının yapısı incelenmiş, girdi parametreleri için tahmini değer aralıkları literatür araştırması ile belirlenmiştir. Ek olarak, tasarımda kullanılacak kayıp korelasyonu seçimi için literatürdeki çalışmalar incelenmiştir. Bu çalışmalarda, Craig&Cox korelasyonunun uç kayıplarını yeterince iyi tahmin edemediğini, Traupel korelasyonunun ise analiz değerlerinden daha yüksek ama Craig&Cox'a göre daha yakın tahmin edebildiği gözlenmiştir. Toplam kayıp tahmininde de Traupel'in analiz değerlerine daha yakın değerler sağladığı
gözlenmiştir. Bu nedenle tasarımda Traupel kayıp korelasyonunun uygulanmasına karar verilmiştir. zTurbo yazılımı ile ön tasarım denemeleri gerçekleştirilmiştir. Farklı girdi verileri ve kayıp korelasyonları ile birçok deneme yapılmış, çıktı verilerinde öncelikle verim daha sonra geometri değerlerine dikkat edilmiştir. Hedef doğrultusunda gerçekleştirilen ön tasarım deneme çalışmalarında, farklı değerlerdeki girdilerin çıktılara etkisi ayrıntılarıyla incelenmiştir. Dört kademeli türbin tasarım denemelerinde, kademelerin farklı genişleme oranlarına sahip olmalarındın performansı arttırdığı özlenmiştir. Kademelerin reaksiyon dereceleri 0,5 civarında tutulmuştur. Türbin devir hızı en iyi verimi sağlayacak şekilde gerçekleştirilen tasarım denemeleri sonucu belirlenmiştir. Kanat uç açıklıkları ve firar kenarı kalınlığı için, mekanik titreşim ve imal edilebilirlik kriterleri göz önüne alınarak minumum değerler seçilmiştir. Stator rotor arası mesafe küçük seçilirken, iki kademe arası mesafe bu değerin yaklaşık iki katı seçilmiştir. Akışkan yoğunluğunun azalması nedeniyle, hızın süpersonik hızlara çıkmaması için akış alanının artması, dolayısıyla kanat yüksekliğinin artması beklenir. Bu nedenle ilk kademe yüksekliği ve çapı tasarım denemeleri sonucunda belirlenmiştir. Veter uzunlukları, ilk kademe hariç, imalat kolaylığı açısından eşit seçilmiştir. Tasarım denemelerinde dikkat edilen bir diğer hususta kanat geometri açılarıdır. Hız üçgenlerindeki açıları kontrol altında tutabilmek için kanat geometri açılarının giderek artan bir profilde olması sağlanmıştır. Tasarım sonuçları (giriş-çıkış çapları ve açıları, kamburluk hattı uzunluğu) ile üç kontrol noktası belirlenmiş ve bu noktalar kullanarak NURBS eğrisi ile kamburluk hatları oluşturulmuştur. Tasarım denemeleri sonucu oluşturulan kamburluk hatları akış pasajı ve dinamiği düşünülerek yorumlanmış ve tatmin edici geometrinin kanat tasarımının yapılması karar alınmıştır. Kanat geometrisinin oluşturmada NACA A3K7 kanat profili kullanılmıştır. Belirlenen kamburluk hattı üzerinde kalınlık verilecek noktalar belirlenmiş, imal edilebilirlik unsuru ve iki kanat arası uzaklık göz önüne alınarak kalınlık oranları belirlenmiştir. Gerek görülen kademelerde kademe sayıları revize edilmiştir. Tasarım denemeleri sonucunda, %79.5 verim ile 122.77 kW mekanik enerji üreten bir radyal çıkışlı türbin ön tasraımı gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Atmospheric greenhouse gas is increasing day by day with the increase of world population and consumption. Energy consumption has the largest share in greenhouse gas emissions released to the atmosphere. According to the energy consumption data,the energy consumption in the industrial area is in the first place. In recent years, some efficiency enhancing components and processes have been incorporated into the operating process in order to reduce industrial energy consumption, but the waste heat released to the atmosphere can not be avoided. Inevitable waste heat losses can be utilised with energy conversion technologies. With the ORC (Organic Rankine Cycle)systems, one of the heat recycling technologies, energy efficiency can be increased by turning wasted heat energy into electric energy.Thanks to the organic fluids used in ORC systems, low volume and low cost systems enable energy recycling even at low temperatures. In addition, ORC systems are
reliable, environmentally friendly and easy to maintain. These advantages make ORC systems one of the best solutions for energy recycling of industrial waste heat. In order to reduce energy consumption, it is necessary to increase the environmentally friendly energy recycling systems in the industrial area.The fact that there are very few systems that provide energy recycling from low temperature waste heat sources in Turkey and the fact that the installed systems are of foreign origin, this field shows the necessity of national research and development. For this reason, it is aimed to reach the output which can contribute to the research and development phases of the ORC systems as a result of this study.In this work, the theoretical knowledge about the steam power systems and Rankine cycle, which is the ideal cycle for these systems, is reached firstly. Equations used in Rankine cycle calculations were compiled and infrastructure for thermodynamic cycle
design was established. Classification methods of ORC power systems have been examined and information about thermal energy sources has been obtained for understanding application areas. A brief, non-exhaustive survey of ORC technology and the components used in the system has been carried out. In this research, efficiency of cycle structure, working fluid selection criteria, heat exchangers and rotary equipments are examined. In the literature review of the general ORC systems, the data of the installed systems are finally obtained. The data of the systems established in Turkey are compiled and presented in tabular form. As a result of this analysis, the national need is exposed and the working goal is reinforced. In the last part of the literature review, expanders used in ORC systems, which is the main interest of the study, have been examined. It has been observed in this review that positive displacement expanders are often preferred for small ORC systems because of their simplicity and low cost, while turboexpanders are preferred over higher power ORC systems. Expanders used in the installed ORC systems have been researched and following results are observed:
- Positive displacement expanders are preferred below 20 kW power capacity,
- Both positive displacement (especially screw extender) and turbo expanders are
being preferred between 20 kW and 110 kW ,
- While turbo expanders are only available as solutions above 110 kW.
In order to have a better understanding of the expanders, research has been carried out
on the construction of all varieties, working principles, power capacities, advantages
and disadvantages. System design goals were established with the information obtained in the literature survey. Firstly, it is aimed that the system power capacity is 100 kW and the thermal efficiency is at least 15%. After determining the source temperature range to be 80-200 oC, the fluids that can work in this temperature range were investigated and the fluid selection criteria (critical and maximum temperaturepressure values, specific heat, molecular weights, safety levels, ozone depletion and global warming levels) , Resulting in the highest efficiency fluid being R245fa. After the fluid selection, the cycle structure was determined. By decreasing the high temperature in front of the condenser the power consumed in cooling is reduced. This increase the efficiency of the system and decrease the system volume. That is why the use of a recuperator is decided. Pump efficiency was set at 70%, assuming that the pump selection would be made appropriate for the system. As an expander, a radialoutflow turbine suitable for the targeted power capacity and capable of working efficiently at low speeds has been chosen. It is targeted that the efficiency of the selected turbine is at least 70%. Finally, it was decided to design the system by using water-cooled condenser with water temperature 28 oC.The thermal efficiency of R245fa, selected as the working fluid for the determination of the input parameters (evaporator pressure, condenser pressure, turbine inlet temperature) required for thermodynamic cycle design, was analyzed. Since the turbine inlet temperature directly affects the turbine efficiency, the maximum value 166,85 oC that the fluid can reach is selected. Analyzes made at different pressures at this value yielded the highest efficiency and the evaporator pressure value not exceeding the critical level was set at 31 bar. Care has been taken to ensure that the condenser pressure is as low as possible since the thermal capacity and therefore the volume is reduced as the condensation pressure drops as the condensation temperature also drops. When the pressure is determined, it is noted that the condenser inlet temperature does not fall below the inlet temperature of the coolant. As a result, the condenser pressure was set at 2 bar. The cycle design calculations were carried out using a computer code prepared within the scope of an ORC system design and manufacturing project carried out in university and industry collaboration. As a result of the thermodynamic cycle analysis, a system that produces 100 kW power with an efficiency of 16,118% was designed with 2,713 kg / s fluid flow. As a design output, the power capacities of the components of the pressure, temperature and enthalpy in the inlet and outlet stations (evaporator, condenser, recuperator and pump) are determined. Before the design of radial outflow tubine, the geometric structure of such turbines have been investigated. As a result of the research, it was decided to implement the radial outflow turbine design with zTurbo software especially developed fr ORC turbines. The structure of the zTurbo software is examined and the estimated value ranges for the input parameters are determined by literature search. In addition, studies in the literature have been examined to select the loss correlation to be used in design. In these studies, it was observed that Craig & Cox correlations can not predict the tip losses sufficiently, Traupel correlation is higher than the analytical values but still Treupel estimates yield more closely to the analysis than Craig & Cox correlation. It is also observed that Traupel provides values closer to the analysis values related to the total loss estimates.For this reason, it was decided to apply Traupel loss correlation in the design. Preliminary design experiments were carried out with zTurbo software. Several
experiments have been made with different input data and loss correlations. In the preliminary design trial studies carried out for target design, the output effects of the
inputs in different values are examined in detail. In four-stage turbine design experiments, it has been observed that the stages have increased performance due to
their different expansion rates. The reaction degree of the stages are kept around 0.5.
Turbine rotation speed has been determined as the end result of the design experiments
carried out to provide the best efficiency. For blade clearences and trailing edge thickness, the minumum values were chosen taking into account mechanical vibration and manufacturability criteria. While the distance between the stator and rotor is small, the distance between the two stages is chosen to be about twice this value. Due to the decrease in fluid density, the flow area is expected to increase so that the speed does not rise to supersonic speeds, and therefore the height of the blades are expected to increase. For this reason, the first stage height and diameter were determined as a result
of design experiments. Chord lengths were chosen equally in terms of ease of manufacture, with the exception of the first stage. Another important consideration in design experiments is the angles of the blade geometry. In order to keep the angles in the velocity triangles under control, it is ensured that the angles of the blade geometry consecutively increase. Three control points were determined by design results inputoutput diameters and angles, camber line length), and by using these points, lines of curvature were formed by NURBS curves. While desigining the camberline, flow path and flow dynamics have been taken into consideration, as a result, it has been decided to design the wing of the satisfactory geometry. The NACA A3K7 blade profile was used to construct the geometry. Thickness points were determined on the camber line and tangentially extruded to form the thickness taken into account the manufacturability and the distance ratios were determined considering the manufacturability factor and the distance between consecutive blades. When
considered necessary, the required number of stages have been revised. As a result of the design studies, preliminary design of a radial output turbine which produced 122.77 kW mechanical energy with an efficiency of 79.5% was carried out.