Organik rankıne çevriminin termodinamik analizi ve termoekonomik optimizasyonu
Thermodynamic analysis and thermoeconomic optimization of organic rankine cycle
Yazar: ESRA ÖZDEMİR KÜÇÜK
Danışman: PROF. DR. MUHSİN KILIÇ
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji = Exergy ; Enerji = Energy ; Optimizasyon = Optimization ; Organik rankine çevrim sistemleri = Organic rankine cycle systems ; Taguchi yöntemi = Taguchi method ; Termoekonomi = Thermoeconomy

Özet:
Bu çalışmada, atık ısı kaynaklı dört farklı organik Rankine çevrimi (ORÇ) konfigürasyonu tasarlanarak modellemesi yapılmıştır. Seçilen yedi farklı akışkan için ORÇ konfigürasyonlarının karşılaştırmalı termodinamik ve termoekonomik analizleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca artan buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarının tasarlanan sistemlerin termodinamik ve termoekonomik yönden performans parametrelerini ne yönde etkilediğine dair parametrik analiz gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, iş akışkanı, buharlaştırıcı sıcaklığı, yoğuşturucu sıcaklığı, türbin verimi, pompa verimi, aşırı kızdırma sıcaklığı ve aşırı soğutma sıcaklığı kontrol edilebilir faktörler olarak belirlenmiştir. Sistemin dört önemli çıktı parametresi amaç fonksiyonunda dikkate alınmıştır. Maksimum termal ve ekserji veriminin, minimum toplam sistem maliyetinin ve sistem tarafından üretilen elektriğin birim maliyetinin sağlanması için kontrol faktörlerinin etki dereceleri ve oranları hesaplanmıştır. Bunun için Taguchi ve ANOVA istatiksel analiz yöntemleri kullanılmıştır. Çıktı parametrelerinin aynı anda gerçekleşmesini sağlayacak optimum sonucun elde edilmesi için Taguchi-Gri İlişkisel Analiz yöntemi ile çok amaçlı optimizasyon probleminin amaç fonksiyonu tanımlanmış ve çözümü gerçekleştirilmiştir.
R141b, R123, R245fa, R600, R114 ve R600a akışkanları için en iyi termodinamik performans sonuçları Besleme Sıvı Isıtıcılı-İç Isı Değiştiricili ORÇ için hesaplanmıştır. Dört ORÇ konfigürasyonu içinde kendini en kısa sürede amorti eden sistem basit ORÇ sistemi olmuştur. Taguchi ve ANOVA analizi sonucunda, sistemin termal verimini, ekserji verimini, toplam sistem yatırım maliyetini ve üretilen elektriğin birim maliyetini en çok etkileyen faktörler sırasıyla, buharlaştırıcı sıcaklığı, türbin verimi, iş akışkanı ve iş akışkanıdır. Çok amaçlı optimizasyon işleminde amaç fonksiyonunu maksimize eden kombinasyon, R123 iş akışkanı, 145 oC buharlaşma sıcaklığı, 25 oC yoğuşma sıcaklığı, %90 türbin verimi, %90 pompa verimi, 2 oC aşırı kızdırma ve 5 oC aşırı soğutma sıcaklığı şeklindedir.

Abstract:
In this study, four different organic Rankine cycle (ORC) configurations originating from waste heat were designed and modeled. Comparative thermodynamic and thermoeconomic analyzes of ORC configurations were performed for seven different selected fluids. In addition, parametric analysis has been carried out on how increasing evaporation and condensation temperatures affect the thermodynamic and thermoeconomic performance parameters of the designed systems. In the study, the working fluid, evaporator temperature, condenser temperature, turbine efficiency, pump efficiency, superheat temperature and subcooling temperature were determined as controllable factors. Four important output parameters of the system were considered in the objective function. To ensure maximum thermal and exergy efficiency, minimum total system cost and unit cost of electricity produced by the system, the effect degrees and ratios of control factors were calculated. For this, Taguchi and ANOVA statistical analysis methods were used. To obtain the optimum result that will enable the output parameters to be realized simultaneously, the objective function of the multi-objective optimization problem was defined, and its solution was realized with the Taguchi-Grey Relational Analysis method.
The best thermodynamic performance results for R141b, R123, R245fa, R600, R114 and R600a fluids were calculated for ORC with Feed Fluid Heater-Internal Heat Exchanger. The system that paid for itself in the shortest time among the four ORC configurations was the simple ORC system. As a result of Taguchi and ANOVA analysis, the factors that most affect the thermal efficiency of the system, the exergy efficiency, the total system investment cost, and the unit cost of the electricity produced were, respectively, the evaporator temperature, turbine efficiency, working fluid and working fluid. The combination that maximizes the objective function in the multi-objective optimization process is R123 working fluid, 145 oC evaporation temperature, 25 oC condensing temperature, 90% turbine efficiency, 90% pump efficiency, 2 oC superheat and 5 oC subcooling temperature.