Soğutma sistemleri için yeni nesil bir enerji depolama ünitesi tasarımı ve termodinamik analizi
Design and thermodynamic analysis of a novel energy storage unit for cooling systems
Yazar: SADIKA ŞİMŞEK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA AKTAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin devamlılığını sağlama ve arz talep dengesini kontrollü bir şekilde yönetebilme isteği enerji depolama çalışmalarını ön plana çıkarmıştır. Enerji depolama türlerinden olan, termal enerji depolama ısı ve soğu enerjisinden fazlaca yararlanılan iklimlendirme ve kurutma sistemleri için enerjinin etkin kullanımını sağlayabilmektedir. Bu çalışmada, çift etkili ısı pompası sisteminde buzda enerji depolama ile soğu depolama ve sıcak su depolama tankı ile de ısı depolama gerçekleştirilmektedir. Böylece endüstriyel kurutma sistemi için gerekli olan termal enerjinin tek bir sistem ile karşılandığı bir tasarım yapılmıştır. R32 ve R290 soğutucu akışkanlar için termodinamik analizler yapılarak sistem performansları hesaplanmıştır. Elde edilen verilere göre çift etkili performans katsayıları (COP çift etkili) R290 soğutucu akışkanı için 7, R32 akışkanı için de 6,75 olarak hesaplanmıştır. Akışkanların sistemle uyumlulukları ve etkinlik katsayıları birbirine benzerlik göstermiştir. Çevresel etkileri kıyaslandığında ise her iki akışkanın da ozon tüketme potansiyeli (OTP) 0 olmasına rağmen, düşük küresel ısınma potansiyeli (KIP) ile R290 ön plana çıkmıştır. Isı pompası sisteminde çoklu elektrik tarifesine göre buz ve sıcak su depolanması durumunda geleneksel bir ısı pompası sistemine kıyasla enerji maliyet analizi gerçekleştirilmiştir. Sistemde saat başına 1 ton buz üretilerek 8 saat buzda enerji depolama ve atık ısının sıcak su olarak depolanması ile R290 soğutucu akışkanı için 45 676 TL/yıl, R32 akışkanı için 47 792 TL/yıl enerji maliyetinden tasarruf edilmiştir. Literatürde yer alan çalışmalarla kıyaslandığında ise hem buzda enerji depolanması hem de sıcak su depolanması ile daha yüksek sistem COP değeri elde edilmiştir. Ayrıca doğalgazlı kazan yerine atık ısı depolaması gerçekleştirilerek R290 soğutucu akışkanlı sistem için yıllık 22,7 ton, R32 akışkanlı sistem için 23,7 ton CO2 emisyon salımı engellenmiştir. Enerji sistemlerinde sürekliliğin, ucuzluğun, verimliliğin ve çevresel etkilerin azaltılmasının sağlanabilmesi açısından yapılan tasarım endüstriyel kurutma sistemleri için alternatif bir seçenek oluşturacaktır.

Abstract:
Procuring solicitiously the continuity of energy obtained from energy resources and to manage the supply-demand balance in a controlled manner has brought energy storage studies to the fore. Thermal energy storage, which is one of the energy storage types, will ensure the efficient use of energy for air conditioning and drying systems that make use of heat and cold energy. In this study, with energy storage in ice cold storage and heat storage with hot water storage tank are carried out in the double-effect heat pump system. Thus, a design has been made in which the thermal energy required for the industrial drying system is met with a single system.System performances were calculated by performing thermodynamic analysis according to R32 and R290 refrigerants. When comparisons are made according to the data obtained; Dual performance coefficients (COP dual) are calculated as 7 for R290 refrigerant and 6,75 for R32. The compatibility of the refrigerants with the system and the efficiency coefficients were similar to each other. When the environmental effects are compared, although the ozone depletion potential (ODP) values in both refrigerants are 0, the R290 refrigerant has come to the fore with its global warming potential (GWP) value of 3. In the case of storing ice and hot water according to multiple electricity tariffs in the heat pump system, an energy cost analysis was performed compared to a conventional heat pump system. Energy costs of 45 676 TL/year for R290 refrigerant and 47 792 TL/year for R32 refrigerant were saved by producing 1 ton of ice per hour in the system, storing energy in ice for 8 hours and storing waste heat as hot water. Compared to the studies in the literature, a higher system COP value was obtained with both the storage of energy in ice and the storage of hot water. In addition, by performing waste heat storage instead of a natural gas boiler, annual CO2 emissions of 22,7 tons for the system with R290 refrigerant and 23,7 tons for the system with R32 refrigerant are prevented. The design made in order to ensure continuity, cheapness, efficiency and reduction of environmental impacts in energy systems will create an alternative option for industrial drying systems.