Atık ısı kaynaklı kademeli ORC güç santrali tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of staged ORC power plant by waste heat
Yazar: İLYAS CEYLAN
Danışman: PROF. DR. OĞUZ ARSLAN
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Atık ısı = Waste heat ; Organik rankine çevrim sistemleri = Organic rankine cycle systems ; Termodinamik = Thermodynamics

Özet:
CO2'yi net sıfıra indirmek, insanlığın karşılaştığı en zorlu görevdir (Nelson & Allwood, 2021). Düşük dereceli ısı enerjisi üretim teknolojileri, hedefe ulaşmak için çok önemlidir (Hafner, Jones, & Anger-Kraavi, 2012). Teknolojiler endüstriyel atık ısıyı geri kazanabilir ve fosil yakıt kullanım verimliliğini arttırabilir (Loni, ve diğerleri, 2020). Dahası, bunlar düşük dereceli ısıya sahip bazı yenilenebilir enerjilere de uygulanabilir. Organik Rankine Döngüsü (ORC), tüm düşük dereceli ısı enerjisi üretim teknolojileri arasında en fazla potansiyele sahip olabilir (Anastasovski, Raskovski, & Guzovic, 2020). Sonuç olarak, birçok araştırmacı son on yılda ORC'nin termodinamik ve ekonomik performansını iyileştirmeye odaklanmıştır.
ORC'nin performansını artırmanın en etkili yollarından biri, ORC'nin döngü sayısını artırmaktır. Çift döngülü ORC (DLORC), termodinamik ve ekonomik performansta büyük potansiyel göstermiştir. Ayrıca, DLORC düşük karbon ayak izine ve yüksek CO2 emisyon azaltımına sahiptir. Ouyang et al. (Ouyang, ve diğerleri, 2019). Boyaghchi ve Chavoshi güneş enerjisi tarafından yönlendirilen DLORC'un çevresel etki oranlarını inceleiş ve analiz sonuçları, DLORC'un en düşük çevresel etki oranlarının Nisan ayında ortaya çıktığını ortaya koymuştur. DLORC üzerinde bir termodinamik analiz gerçekleştirildi (Sciubba, Tocci, & Toro, 2016).  Analiz sonuçları, tek bir kaynak için iki temel ORC kullanılmasının termal verimliliği ve ısı kaynağı kullanım oranını önemli ölçüde iyileştirebileceğini göstermiştir. Sciubba ve ark. ayrıca DLORC için sıvı seçimi gerçekleştirdi. Sonuçlar, R245fa'nın R600'e kıyasla daha iyi bir termodinamik performansa sahip olduğunu göstermiştir. Xia ve ark. çok amaçlı optimizasyon kullanarak seri-paralel DLORC için çalışma sıvısı seçimini gerçekleştirmiştir. Optimizasyon için hedefler geri ödeme süresi, yıllık emisyon azaltımı, ekserji verimliliğidir. Çalışma seçimi sonuçları, seri-paralel konfigürasyon için 18 aday çalışma sıvısı çifti arasında sikloheksan/bütanın en uygun çalışma sıvısı olduğu gösterilmiştir. 
Daha iyi bir performans elde etmek için üçlü döngü kavramı önerilmiştir. Makalede, biri seri, diğeri paralel tip olmak üzere iki tip üçlü döngü bildirilmiştir. Başvurulan çalışmalarda elde edilen sonuçlar, her iki türün de sistemin performansını artırabileceğini göstermiştir. Dwinanto üçlü çevrimin termodinamik performansını analiz etmiştir. Araştırmada, üçlü döngülerin daha yüksek bir enerji kullanımına sahip olduğu gösterilmiştir. Zhang et al. yenilikçi bir çok döngülü ORC önermiştir. Parametrik analiz, Multi-Loop ORC'nin (MLORC) sistemin performansını önemli ölçüde iyileştirebileceğini göstermiştir.
Bir çalışmada, ORC-ORC kombine güç sisteminin termal ekonomik optimizasyonu ve analizi de çalışılmıştır (Braimakis & Karellas, 2018). Atık ısı geri kazanımı için ORC-ORC kullanımını optimize etmiştir. Optimize edilmiş değişkenler olarak üst ve alt sirkülasyon evaporatör basıncını, üst sirkülasyon evaporatörünün minimum sıcaklık farkını ve kondenser sıcaklığını seçmiştir. Araştırmacılar, tek kademeli bir ORC'ye kıyasla ORC-ORC kombine güç sisteminin ekserji verimliliğini artırma potansiyelini keşfetmeyi ve 100 ile 300 °C arasındaki bir ısı kaynağı sıcaklığında net güç çıkışını maksimize etmeyi amaçlamıştır. ORC-ORC ile elde edilen sonuçları tek kademeli çevrimlerle karşılaştırarak, bu çalışma sıcaklıkları için tek kademeli çevrimlerle karşılaştırıldığında, ORC-ORC'nin güç çıkışı ve ekserji verimliliğinin farklı ısı kaynağı sıcaklıklarına göre artırılabileceği sonucuna varmışlardır.
Literatür incelemeleri, tek bir atık ısı kaynağının geri kazanılması için çift döngülü, üçlü döngülü ve çok döngülü ORC'nin tek bir ORC'den daha iyi performans gösterdiğini göstermiştir .Ayrıca, literatür taramasına göre, üç farklı tipteki çift kademe döngüsü, tek bir döngüye kıyasla ORC'nin performansını önemli ölçüde artırabilir. Ancak, bildiğimiz kadarıyla, ORC-ORC kombine güç sistemi literatürde çalışılmış olmasına rağmen üç kademeli çok az çalışma yapıldığı görülmektedir. Bu nedenle, 3 kademeli ORC'nin birleşik güç çevrimini kullanan karşılaştırmalı termodinamik enerji ve ekserji analiz sonuçları literatüre önemli katkı sağlayacaktır.
Bu çalışmanın amacı, çok kademeli ORC için uygun konfigürasyonu, çalışma sıvısı kombinasyonlarını ve döngü sayısını seçmektir. Kullanılan yöntem, Multi-Loop ORC'nin (MLORC) çeşitli konfigürasyonlarda termodinamik performansının enerji ve ekserji analizidir. Konfigürasyonlar tek, çift ve üç kademeli konfigürasyonlardır. Ayrıca, en iyi çalışan sıvı kombinasyonunu, döngü sayısını ve Çoklu Döngü ORC için konfigürasyonu aramak için çok amaçlı optimizasyon ve çok öznitelikli karar verme yöntemleri de gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Reducing CO2 emissions to zero is the biggest challenge facing humanity (Nelson & Allwood, 2021). Therefore, technologies for the production of low-grade thermal energy are very important to achieve the goal (Hafner, Jones, & Anger-Kraavi, 2012), which can recycle waste industrial heat and improve the efficiency of fossil fuel use, they can be applied to some low temperature renewable energy sources (Loni, ve diğerleri, 2020). The Organic Rankine cycle (ORC) may have the greatest potential among all low order heat generation technologies (Anastasovski, Raskovski, & Guzovic, 2020). As a result, many researchers have focused on improving the thermodynamic and economic performance of ORC over the past decade.
One of the most effective ways to improve ORC's performance is to increase the ORC's cycle count. Double-loop ORC (DLORC) has shown great potential in thermodynamic and economic performance. In addition, DLORC has a low carbon footprint and high CO2 emission reduction. Ouyang et al. (Ouyang, et al., 2019). Boyaghchi and Chavoshi studied the environmental impact rates of DLORC driven by solar energy. The analysis results revealed that DLORC's lowest environmental impact rates occurred in April. A thermodynamic analysis was performed on DLORC (Sciubba, Tocci, & Toro, 2016). Analysis results showed that using two base ORCs for a single source can significantly improve thermal efficiency and heat source utilization rate. Sciubba et al. also performed the fluid selection for DLORC. The results showed that R245fa has a better thermodynamic performance compared to R600. Xia et al. performed the working fluid selection for series-parallel DLORC using multi-objective optimization. The targets for optimization are the payback period, annual emission reduction, exergy efficiency. Study selection results showed that cyclohexane/butane was the most suitable working fluid among the 18 candidate working fluid pairs for the series-parallel configuration.
The concept of a triple loop was proposed to achieve better performance. In the article, two types of triple loops are reported, one in series and the other in parallel. The results obtained in the referenced studies showed that both types can improve the performance of the system. Dwinanto analyzed the thermodynamic performance of the triple cycle. Research showed that triple loops have a higher energy use. Zhang et al. proposed an innovative multi-loop ORC. Parametric analysis showed that Multi-Loop ORC (MLORC) can significantly improve system performance.
In a study, thermal economic optimization and analysis of the ORC-ORC combined power system were also studied. (Braimakis & Karellas, 2018) optimized the use of ORC-ORC for waste heat recovery. Select the upper and lower circulation evaporator pressure, the minimum temperature difference of the upper circulation evaporator, the condenser temperature as optimized variables. The researchers aim to explore the potential to increase the exergy efficiency of the ORC-ORC combined power system compared to a single-stage ORC and maximize the net power output at a heat source temperature of 100 to 300 °C. Comparing the results obtained with ORC-ORC with single-stage cycles, they concluded that the power output and exergy efficiency of ORC-ORC can be increased with different heat source temperatures, compared with single-stage cycles for these operating temperatures.
Literature reviews have shown that double-cycle, triple-cycle and multi-cycle ORC outperform a single ORC for recovery of a single waste heat source. Moreover, according to the literature review, three different types of double-stage cycles are compared to a single cycle. It can significantly improve the performance of ORC. However, as far as we know, although the ORC-ORC combined power system has been studied in the literature, very few studies have been done with three stages. Therefore, comparative thermodynamic energy and exergy analysis results using the combined power cycle of 3-stage ORC will make a significant contribution to the literature.
The aim of this study is to select the appropriate configuration, working fluid combinations and number of cycles for multistage ORC. The method used is energy and exergy analysis of the thermodynamic performance of Multi-Loop ORC (MLORC) in various configurations. Configurations are single, double and triple cascade configurations. In addition, multi-objective optimization and multi-attribute decision making methods are performed to search for the best working fluid combination, the number of cycles, and configuration for Multi-Loop ORC.