Gemiler için kinematik bir stirling motorunun hareket mekanizmalarının incelenmesi
An investigation on driving mechanisms of the kinematic stirling engine for ships
Yazar: SERDAR METE
Danışman: PROF. DR. SELMA ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Günümüz dünyasının enerjiye olan ihtiyacı gün geçtikçe artmakta ve fosil yakıt kullanımı bu duruma paralel olarak artış göstermektedir. Fosil yakıt kullanımının artışı ile dünyamızın karbon döngüsü de gün geçtikçe bozulmakta ve iklimlerin değişimi artık hissedilir derecede olmaktadır. Dünya ticaretinin büyük bir bölümü deniz taşımacılığı ile gerçekleştirilmekte ve denizcilik sektörü karbon emisyonunu artırmaktadır. Bu yüzden enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı denizcilik camiası için artık önemli bir durum haline gelmiştir. Denizciliğin karar mercisi olan Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) bu durumun farkındalığını tavsiye niteliğindeki kararlar ile vermekte iken şimdi ise bu kararları zorunlu hale getirmiştir. 
Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) küresel ısınma tehditine karşı gemilerin enerji verimliliğinin artırılmasını ve gemi kaynaklı emisyon limitlerinin kademeli olarak azaltılmasını zorunlu hale getirmiştir. IMO ilk olarak emisyon kontrol bölgeleri (ECAs) başta olmak üzere NOx ve SOx değerlerini azaltmayı planlamıştır. Karbondioksit emisyonunun da 2008 seviyesine göre % 40'lık bir azalmayı 2030 yılına kadar ve % 70'lik bir azalmayı da 2050 yılına kadar gerçekleştirmeyi hedeflemiştir. Bu hedefler doğrultusunda IMO, Enerji Verimliliği Tasarım İndeksi (EEDI), Mevcut Gemi Enerji Verimliliği İndeksi (EEXI), Enerji Verimliliği Operasyon İndeksi (EEOI) ve Karbon Yoğunluğu İndikatörü (CII) parametrelerini geliştirmektedir. Mevcut gemiler için enerji verimliliği hesapları yapılarak (EEDI) değerleri ile karşılaştırılacaktır. 5000 GT'un üzerindeki tüm kargo ve yolcu gemileri için de karbon yoğunluğu (CII) hesaplanacaktır. Bu hesap her deniz mili boyunca taşınan bir ton yük başına atmosfere kaç gr CO2 salındığını gösterecektir ve gemiler A'dan E'ye kadar dercelendirilecektir. Bu kurallar MARPOL (International Convention for the Prevention of Pollution from Ships) Annex VI (Prevention of Air Pollution from Ships) da düzenlenmiştir. Gemilerdeki enerji verimliliğinin artırılmasına yönelik yapılan çalışmalarda 400 GT'dan büyük tüm gemiler için Gemi Enerji Verimliliği Yönetim Planı (Ship Energy Efficiency Management Plan SEEMP) hazırlanması isteği yürürlüğe girmiştir.
Yenilenebilir enerji kaynakları dıştan yanmalı makineler için büyük bir potansiyel taşımaktadır. Bu kaynakların yanında atık ısı kaynakları ayrı bir enerji kaynağı potansiyelini oluştırmaktadır. Gemiler, santraller, sanayi tipi ocaklar ve içten yanmalı makineler genel olarak fosil yakıt kullanmaktadır. Fosil yakıt kullanılarak güce veya işe dönüştürlen enerjinin yanında işe veya güce dönüştürülemeyen enerji ise toplam enerjinin yaklaşık %50'si kadardır. Böylelikle atık ısı kaynakları dıştan yanmalı makineler için büyük bir potansiyel oluşturmaktadır. Aynı zamanda atık ısı kaynaklarının kullanımı gemilerdeki ve diğer sanayi kollarındaki enerji verimliliğini artıracak ve küresel ısınmanın azaltılmasına da katkıda bulunacaktır.
Gemilerdeki enerji kaybının en önemli kısmı ana tahrik sisteminin güç kaynağı olan ana makineden gelmektedir. Yanma olayı sırasında açığa çıkan enerjinin yaklaşık %3'ü yağlama yağına %5'lik kısmı soğutma suyuna iletilmektedir. Yaklaşık %16'lık kısmı Skavenç bölümünde, yaklaşık %1'lik kısmı da ışınım ile kaybolmaktadır. Yaklaşık %25 lik kısmı ise egzoz gazıyla dışarı atılmaktadır. Bu yüzden düşük kalite atık ısıyı geri kazanmak ve gemilerin enerji verimliliğini artırmak, artık önemli hale gelmiştir. 
Isıl enerjiyi faydalı enerjiye (iş) dönüştürmek için farklı termodinamik çevrimler bulunmaktadır. Brayton çevrimi gaz türbinlerinde kullanılır. İçten yanmalı motorlar Otto ve Diesel çevrimler kullanmaktadır. Buhar türbinlerinde Rankine ve Organik Rankine çevrimleri kullanılmaktadır. Dıştan yanmalı motorlarda Ericsson ve Stirling çevrimleri kullanılmaktadır. Bu düşük dereceli atık ısıyı geri kazanıp elektriğe dönüştürmek için daha uygun olan iki çevrim vardır. Bunlar Organik Rankine çevrimi ve Stirling çevrimidir. 
Klasik Rankine çevrimi, buhar çevrimi olarak da bilinir. Organik Rankine çevrimi de iş akışkanı olarak organik sıvıları kullanır. ORC türbinleri düşük sıcaklıklarda ve basınçta çalışmaktadır. ORC türbini ile düşük kritik sıcaklık ve basınç, düşük viskozite, düşük özgül hacim, düşük yüzey gerilimi ve yüksek termal iletkenlik gibi termodinamik özelliklere sahip organik kimyasallara dayalı bir enerji üretimi yapılabilir. İş akışkanı seçimi çok önemlidir çünkü çevrimin yüksek verime ulaşması buna bağlıdır. Bu sistem atık ısı geri kazanımı için uygundur ve sistem verimi elektrik üretiminde yaklaşık %15, ısıtma sistemlerindeki verim ise %60-%70 civarındadır.
Stirling çevriminin verimi, ideal Carnot çevriminin verimliliğine yakındır. Stirling çevrimi kapalı bir çevrimdir ve harici bir ısı kaynağından gelen enerjiyi kullanır. Stirling çevrimi ile çalıştırılan makineler, sıcak hava motorları olarak bilinir ve iki pistona sahiptir. Bunlardan biri yer değiştirme pistonu, diğeri ise güç pistonu olarak bilinmektedir. Bu iki piston, iş akuşkanını kaynaktan kuyuya taşıyarak sistemin güç üretmesini sağlar. Bu iki bölgenin termal farkı artarsa, sistemden elde edilecek güç de artar. Stirling motorları 1 W ila 1 MW güç aralığında geliştirilmiştir. Stirling motoru, alfa, beta, gama ve serbest pistonlu olmak üzere dört farklı silindir bağlantısı vardır. Alfa, beta ve gama konfigürasyonuna kinematik model denir. Kinematik modeller 1,1 kW ila 500 kW arasında elektrik gücü üretebilir, ancak serbest pistonlu modeller 1 kW ila 25 kW elektrik gücü üretebilir. Stirling motoru, güneş ve jeotermal enerji gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını, başka bir ısı kaynağını ve atık ısıyı kullanabilen dıştan yanmalı bir motordur. Stirling motoru, gemilerin, enerji santrallerinin, endüstriyel fırınların ve içten yanmalı motorların işletme maliyetlerini azaltabilecek bir sistemdir. Stirling motorlarının elektrik verimliliği yaklaşık %30 ve genel olarak ısıl verimi %80-%90 civarındadır. Stirling motoru yukarıdaki problemler için uygun bir çözüm olabilir.
Gemiler, ihtiyacı olan enerjiyi üretmek üzere Stirling motorunun kullanımı açısından önemli bir uygulama alanı sunmaktadır. Bu enerjiyi yukarıda açıklandığı üzere verimli kullanma zorunluluğu getirilmiştir. Bu durum kullanılan enerji kaynağından alınacak verimin artırılmasını öngörmektedir. Verimin artırılabilmesi için hem termal hem de mekanik verimin artırılması gerekliliği ortadadır. Bu yüzden Stirling motorunda kullanılmak üzere mekanik verimi artırmak için yeni bir hareket mekanizması tasarlanmıştır. Dönme hareketini krank veya başka bir düzenlemeye ihtiyaç duymadan yapabilen bir mekanizma tasarlanmıştır. Piston üzerine sinüzoidal bir kanal açılarak, piston yukarı aşağı doğru hareket ettiğinde kanal geometrisi sebebiyle dönme eyleminin gerçekleşmesi sağlanmıştır. Piston üzerine açılan kanalın geometrik incelemesi yapılmıştır. 
Yeni hareket mekanizmasının davranışlarının araştırılması için deneysel bir modeli yapılmıştır. Model, bir tahrik ünitesine bağlanarak 130, 188, 262 ve 377 devir/dakikalık dönme hızları uygulanmıştır. Farklı dönme hızlarındaki tork değerleri tespit edilmiş ve piston üzerine gelecek olan kuvvetler hesplanmıştır. Farklı dönme hızlarında (devir) deney modelinden elde edilen tork değerleri kullanılarak MSC Adams programı ile dinamik modelleme yapılmıştır. Deney modelinden elde edilen tork değerlerinin dinamik modelden elde edilen tork değerleriyle örtüştüğü görülmüştür. Sonra yeni hareket mekanizmasının pistonu, döndürme mili gibi parçaları ile aynı kütlelere sahip bir krank-piston hareket mekanizmasının dinamik modeli oluşturulmuştur. Her iki mekanizma için tasarlanan parçaların birbirleri ile olan uyumlarına dikkat edilerek krank piston hareket mekanizması için de aynı devirlerde tork değerleri elde edilmiştir. Her iki hareket mekanizması için elde edilen tork değerleri grafik haline getirilerek birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Yeni hareket mekanizmasının krank-piston hareket mekanizmasına göre ortalama 3,49 kat daha fazla tork ürettiği gösterilmiştir.  
Yeni hareket mekanizması farklı iş akışkanları ile çalıştırıldığında elde edilecek torkun, ısıl verimin ve gücün nasıl değiştiği de bu çalışmada araştırılmıştır. Bu araştırmanın yapılması için PSVL ısıl modeli kullanılmıştır. Isıl model hesaplarında kullanılmak üzere hacim değerleri ve şarj basıncı General Motors'un geliştirdiği ve NASA'nın Lewis Araştırma Merkezinde doğrulama için bilgisayar simülasyonunu yaptığı GPU-3 motoruyla aynı seçilmiştir. PSVL ısıl modelin bu çalışma içindeki doğrulaması yapıldıktan sonra yeni hareket mekanizmasında kullanılan devirlere sadık kalınarak helyum, hidrojen, azot ve hava için ısıl verim, tork ve güç değerleri incelenmiştir. Yeni haraket mekanizması için hem ısıl modelden elde edilecek güç değeri hem de MSC Adams modelinden elde edilen güç değeri aynı tablo içerisinde karşılaştırılmıştır. Her akışkan için farklı devirdeki ve farklı basınçtaki tork, güç ve ısıl verimler incelenmiştir. Farklı basınçlarda 377 devir/dakikada en yüksek güç değeri elde edilmiştir. Azot ve havadan elde edilecek güç değerleri farklı basınçlarda helyum ve hidrojene göre daha düşüktür, fakat ısıl verimleri ise yüksektir. 
Sonuç olarak, günümüzde denizcilik alanında Stirling motoruna olan ilgi artmakta, özellikle denizaltı uygulamaları öne çıkmaktadır. Bu çalışmada atık ısıdan da faydalanılarak kullanım alanının artırılabileceğine dikkat çekilmekte ve kullanımının daha da yaygınlaştırılması gerektiği değerlendirilmektedir. Çünkü Stirling motoru kullanan sistemlerle, içten yanmalı makinelerin atık ısısından yararlanılarak enerji geri kazanımı sağlanabilecektir. Deniz taşımacılığı kaynaklı hava kirliliğinin azaltılması, gemilerin enerji verimliliğinin artırılması, gemi sahipleri ve denizcilik şirketleri için uyulması gereken önemli bir kural olmuştur. Bu tür sistemlerden faydalanarak uluslararası düzenlemelere uyulmanın sağlanması ve yakıt tasarrufuyla da denizcilik ekonomisine katkıda bulunulması hedefleri için Stirling motoru önemli bir çıkış noktası olacaktır.

Abstract:
In modern-day world's energy-driven consumption of fossil fuels increases the amount of carbon emissions, disrupts the world's carbon cycle and leads to the global warming and climate change. Most of the world's trade is carried out by global shipping and it is assisted in increasing the carbon emission. This situation will increase the world's temperature and global warming so, climate has been changing. Therefore, energy efficiency and renewable energy sources are crucial issues for the shipping society. The decision-maker of the shipping society is called  (IMO) International Maritime Organization.
The International Maritime Organization initially planned to reduce NOx and SOx values, especially in emission control zones (ECAs). It reduces carbon dioxide emissions by 40% by 2030 and by 70% by 2050 compared to 2008 levels. In line with these goals, IMO is developing the Energy Efficiency Design Index (EEDI), Existing Ship Energy Efficiency Index (EEXI), Energy Efficiency Operations Index (EEOI) and Carbon Intensity Indicator (CII) parameters. For existing ships, energy efficiency calculations will be made and compared with (EEDI) values. Carbon intensity (CII) will also be calculated for all cargo and passenger ships above 5000 GT. This calculation will show how many grams of CO2 are released into the atmosphere per ton of cargo transported over each nautical mile. Then ships will be rated from A to E. These rules are regulated in MARPOL (International Convention for the Prevention of Pollution from Ships) Annex VI (Prevention of Air Pollution from Ships). In the studies conducted to increase the energy efficiency of ships, a request to prepare a Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) for all ships larger than 400 GT has entered into force.
Renewable energy sources are sustainable energy source and great potential for external combustion engines. Also, waste heat is the other sustainable energy source. Ships, power plants, industrial ovens and internal combustion engines generally use fossil fuels. In addition to the energy that is converted to power or work using fossil fuels, the energy that cannot be converted to work or power is approximately 50% of the total energy. Thus, waste heat sources create a great potential for external combustion engines. Simultaneously, the usage of waste heat sources will increase the energy efficiency of ships and other industries and contribute to the reduction of global warming.
The most important part of the energy loss in ships comes from the main engine, which is the power source of the main propulsion system. About 3% of the energy released during the combustion event is transferred to the lubricating oil and 5% to the cooling water. About 16% of it is lost in the Scavench part, and about 1% of the energy goes to the heat radiation during the combustion process. About 25% of it is thrown out with the exhaust gas. Therefore, recovering this low-grade waste heat of the source is critical to increase the ship energy efficiency. 
Several thermodynamic cycles are used to convert the heat energy to the useful energy (work). The Brayton cycle is used in gas turbines. Otto and Diesel cycles are used as internal combustion engines. Rankine and Organic Rankine cycles are used for the steam turbines. Ericsson and Stirling cycles are used for external combustion engines. However, there are two cycles that are more convenient for taking this low-grade waste heat and converting it to the electricity. These are Organic Rankine cycle and Stirling cycle.  
The classic Rankine cycle is also known as the steam cycle and Organic Rankine cycle uses organic fluids in closed systems. The ORC turbine is a power generation technology, which is based on organic chemicals with performable thermodynamic properties such as low critical temperature and pressure, low viscosity, small specific volume, low surface tension and high thermal conductivity. The working fluid selection is crucial because, highest efficiency of the cycle depends on it. ORC turbines operate at lower temperatures and pressure. This is suitable for waste heat recovery and the system efficiency is about 15% in electricity and 60%-70% in heat.
The efficiency of the Stirling cycle is close to the efficiency of the ideal Carnot cycle. The Stirling cycle is a closed cycle and uses energy from an external heat source. Machines driven by the Stirling cycle are known as hot air engines and have two pistons. One of them is known as the displacement piston and the other is known as the power piston. These two pistons transport the work fluid from the source to the sink, enabling the system to generate power. If the thermal difference of these two regions increases, the power to be obtained from the system also increases. Stirling engines have been developed in the power range from 1 W to 1 MW. The Stirling engine has four different cylinder coupling: alpha, beta, gamma and free piston. The alpha, beta and gamma configuration is called the kinematic model. Kinematic models can produce between 1.1 kW and 500 kW of electrical power, while free-piston models can produce 1 kW to 25 kW of electrical power. A Stirling engine is an external combustion engine that can use renewable energy sources such as solar and geothermal energy, another heat source and waste heat. The Stirling engine is a system that can reduce the operating costs of ships, power plants, industrial furnaces and internal combustion engines. The Stirling engines electrical efficiency can be about 30% and over all efficiency will be able to 80%-90%. The Stirling engine can be a proper solution for the above problems.
The Stirling engines have five volumes which, are called Compression Space, Cooler, Regenerator, Heater and Expansion Space. The working fluid expands in the expansion space and goes through the heater, then, respectively, pass through the regenerator, cooler and compression space. In the compression space, working fluid energy is transformed into the power. The volume of these sections is important, for the engine efficiency. Therefore, for the calculations, engine compression and expansion space volume values and swept volumes are chosen same with GPU-3 Stirling engine, which was built by the General Motors Research Laboratories. It is produced 4.3 kW power by the 977oK heat addition. The GPU-3 Stirling engine has chosen by several researchers to develop mathematical models for this engine. Choosing GPU-3 volumes for the calculations, makes it easy to compare the efficiency and power for the new drive mechanism. The power efficiency of the engines are not only depending on the cycle efficiency, but also on mechanical efficiency. Therefore, new drive mechanism has been developed for the Stirling engine. 
The new rotating drive mechanism, which can convert the translational motion of the piston, directly to the rotational motion. The piston is connected to the cylinder with two guide pins, which do not rotate. The guide pins control the rotation of the piston by the sinusoidal channel, which is on the surface of the piston. The piston transmits the force to the shaft by the piston pin. The piston pin rotates the shaft. Furthermore, the piston pin moves up and down in the hole on the shaft, so this hole also provides linear motion of the piston. The translational motion of the piston is transformed into a rotating motion with various drive mechanisms with a crank shaft. However, the new rotating drive mechanism provides simultaneous linear and rotating motions without a crank shaft.
Ships are introducing an important application area for using the Stirling engine to produce the energy they need. As explained above, it is obligatory to use this energy efficiently. This situation expects increasing the efficiency to be obtained from the energy source used. It is obvious that both thermal and mechanical efficiencies should be increased to increase the total efficiency. Therefore, a new motion mechanism has been designed to increase the mechanical efficiency for use in the Stirling engine. A mechanism has been designed that can perform the rotational movement without the need for a crank or any other arrangement. By opening a sinusoidal channel on the piston, when the piston moves up and down, the rotational motion is ensured due to the channel geometry. A geometric analysis was performed of the channel which is opened on the piston in this study.
An experimental model was developed to investigate the behavior of the new rotating drive mechanism. A model is driven by a vertical milling machine with 130, 188, 262, and 377 rpm rotation speeds. Torque values at different rotational speeds were determined and the forces on the piston were calculated. Multi-dynamic modeling was done with MSC Adams program by using the torque values obtained from the experimental model at different rotational speeds. It has been observed that the torque values obtained from the experimental model verify the torque values obtained from the dynamic model. Then, a dynamic model of a crank-piston mechanism with the same masses as the piston and rotation shaft of the new rotating drive mechanism was created. The compatibility of the parts designed for both mechanisms with each other is curicial, torque values were obtained for the crank-piston drive mechanism at the same revolutions. The torque values obtained for both motion mechanisms were graphed and compared with each other. It has been explained that the new driving mechanism produces an average of 3.49 times more torque than the crank-piston drive mechanism.
The Stirling engine drives with new drive mechanisms torque, thermal efficiency and power values are investigated which was operated with different working fluids. PSVL thermal model was used for this research. The volume values and charge pressure to be used in the thermal model calculations were chosen the same as the GPU-3 engine developed by General Motors and computer simulation for verification at NASA's Lewis Research Center. After the validation of the PSVL thermal model in this study, the thermal efficiency, torque and power values for helium, hydrogen, nitrogen and air were investigated for the cycles used in the new drive mechanism. For the new drive mechanism, both the power value obtained from the thermal model and the power value obtained from the MSC Adams model are compared in the same table. The torque, power and thermal efficiencies at different speeds and pressures were investigated for each fluid. The highest power value was obtained at 377 rpm at different pressures. Although, the power values obtained from nitrogen and air are lower than those for helium and hydrogen for different pressures, their thermal efficiency is higher than helium and hydrogen.
In conclusion, the interest of the Stirling engine has increased in the maritime field and especially in submarine applications. In this study, it is pointed out that the usage area of the Stirling engine must be increased by the waste heat recovery in maritime transportation. Reducing air pollution caused by maritime transport and increasing the energy efficiency of ships are being international regulations to be followed by ship owners and maritime companies. The Stirling engine is promising for ships in increasing energy efficiency, reducing air pollution by maritime transportation and contributing to the maritime economy with fuel savings.