Enerji üretim sistemlerinin ekolojik performans analizi ve optimizasyonu
Ecological performance analysis and optimization of energy production systems
Yazar: YASİN ÜST
Danışman: PROF. DR. BAHRİ ŞAHİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2005
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
ÖZETSon yıllarda klasik termodinamik ve sonlu zaman termodinamiği teorilerini kullanarak enerjiüretim sistemleri için farklı amaç fonksiyonlarına dayalı olarak birçok optimizasyon çalışmasıyapılmıştır. Bu optimizasyon çalışmalarında güç, ısıl verim, entropi üretimi, güç yoğunluğu,ekserji, termoekonomi ve ekserjoekonomi ve ekoloji gibi kriterler amaç fonksiyonu olarakseçilmiştir. Son yirmi yıllık dönem içerisinde doğal kaynakların hızla azalmasına bağlı olarak,enerji üretim sistemlerinin çevre üzerindeki etkilerinin incelenmesi oldukça önemkazanmıştır. Bazı araştırmacılar bu amaca yönelik olarak farklı enerji üretim sistemlerininekolojik performansını incelemişlerdir. Literatürde yer alan ekolojik amaç fonksiyonunun eksideğerler alabilmesi, boyutlu olması ve fiziksel anlamının açık olmaması nedeniyle bu kriterealternatif olarak boyutsuz ve fiziksel olarak daha anlamlı bir ekolojik performans kriteritanımlanmıştır. Ekolojik Performans Katsayısı (ECOP) adını verdiğimiz bu kriter, güççıktısının kayıp kullanılabilir enerjiye oranı şeklinde tanımlanmıştır.Bu çalışmada, tanımlanmış olan ekolojik performans kriteri farklı enerji üretim sistemlerine(Carnot ısı makinası, gaz türbinleri, içten yanmalı motorlar, soğutma makinaları ve ısıpompaları) uygulanarak optimum performans ve dizayn şartları araştırılmıştır. Bu bağlamdaoptimum şartlardaki entropi üretimi, ısıl verim ve güç çıktısı farklı amaç fonksiyonlarına görebelirlenerek mukayese edilmiştir. Ayrıca kaynak sıcaklıkları oranı, iç tersinmezlik ve ısıkaçağı gibi genel parametreler ile her bir enerji üretim sistemine ait özel parametrelerin genelve optimum ekolojik performans üzerindeki etkileri incelenmiş ve tartışılmıştır. Tanımlanmışolan ekolojik performans kriterinin güç, ısıl verim ve entropi üretimi yönünden en uygunperformansı sağladığı gösterilmiştir. Yapılan performans analizi ve elde edilen optimizasyonsonuçları enerji üretim sistemlerinin termo-ekolojik yönden optimum tasarımı için teorik birtemel oluşturabilir.Anahtar kelimeler: Termo-ekoloji, sonlu zaman termodinamiği, iç tersinir ve tersinmez ısımakinası modelleri, ekolojik amaç fonksiyonu, maksimum ekolojik performans koşulları, ısılverim, entropi üretimi.xii

Abstract:
ABSTRACTIn recent years, many optimization studies based on various objective functions have beencarried out for different energy production systems by using classical and finite-timethermodynamic theories. In these optimization studies, power output, thermal efficiency,entropy generation rate, power density, exergy, thermoeconomic, exergoeconomic andecological criteria are taken as objective functions. During the last two decades, the analysisof the effects of energy production systems on the environment has gained importance due todrastical decrease on natural sources. For this purpose, authors have studied the ecologicalperformance of different energy production systems. Due to the ecological objective functiongiven in the literature can take negative values, is dimensional and its physical definition isnot clear, a dimensionless and physically more definite and clear significant alternativeecological performance criterion has been defined. This criterion has been named afterEcological Coefficient of Performance (ECOP) and defined as the ratio of power output to theloss rate of availability.In this work, the ecological optimization technique defined in the thesis has been applied todifferent energy production systems (Carnot heat engine, gas turbines, internal combustionheat engines, refrigerators and heat pumps) and optimum performans and design conditionshave been investigated. In this context, the optimal entropy generation rate, thermal efficiencyand power output have been determined for different objective functions and the obtainedresults are compared. Furthermore, the effects of general parameters i.e., the ratio of heatreservoir temperatures, internal irreversibility parameter, heat leak parameter and the effectsspecific parameters relating to each energy production systems on the general and optimumecological performances have been examined and discussed. The defined ecologicalperformance criterion has been proven, the most appropriate performance in terms poweroutput, thermal efficiency and entropy generation rate. In this study, the given performanceanalysis and the obtained optimization results can provide a general theoretical basis foroptimum thermo-ecological design of energy production systems.Key words: Thermo-ecology, finite-time thermodynamics, endoreversible and irreversibleheat engine models, ecologic objective function, maximum ecological performanceconditions, thermal efficiency, entropy generation.xiii