Akdeniz kıyısında kurulacak bir nükleer desalinasyon kojenerasyon tesisinin termodinamik analizi
Thermodynamic analysis of a nuclear desalination cogeneration plant to be built on the Mediterranean coast
Yazar: ERDEM AKYÜREK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TAYFUN TANBAY
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
Dünyadaki nüfus artışı, tarımsal ve endüstriyel faaliyetlerin yoğunlaşması temiz suya olan talebi artırırken su kirliliği ve su kaynaklarının kısıtlı olması veya eşitsiz dağılımı, kişi başına düşen su arzını azaltmaktadır. Dünyadaki suyun %97,5'inin doğrudan kullanılabilir olmaması ve su kıtlığı riskinin gitgide artması ile temiz ve güvenilir suya erişim, önemli hale geldiğinden su kıtlığı çeken bölgelerde temiz su ihtiyacını karşılayabilmek için desalinasyon tesisleri, yararlanabilecek etkili yöntemlerden biri olmuştur. Bir enerji kaynağıyla faaliyet gösterebilen desalinasyon sistemleri, bu enerji ihtiyacını fosil yakıtlar veya yenilenebilir enerji kaynakları gibi çeşitli yollardan sağlayabildiği gibi son yıllarda nükleer enerjinin kullanımıyla da elde edebilmektedir. Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı tarafından yapılan çalışmalar neticesinde teknik olarak uygulanabilir olduğu görülen nükleer desalinasyon kojenerasyon tesislerinde bir nükleer reaktörden elde edilen fisyon enerjisi, termal enerjiye dönüştürülmektedir. Bu ısıl enerjinin bir kısmı veya tamamı, bir nükleer güç santraline entegre desalinasyon sisteminde deniz suyunun tuzdan arındırılması için kullanılabilmektedir.
Bu çalışmada Akdeniz kıyısında kurulacak bir nükleer desalinasyon kojenerasyon tesisinin termodinamik analizi gerçekleştirilmiştir. İncelenmiş olan nükleer desalinasyon kojenerasyon tesisinde enerji kaynağı, bir Basınçlı Su Reaktörü (BSR) iken desalinasyon prosesi ise Çok Kademeli Şok Damıtma (ÇKŞD) işlemidir. Nükleer desalinasyon kojenerasyon tesisinin tüm bileşenlerine kütle, enerji korunumu ve ekserji denge denklemleri uygulanıp tesisin termodinamik modellemesi, MATHEMATICA 11 yazılımından faydalanılarak oluşturulmuştur. Amaç fonksiyonları olarak tesisin termal verimi, ekserji verimi, ısıl yararlanma oranı, ekolojik performans katsayısı, ekserji yıkım faktörü ve atık ekserji oranı değerlendirilmiştir. Nükleer reaktörün termal enerjisi, ara ısıtıcı kütlesel debi oranı, taze buhar sıcaklığı, desalinasyon için buhar çekme noktaları, ölü hal sıcaklığı, deniz suyu tuzluluğu, kısılma vanası kütlesel debi oranı, damıtılmış su kütlesel debisi, besi deniz suyu kütlesel debisi ve sıcaklığı gibi tasarım parametrelerinin bu amaç fonksiyonları üzerine etkileri incelenmiştir. Analiz sonucunda taze buhar sıcaklığının 18 K artışı ile tesisin termal verimi, ekserji verimi, ısıl yararlanma oranı ve ekolojik performans katsayısı sırasıyla yaklaşık %1,6, %3,2, %1,6 ve 0,23 oranında artarken ekserji yıkım faktörü ve atık ekserji oranı, sırasıyla yaklaşık %3,1 ve %3,2 oranında azalmaktadır. Ara ısıtıcı kütlesel debi oranının 0,02 artışı ile termal verim, ekserji verim, ısıl yararlanma oranı ve ekolojik performans katsayısı, sırasıyla yaklaşık %2, %2, %3,9 ve 0,28 oranında artarken ekserji yıkım faktörü ve atık ekserji oranı, yaklaşık %3,9 oranında azalmaktadır. Ölü hal sıcaklığının 10 K'lik yükselmesi, ekserji verimini yaklaşık %1,4 oranında arttırırken besi deniz suyu kütlesel debisi artışı, verimliliği olumsuz etkilemektedir.

Abstract:
While population growth, intensification of agricultural and industrial activities in the World increase the demand for fresh water, pollution and limited or unequal distribution of water resources reduce the per capita water supply. Since 97.5% of water on Earth is not directly usable and the water scarcity risk is gradually increasing, access to clean and safe water has become important, and desalination plants have been one of the effective methods that can be used to meet the need for fresh water in regions suffering from water scarcity. Desalination systems, which can operate with an energy source, can provide this energy requirement in various ways such as fossil fuels or renewable energy sources, as well as by the use of nuclear energy in recent years. The fission energy obtained from a nuclear reactor is converted into thermal energy in nuclear desalination cogeneration plants, which was found to be technically feasible as a result of studies carried out by the International Atomic Energy Agency. Some or all of this thermal energy is used for seawater desalination in a desalination system integrated to a nuclear power plant.
In this study, thermodynamic analysis of a nuclear desalination cogeneration plant to be built on the Mediterranean coast is carried out. In the nuclear desalination cogeneration plant studied, the energy source is a Pressurized Water Reactor, while desalination process is Multi Stage Flash Distillation. The mass and energy conservation and exergy balance equations are applied to all components of the nuclear desalination cogeneration plant, and the thermodynamic modeling of the plant is built using the MATHEMATICA 11 software. The thermal efficiency, exergy efficiency, thermal utilization factor, ecological performance coefficient, exergy destruction factor and waste exergy ratio of the facility are considered as the objective functions. The impacts of design parameters such as thermal energy of nuclear reactor, reheater mass flow rate fraction, live steam temperature, steam extraction nodes for desalination, dead state temperature, salinity of seawater, throttling valve mass flow rate fraction, product water mass flow rate, feed seawater mass flow rate and temperature on these objective functions are investigated. As a result of the analysis, with an increase of 18 K in the live steam temperature, thermal efficiency, exergy efficiency, thermal utilization factor and ecological performance coefficient of the plant increase by approximately 1.6%, 3.2%, 1.6% and 0.23, respectively, while exergy destruction factor and waste exergy ratio decrease by approximately 3.1% and 3.2%, respectively. With an increase of 0.02 in the reheater mass flow rate fraction, thermal efficiency, exergy efficiency, thermal utilization factor and ecological performance coefficient increase by about 2%, 2%, 3.9% and 0.28, respectively, while exergy destruction factor and waste exergy ratio decrease by about 3.9%. A 10 K increase in the dead state temperature increases the exergy efficiency by about 1.4%, while the increase in the feed seawater mass flow rate negatively affects the efficiency.