Organik rankine çevrimi için kullanıcı arayüzüne sahip eğitici bir programın açık kaynak kodlu olarak geliştirilmesi
Development of an educational program with a user interface for organic rankine cycle in open source code
Yazar: MEHMET BERK AZDURAL
Danışman: PROF. DR. ALİ KAHRAMAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SADIK ATA
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Atık ısı = Waste heat ; Açık kaynaklı yazılım = Open source software ; Organik rankine çevrim sistemleri = Organic rankine cycle systems ; Çok kriterli optimizasyon = Multi criteria optimization

Özet:
Bu çalışmada kullanıcı grafik arayüzüne sahip, açık kaynak kodlu, herhangi bir platforma bağlı olmayan ve ücretsiz indirilip dağıtılabilen, eğitimsel bir basit Organik Rankine Çevrimi (ORC) hesaplayıcısı Python dili kullanılarak geliştirilmiştir. Çalışmanın diğer bir bölümünde ise açık kaynak kodlu bir kütüphane olan Pymoo optimizasyon kütüphanesi kullanılarak basit ORC sistemi için çok amaçlı proses optimizasyonu çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışma beş ana bölümden oluşmaktadır. 
İlk bölümde, Rankine çevrimi ve ORC kavramları incelenmiştir. İkinci bölümde, literatür çalışmalarında kullanılan ticari ve açık kaynaklı programlardan bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde, kullanılan programlama yöntemleri ve hazır kütüphaneler tanıtılmış ve bunların kullanımına dair örnekler verilmiştir. Dördüncü bölümde ise geliştirilen program kullanılarak bir parametrik çalışma gerçekleştirilmiştir. R245fa, R123 ve R141b akışkanlarının özellikleri 100 oC, 130 oC ve 160 oC ısıl kaynak sıcaklıkları için incelenmiştir. Son bölümde ise pinch noktası sıcaklık farkı, aşırı kızdırma sıcaklığı değişkenleri ve bazı kısıtlar uygulanmış ve NSGA-II algoritması kullanılarak prosesler optimize edilmiştir. Her bir sıcaklık ve akışkan türü için ηII-LCOE ve Wnet-LCOE amaç fonksiyonu çiftleri incelenip LCOE minimize, ηII ve Wnet ise maksimize edilmeye çalışılmıştır. Her bir sıcaklık ve akışkan türü kombinasyonu için 3'er, tüm durumlar için ise toplam 18 pareto eğrisi oluşturulmuştur.  
Bulgulara göre R245fa'nın maksimum güç elde edilmesi noktasında en avantajlı akışkan olduğu görülmüştür. R245fa akışkanı kullanımı ile 160 oC'de 9245,70W, 130 oC'de 5036,80 W, 100 oC'de ise 2283,02 W maksimum güç elde edilmektedir. Geri ödeme ve elde edilen güç unsurlarının dengesinin gözetildiği durumda ise R123 akışkanın ön plana çıktığı görülmüştür. En erken geri ödeme süreleri R123 akışkanı ile 160 oC'de 2,44 yıl, 130 oC'de 3,74 yıl, 100 oC'de ise 8,39 yıl olarak bulunmuştur. En düşük evaporatör basıncı ise R141b akışkanının kullanıldığı durumlarda 160 oC'de 672 kPa, 130 oC'de 456kPa, 100 oC'de ise 304 kPa olarak elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, a simple educational Organic Rankine Cycle (ORC) calculator, which has a user graphical interface, is open source, does not depend on any platform and can be downloaded and distributed free of charge, was developed using the Python language. In another part of the study, a multi-purpose process optimization study was carried out for the simple ORC system using the Pymoo optimization library, which is an open source library. The study consists of five main sections.
In the first part, the concepts of the rankine cycle and ORC are examined. In the second chapter, commercial and open-source programs used in literature studies are mentioned. In the third chapter, the programming methods and ready-made libraries used are introduced, and examples of their use are given. In the fourth chapter, a parametric study was carried out using the developed program. The properties of R245fa, R123, and R141b fluids were examined for thermal source temperatures of 100 oC, 130 oC, and 160 oC. In the last part, pinch point temperature differences, superheat temperature variables, and some constraints were applied, and the processes were optimized using the NSGA-II algorithm. For each temperature and fluid type, ηII-LCOE and Wnet-LCOE objective function pairs were examined, and LCOE was tried to be minimized, while ηII and Wnet were tried to be maximized. Three Pareto curves were created for each temperature and fluid type combination, and a total of 18 Pareto curves were created for all cases.
According to the findings, R245fa was found to be the most advantageous fluid in terms of obtaining maximum power. By using R245fa fluid, maximum power of 9245.70 W at 160 oC, 5036.80 W at 130 oC, and 2283.02 W at 100 oC is achieved. It has been observed that R123 fluid comes to the fore when the balance of payback and power obtained are taken into consideration. The earliest payback periods were found to be 2.44 years at 160 oC, 3.74 years at 130 oC, and 8.39 years at 100 oC with R123 fluid. The lowest evaporator pressure was obtained at 672 kPa at 160 oC, 456 kPa at 130 oC, and 304 kPa at 100 oC when R141b fluid was used.