CO2 akışkanlı transkritik bir güç çevriminin termodinamik analizi
Thermodynamic analysis of a transcritical power cycle using CO2
Yazar: VOLKAN CEYLAN
Danışman: PROF. DR. ARİF EMRE ÖZGÜR
Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji = Exergy ; Enerji = Energy ; Soğutma sistemleri = Cooling systems ; Süperkritik akışkanlar = Supercritical fluids ; Termodinamik çevrim = Thermodynamic cycle ; Türbin = Turbine

Özet:
Enerji talebinin her geçen gün artmakta olduğu dünyamızda bu ihtiyaçları karşılamak için teknolojiyi geliştirme çabaları da devam etmektedir. Bu teknolojik gelişimlerin neticesinde güç üreten tesislerin önemli elemanlarından birisi olan ultrasüperkritik buhar türbinleri belirli parametrelere kadar ticari olarak üretilmektedir. Türbin giriş sıcaklık ve basınçlarının yükselmesi, termodinamik ilkeler gereği, daha yüksek güç üretim verimi anlamına gelmektedir. Daha yüksek verim de termik santrallerde, daha düşük emisyonların elde edilmesini sağlamaktadır. Türbin veriminin arttırılması için yüksek sıcaklık ve basınçlara ulaşıldığında, buharı türbini ve kanatçıklarında kullanılan çelik malzemelerin mukavemetinde görülen ani azalmadan dolayı akma ve deforme olmaktadır. Türbin malzemeleri değiştirip dayanıklı malzemeler kullanılmak istenildiğinde türbin ebatları ve maliyetleri artmaktadır. Bu sebeple aynı türbin giriş şartlarında, su buharına kıyasla daha yüksek yoğunluğa sahip olan bir çevrim akışkanına ihtiyaç vardır. Tüm faktörler kıyaslandığında en makul çözümün çevrim akışkanı olarak karbondioksit (CO2) tercih edilmesidir. Böylelikle türbin ebatları küçülmekle kalmayıp maliyet azalacak ve verim artacaktır.

Bu çalışmada, CO2 akışkanlı ultrasüperkritik bir Rankine güç çevriminin termodinamik analizi gerçekleştirilmiştir. Çevrimin analizi Engineering Equation Solver (EES) adlı bilgisayar programı ortamında hesaplanmıştır. Farklı çevrim parametreleri için çevrimin verimliliği, parametrik analizler yardımıyla belirlenmiştir. Maksimum türbin giriş basınç ve sıcaklıkta çevrimin enerji verimi % 45.63, ekserji verimi % 45.64 ve türbin gücü 26424 kW olarak hesaplanmıştır. Güç çevrimlerinde, CO2 türbinlerinin kullanımının sağladığı faydalar değerlendirilmiştir. CO2 türbinlerinin geleceği ve termik santrallerde elde edilebilecek kazanımlar tartışılmıştır.

Abstract:
In our world where energy demand is increasing day by day, efforts to develop technology to meet these needs continue, too. As a result of these technological developments, ultra-supercritical steam turbines, which are one of the important elements of power generating plants, are commercially produced up to certain parameters. By thermodynamic principles, increase in inlet temperature and pressure of turbine means higher power production efficiency. Higher efficiency also provides lower emissions in thermal power plants. When high temperatures and pressures are reached to increase turbine efficiency, due to the sudden reduction in the endurance of the steel materials used in vapor turbine and winglets leakage and deformation occurs. When it is demanded that turbine materials are replaced by durable materials, turbine sizes and costs increase. Therefore, there is a need for a cycle fluid with higher density when compared to the water vapor in the same turbine inlet conditions. When all factors are compared, the most reasonable solution is to prefer CO2 as the cycle fluid. So that the turbine sizes will not only be reduced, but also the cost will decrease and the efficiency will increase.

In this study, thermodynamic analysis of an ultrasupercritical Rankine power cycle with CO2 fluid is performed. The analysis of the cycle was calculated in the computer program environment called Engineering Equation Solver (EES). The efficiency of the cycle for different cycle parameters was determined with the help of parametric analysis. The energy efficiency of the cycle at maximum turbine inlet pressure and temperature was calculated as 45.63%, exergy efficiency 45.64% and turbine power 26424 kW. The benefits of using CO2 turbines in power cycles are evaluated. The future of CO2 turbines and the gains that can be obtained in thermal power plants are discussed.