Isıl sistemlerin ileri eksergoekonomik performans analizi için ölçütler geliştirilmesi
Developing criteria for advanced exergoeconomic analysis of the thermal systems
Yazar: TURGAY KÖROĞLU
Danışman: PROF. DR. OĞUZ SALİM SÖĞÜT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada ekserji ve ileri ekserji temelli analizler üzerine değerlendirme yapılmış, ileri ekserji temelli analizlerin uygulamaları çeşitli enerji dönüşüm sistemleri için gerçekleştirilmiştir. İleri ekserji ve eksergoekonomi analizlerinin değerlendirmediği durumlar ve cevaplandırmadığı sorular belirlenmiş, eksergoekonomik performans ölçütleriyle bu eksikliklerin giderilmesi için çalışmalar yapılmıştır. Üretilen ölçütler neticesinde, incelenen sistemler içerisindeki komponentlerin mali faydaları gözetilerek, sistemdeki ekserji yıkımı azaltma ve verimi artırma çalışmalarının ve sistemde komponentlerin iyileştirilmesi neticesinde maliyet tasarruf potansiyelleri ve tasarrufları ortaya çıkarılmıştır. Sistem geneli için tasarlanan ölçütlerin ise benzer sistemlerin karşılaştırılmasında, incelenen sistemlerin ekserji verimlerinin artırılması için gerekli olan yatırım ve yapılan yatırım karşılığında elde edilebilecek tasarruf veya zarar miktarları ortaya konmuştur. 
Geleneksel ve ileri ekserji, eksergoekonomi ve eksergoçevre analizleri ile sunulan ölçütler, gemi buhar ve Diesel sevk sistemlerine ve gemi Diesel sevk sisteminden türetilen atık ısı geri kazanımı sistemlerine uygulanarak, ölçütlerin uygulamasının nasıl yapılacağı, sonuçlarının nasıl değerlendirileceği gösterilmiş ve geleneksel ve ileri ekserji temelli analizlere göre sağladığı katkı uygulamalar üzerinden gösterilmiştir. 
Üçüncü bölümde ileri ekserji, eksergoekonomi ve eksergoçevresel analizlerin nasıl uygulanacağı ve sonuçlarının nasıl değerlendirileceği, geleneksel ekserji, eksergoekonomi ve eksergoçevresel analizlere göre sonuçlarının ne gibi üstünlükler sağladığı verilmiştir. Öncelikle, ileri ekserji ve ileri eksergoekonomi analizleri detaylı bir şekilde, pompa, kazan, türbin ve kondenser olmak üzere dört komponentten oluşan basit bir Rankine çevrimine uygulanmıştır. Uygulanan her adımın tek tek gösterildiği bu sistemde, analizlerin sonuçları değerlendirilmiş ve yorumlanmıştır. Daha sonra bir geminin ana makinesinin turboşarjer sonrası egzoz çıkışına eklenen bir turbojeneratör sistemine uygulaması verilmiştir. Egzoz gazının 160 C sıcaklığa kadar düşürülmesi kabulüyle, ardından ana makine yükünün dört farklı değerine ve sistemin dört farklı maksimum basıncına göre turbojeneratör sisteminin kabuller dahilinde üretilebilecek maksimum güç üretimi sağlanmış, öncelikle geleneksel ve ileri ekserji analizleri uygulanarak sonuçları değerlendirilmiştir. Daha sonra, turbojeneratör sisteminin katkısı ile ana makinenin özgül yakıt sarfiyatı ve özgül egzoz gazları miktarlarındaki azalmalar tespit edilmiştir. En iyi performansı sağlayan parametreler analizlerin sonuçları yardımıyla belirlenmiştir. Ardından aynı sistemin tam ana makine yükünde üç farklı basınç için eksergoekonomi ve ileri eksergoekonomi analizleri gerçekleştirilmiş ve sonuçları değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, eksergoekonomi ve ileri eksergoekonomi analizleri sonuçlarının vasıtasıyla en uygun çalışma şartları belirlenmiştir. Son olarak, gemi ana makinesinin tam yoldan başlayarak dört farklı konumda olması durumunda, turbojeneratöründe egzoz gazının kullanılmasının ardından kalan yüksek sıcaklıklı atık ısının aşırı  kızdırılmış ve doymuş buharlı iki organik Rankine çevrimi ve bu iki çevrimde çalışması için seçilen dört farklı akışkanda geleneksel ve ileri ekserji analizi uygulanmış ve analiz sonucunda en iyi performansın, en düşük özgül yakıt tüketimi ve özgül egzoz emisyonlarının gerçekleştiği yük, sistem ve akışkan analiz sonucunda belirlenmiştir. Dolayısıyla, farklı sistemlerin karşılaştırılmasında ileri ekserji analizinin de nasıl uygulanacağı gösterilmiştir. Peşi sıra ileri eksergoekonomi analizi aynı sistemlere bu sefer tam yol yükte, bir akışkan daha eklenerek, geleneksel ve ileri ekserji ve eksergo ekonomi analizleri uygulanmış, incelenen her iki istemde en iyi performans gösteren akışkanlar belirlenmiş ve bu akışkanları içeren sistemler detaylı olarak karşılaştırılmışlardır ve sonuçta belirtilen analizlere göre en iyi sistem ve akışkan ikilisi belirlenmiştir. Ardından geleneksel ve ileri eksergoçevresel analiz daha önce belirlenen en iyi sistem ve akışkan ikililerine uygulanmış ve ekserji temelli analizlerin tamamlanması sağlanmıştır. Tüm analizlerin sonucunda karşılaştırmaya giren sistem ve akışkanların en iyisi belrilenmiştir. 
Dördüncü bölümde, geleneksel ve ileri ekserji temelli analizlerle eksergoekonomik performans ölçütlerinin uygulanacağı sistemler olan, çok büyük ham petrol taşıyıcı gemi için buhar sevk sistemi, Diesel sevk sistemi ve Diesel sistemin atık ısısından faydalanmak üzere, egzoz gazı ve süpürme havasından atık ısı geri kazanan sırasıyla on bir ve on beş farklı akışkanla oluşturulmuş konsept organik Rankine sistemleri tanıtılmış, yapılan çalışmalar derlenmiş, ve sistemlerle alakalı veriler tanımlanmış ve verilmiştir. Ardıl bölümlerde, bahsi geçen sistemlerin analizleri gerçekleştirilmiş sonuçları değerlendirilmiştir.
Beşinci bölümde gemi buhar sevk tesisinin komponentleri üzerine geleneksel ve ileri ekserji temelli analizleri ile eksergoekonomik performans ölçütleriyle analizleri gerçekleştirilmiştir. Uygulama için yapılan kabuller, incelenecek komponentler ve denge denklemleri verilmiş, bunlara uygun olarak analizler yapılmıştır. Geleneksel ve ileri ekserji analizlerin sonuçları değerlendirilmiş ve buradan çıkan yorumlara göre komponentlerin iyileştirme öncelikleri sıralanmıştır. Geliştirilen eksergoekonomik performans ölçütlerinin uygulanması neticesinde çıkan sonuçların nasıl yorumlanacağı, bir mühendisin önceliklerine göre hangi parametrenin önem arz ettiği hakkında bilgiler verilmiş ve bu bilgiler ışığında değerlendirmeler yapılmıştır. 
Altıncı bölümde, çok büyük ham petrol taşıyıcı bir gemiye ait Diesel sevk sisteminin incelenmesi için seçilen kısımları ve komponentleri üzerine dğelerlendirmeler yapılmış, kabuller ve denge denklemleri verilmiş, geleneksel ve ileri ekserji temelli analizlerle birlikte yeni parametrelerle de incelemesi gerçekleştirilmiştir. Gemi buhar sevk sisteminde belirtilen yorumlama yöntemine göre sonuçlar değerlendirilmiş ve komponentlerde ekserji yıkımını iyileştirmek için yapılması gereken yatırımlar üzerine yorumlar yapılmıştır.
Beş ve altıncı bölümlerde incelenen bir sistemin içindeki komponentlerin değerlendirmesi yapılırken, yedinci bölümde geleneksel ve ileri ekserji temelli analizlerle beraber eksergoekonomik performans ölçütlerinin benzer sistemlerin karşılaştırılmasında nasıl kullanılacağı üzerine yoğunlaşılmış ve konsept olarak kurulan organik Rankine sistemleri üzerinde uygulamalar yapılmıştır. Bu bölüm iki parçadan oluşmuştur. Birinci parçada, altıncı bölümde incelenen Diesel sevk tesisinin egzoz gazından atık ısı geri kazanımı konsepti üzerine on bir farklı akışkana sahip on bir sistemin genetik algoritma kullanılarak maksimum net güce optimize edilmesi neticesinde optimum çalışma şartlarına göre genel olarak analizleri gerçekleştirilmiş ve ölçütlerle değerlendirilmesi yapılmıştır. Yapılan analizlerin sonucunda her bir analizin sonuçlarının değerlendirilmek üzere önerdiği sistemler belirlenmiştir. İkinci parçada ise yine altıncı bölümdeki Diesel sevk sisteminin ana makinesi için gerekli olan süpürme havasının kompresörden çıkışında sahip olduğu yüksek sıcaklık ve basınçtaki halinden organik Rankine sistemine enerji geçişi ile atık ısı geri kazanımı sistemi kurulmuştur. On beş farklı akışkan için kurulan on beş farklı sistemin maksimum net güce göre genetik algoritma kullanılarak optimum çalışma şartları belirlenmiş ve belirlenen sistemlerin genel olarak analizleri gerçekleştirilip, ölçütlerle değerlendirmeleri yapılmıştır. Yapılan analizler neticesinde önerilen iş akışkanları ve bunlara bağlı sistemler belirlenmiştir.
Son bölümde ise yapılan çalışmanın değerlendirmesi ile analiz souçlarının yorumlanması yapılmış, ileriye dönük daha ne gibi çalışmaların yapılabileceği sunulmuştur.

Abstract:
In this study, exergy and advanced exergy-based analyzes were evaluated and applications of advanced exergy-based analyses were carried out for various energy conversion systems. The situations that the advanced exergy and exergoeconomic analyses did not assess and the questions that they did not answer were determined and studies were done to overcome these deficiencies with the exergoeconomic performance criteria. As a result of the produced parameters, the cost savings potentials and savings have been revealed according to the exergy destruction reduction and efficiency increase efforts in the system and improving the components in the system by considering the financial benefits of the components in the examined systems. The parameters designed for the overall system are utilized for compoarison of the similar systems. The savings or loss amounts that can be obtained for the investment and the investment made necessary for increasing the exergy efficiency of the examined systems are revealed.
The parameters presented by conventional and advanced exergy, exergoeconomics and exergoenvironmental analysis are applied to ship steam and diesel propulsion systems and waste heat recovery systems derived from ship diesel propulsion system to demonstrate how to apply the parameters and how to evaluate the results and the contribution of conventional and advanced exergy-based analyses has been shown through applications.
In the third chapter, advanced exergy, exergoeconomics and exergoenvironmental analyses are given and how the results are to be evaluated and the advantages of the results according to traditional exergy, exergoeconomics and exergoenvironmental analyses. Firstly, advanced exergy and advanced eugenoeconomics analyses are applied in detail to a simple Rankine cycle consisting of four components: pump, boiler, turbine and condenser. In this system where each step is shown one by one, the results of the analyses are evaluated and interpreted. Then, application of the analyses to a turbo-generator system added the exhaust after turbocharger of the main engine of a ship are peresented. Exhaust gas was accepted to be reduced to 160 ° C, then the maximum power production was achieved with four different load of the main engine and four different maximum pressures of the system, traditional and advanced exergy analyses are applied and the results were evaluated. Then, with the contribution of the turbo-generator system, the specific fuel consumption of the main engine and reductions in the specific exhaust gas contents have been determined. The parameters that provide the best performance are determined with the help of the results of the analyses. Afterwards, the same system was used for three different pressures at full load and exergoeconomics and advanced exergoeconomic analyses were carried out and their results are evaluated. As a result, optimum working conditions have been determined through the results of exergoeconomics and advanced exergoeconomic analysis. Finally, if the ship's main engine is in four different positions starting from the full path, the two high-temperature waste heat after the use of the exhaust gas in the turbocharger is super heated-steamed and saturated-steamed two organic Rankine cycles and four different flows selected for operation in these two cycles and as a result of the analysis, the best performance, lowest specific fuel consumption and the lowest of specific exhaust emissions were determined as a result of system and working fluid analysis. Hence, it has been demonstrated how advanced exergy analysis can be applied in the comparison of different systems. Following, the advanced exergoeconomic analysis is applied to the same systems at the full load of main engine position, a further working fluid was added, conventional and advanced exergy and exergoeconomic analyses were applied, and the best performing fluids were determined in both investigated cases and the systems containing these fluids were compared in detail, the best system and fluid pair was determined according to the analyzes. Then the conventional and advanced exergoenvironmental analyses were applied to the previously determined best system and working fluid pairs and the exergy-based analyses were completed. As a result of all analyses, the best systems and fluids to be compared were identified.
In the fourth chapter, the systems, whom the conventional and advanced exergy based analyses and exergoeconomic performance criteria are applied, are introduced as steam and Diesel propulsion plants for very large crude oil carrier and conceptual organic Rankine cycles which are recovering waste heat of the exhaust gases with eleven different working fluids and recovering waste heat from scavenge air with fifteen different working fluids. Literature surveys of the aforementioned systems are reviewed, systems are described in detail. In the successive sections, the results of the analysis of the mentioned systems are applied and results are evaluated.
In the fifth part, the analysis of the components of the steam-driven propulsion plant was carried out by using conventional and advanced exergy-based analyzes and exergoeconomic performance criteria. The assumptions made for the application, the components to be inspected and the equilibrium equations are given and analyzed accordingly. The results of conventional and advanced exergy analyzes have been evaluated and the priorities for improvement of the components have been ranked according to the comments issued here. In order to interpret the results of applying the developed exergoeconomic performance criteria, information was given about which parameter is important according to the priorities of an engineer, and in light of these information, results were evaluated.
In the sixth chapter, the selected parts and components of the diesel propulsion system of a very large crude oil carrier are evaluated, the assumptions and equilibrium equations are given, and the new parameters are examined with the conventional and advanced exergy based analyzes. The results were evaluated according to the interpretation method specified in the ship's steam drive system and comments were made on the investments that should be made to improve the degradation of the exergy in the components.
In the seventh chapter, the traditional and advanced exergy-based analyzes were used to evaluate the components in the systems examined in the fifth and sixth chapters, and on how to use the exergoeconomic performance criteria in the comparison of similar systems, applications were made on the conceptual organic Rankine systems. This section consists of two parts. In the first part, eleven systems with eleven different working fluids on the concept of waste heat recovery from the exhaust gas of the Diesel propulsion plant examined in the first section were analyzed and evaluated with optimum parameters according to optimum operating conditions on the basis of optimizing maximum net power using genetic algorithm. As a result of the analyzes carried out, the systems proposed by the results of each analysis are determined. In the second part, a waste heat recovery system with energy transition from the state of high temperature and pressure to the organic Rankine system was established, in which the scavenge air required for the main engine of the Diesel propulsion system in the sixth section had its output from the compressor. Optimum working conditions were determined by using genetic algorithm according to maximum net power of fifteen different systems established for 15 different working fluids and the determined systems were analyzed and evaluated with parameters in general. As a result of the analyzes made, recommended work fluids and related systems have been determined.
In the last part, the evaluation of the work done and the interpretation of the analysis houses were made and it is presented what kind of future works can be done.