GEMİLERDE ORGANİK RANKINE ÇEVRİMİ’NE DAYALI ATIK ISI SİSTEMLERİNİN İNCELEMESİ

1. GEMİLERDE ORGANİK RANKINE ÇEVRİMİ’NE DAYALI ATIK ISI SİSTEMLERİNİN İNCELEMESİ Mehmet Akman 080080062

2. Sunum Planı • Gemi Dizel Motorlarında Enerji Etkinliği • Gemilerde Atık Isı Geri Kazanım Sistemleri • ORC Çevrimi • Farklı İş Akışkanlarının Seçimi • Sonuçlar

3. Gemilerde Dizel Motorlarında Enerji Etkinliği Giriş • Dünya ticareti, yaklaşık olarak %90 oranında gemilerle yapılmaktadır.Yapılan bir araştırmada, Almanya’da 100 GT üzerindeki gemilerin %96’sı dizel motor sevk sistemi ile üretilmektedir. • Gemilerden yayılan emisyonlar, havayı önemli derecede olumsuz etkilemektedir.Bu bağlamda, 2011 yılında IMO,MARPOL gibi kuruluşlar enerji etkinliğini artırmak ve oluşan tahribata karşı önlemler almak amacıyla bir takım düzenlemeler getirmiştir. • Artan yakıt fiyatları,enerjinin verimsiz kullanımı, daralan enerji kaynakları ve alternatif enerji kullanımı gibi faktörler de “yeşil gemi” projelerini desteklemektedir.

4. Sankey Diyagramı

5. Sankey Diyagramında verilen iki stroklu dizel makinede; -%85 MCR 58,344 kW güç, -280 gün-24 saat servis koşulu, -egzoz gazı,süpürme havası ve soğutma suyu ile kayıp (MAN,WHRS 2012); 31726 ton yakıt!

6. Gemilerde Atık Isı Geri Kazanım Sistemleri • Aşırı doldurma, • Buhar üretimi, • Servis suyunun temini, • Termal yağ ısıtma sistemleri, • Seperatörlerde yakıtın ön ısıtma işlemi, • Egzoz gazının inertleme için kullanımı, • Atık ısı türbini ile elektrik üretimi

7. Egzoz gazı atık ısı geri kazanım sistemleri için; -Buhar türbini, -Egzoz gazı jeneratörü, -Organik Rankine Çevrimi sistemi kullanılır. • Makine gücünün 25,000 kW aştığı sistemlerde buhar türbini ile kombine edilmiş egzoz gazı türbini kullanılır. Verimlilik açısından,daha düşük güçteki ana makinelerde, egzoz gazı türbini ya da Organik Rankine Çevrimi esasına dayalı geri kazanım sistemleri uygundur (MAN WHRS,2012). Ana makinenin gücü, MCR ve çevre koşullarına göre göre %8-10 arasında geri kazanım sağlanmaktadır.

8. Organik Rankine Çevrimi • Temel Rankine çevrimi, -Buharlaştırıcı, -Yoğuşturucu, -Pompa, -Türbin • Klasik buhar çevriminden farklı olarak organik Rankine çevrimi, düşük sıcaklıkta buharlaşabilen, çalışma koşulları ve çevrim parametrelerine göre toleransı düşük tepkiler veren çalışma sıvıları ile sağlanır.

9. ORC Matematik Model

10. ORC Enerji Etkinliğinin Artırımı • Yoğuşturucu basıncının düşürülmesi, • Buharın kızdırılması • Buharlaştırıcı basıncının yükseltilmesi, • Rejenerasyon işlemleri işlemleri ile sağlanabilir.

11. Rejeneratörlü ORC

12. Egzoz Gazı Spesifik Ekserjisi • Sistem dizaynında atık ısı kaynağının niteliğini bilmek büyük önem arzeder.Egzoz gazı için bu durum spesifik ekserji hesabı sonucu oluşan bir kalite indeksine göre hesaplanır. • Egzoz gazı spesifik ekserji değeri,

13. Wartsila RTA72U -17940 kW 97 rpm,iki stroklu dizel ana makine için veriler (T0=298 K, P0=100 kPa,Pe=200 kPa) (Michalski,2009)

14. Çevrim Akışkanının Seçimi • ORC sistemi için en önemli parametrelerden biri çevrim akışkanının seçimidir. Akışkanlar aşağıdaki özellikler dikkate alınarak seçilir; -Yüksek moleküler ağırlık, -Yüksek kritik basınç ve kritik sıcaklık, -Yüksek ısı transferi katsayısı, -Düşük çalışma basıncı, -Küçük özgül hacim, -Yüksek yoğuşturucu basıncı, -Yanma, patlama, tutuşma tehlikesi, -Toksik etkileri, -Küresel ısınma değerleri, -Ozon tabakasına etki değerleri, -Ekonomisi, -Malzeme uyumluluğu ve korozyon özellikleri

15. Ayrıca akışkanlar izantropik, kuru ve ıslak olmak üzere üç grupta incelenir. Islak akışkanların türbin sonrasında kuruluk dereceleri genellikle doymuş bölgededir, kuru akışkanların türbin sonrası kuruluk dereceleri kızgın buhar bölgesindedir, izantropik akışkanların ise izantropik verimleri çok yüksektir. (Mago,2006)

16. Bazı iş akışkanlarının fiziksel özellikleri (Honeywell,2010)

17. (Honeywell,2010)

18. Seçilen İş Akışkanları ve Çevrim Performanslarının Karşılaştırılması (Zhang,2010)

19. Isıl Verim Sistemde pompa ve türbin izantropik verimleri 1 kabul edilmiş olup, çevre ile ısı transferi yoktur. Yoğuşturucu sıcaklığı, soğutma suyunun deniz suyu olduğu kabulu ile sabit 25 °C kabul edilmiştir. Buharlaştırıcı ve yoğuşturucuizobarik çalışmaktadır ve sistemde herhangi bir basınç düşümü yoktur.Değerler sisteme 1 kWlik enerji transferi olduğu kabulu ile elde edilmiştir.

20. Net Güç

21. Pompa Gücü

22. Kütlesel Debi

23. Sıcaklık Farkı (TTÇ-TY)-Yoğuşturucu Basıncı

24. Rejeneratörlü ORC ve I. - II.Yasa Analizleri (R-245fa) • Analizlerde 20 bar türbin giriş basıncında, 0,8 türbin izantropik verimi ile 0,85 pompa izantropik verimi kabul edilmiş olup,türbine giriş sıcaklık değerleri artırılmış, egzoz gazı ekserjisi,enerji kalite indeksleri bilinen Wartsila RT72U dizel ana makinesinin değerlerine göre hesaplanmıştır.Basınç düşümleri ihmal edilmiştir. Artan türbin giriş sıcaklığının çevrim parametrelerine etkisi

29. Sonuçlar • Termodinamik analizlerden ve seçilen çevrim akışkanlarının fiziksel özelliklerden kıyaslama yolu ile çıkarılan sonuca göre R-245fa en uygun iş akışkanıdır. • Organik Rankine çevrimi esası ile çalışan atık ısı sistemi, kolay uygulanabilirliği, düşük bakım- tutum maliyeti, otomasyon kolaylığı, “0” emisyon, uzun ömrü, diğer atık ısı sistemlerine kıyasla ekonomik oluşu ve güvenilirliği ile tercih edilmesi gereken temiz enerji geri kazanım sistemidir. • Enerji etkinliğini artıran bir sistem olmakla beraber çevreye verilen tahribatı minimize eden bir sistemdir. • Analizlerden çıkan sonuca göre, ana makine gücünde %1-1,5 arasında geri kazanım sağlanır.Egzoz gazı için bu oran %12 dolaylarındadır. • ORC sistemi ile, seçilen makinede %85 MCR, 280 gün 24 saat çalışma şartları ile yılda yaklaşık 210 ton yakıt kazanılıp, geminin enerji etkinliği artırılmış olunur. • Ayrıca geminin elektrik yükünü temin eden jeneratörlere yardımcı bir kaynak da oluşturulmuş olunur. • Geliştirilmekte olan ORC atık ısı sistemlerinde, soğutma suyu, yağlama yağı gibi devreler, çevrim için ara ısıtma elemanları olarak iş yapmaktadır.Ayrıca, organik akışkanları geliştirme çalışmaları da yapılmakta olup, ısıl verimleri artırılmaya çalışılmaktadır.

31. Örnek Proje

33. Referanslar • Arslan, Abdulmecit. 2006. Doğal Emişli Bir Dizel Motora Aşırı Doldurmanın Uygulanması, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü • Srinivasan K., Mago J. ve Krishnan S. 2009. Analyses of ExhaustWasteHeat RecoveryFrom a DualFuelLowTemperatureCombustion Engine Using an • OrganicRankineCycle, MissispiStateUniversity, ABD, s. 1-4 • MANWasteHeatRecoverySystems. 2012. s. 6 • Çengel A.Y. ve Boles M.A. 2008. Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik Güven Kitabevi 5.Baskı, Bölüm,10 • Quoilin, S., Broek, M, Declaye, S. ve Lemort, V.. (2012). Techno-Economic Survey of OrganicRankineCycleSystems, LiegeUniversity, Belçika. s. 2 • Wang, D., Ling, X., Peng, H. ve Liu, L. (2012). Efficiencyand Optimal PerformanceEvaluation of OrganicRankineCycleforLowGradeWasteHeat Recovery, NanjingUniversity of Technology, Çin • Somayaji, P. Mago, L.M Chamra, (2006). SecondLawAnalysisand Optimization of OrganicRankineCycles, ASME PowerConference . ABD • Dominigues, A., Santos, H., Costa M., (2012). Analyses of VehicleExhaust WasteHeatRecoveryPotentialUsing a RankineCycle, LisbonTechnical University, Portekiz • Wei, D., LU, X., Gu, J., (2005). PerformanceAnalysisandOtimization of OrganicRankineCycleforWasteHeatRecovery, ShangaiJiaoTong University, Çin • Somayaji, P., Mago, Chamra L.M, (2006). PerformanceAnalysis of Different WokingFluids, MissisipiStateUniversity, ABD • Gemi Dizel Makineleri Soğutma Sistemi. 2008. MEB,MEGEP, Ankara • WartsilaCorporation. WasteHeatRecovery. Leaflet; 2007. s. 6. • Michalski, Ryszard. 2009. TheEnergeticandExergeticEvaluation of the ExhaustGases on theExample of SelectedMarineDieselEngines, West PomeranianUniversity of Technology, Poland

34. TEŞEKKÜRLER