R245FA ve plakali evaporatör ve kondanserle çalışan 5 KW gücündeki ORC sisteminin analizi

Dünyamızda elektrik enerjisinin üretiminin çok önemli bir kısmı hidrokarbon yakıtlar kullanılarak bileşik güç santrallerinde elde edilmektedir. Bu santrallerde yakıtın yakılmasıyla çok yüksek kaynak sıcaklıklarına erişildiğinden ısıl verim de yüksek olmaktadır. Güneş enerjisi, jeotermal enerji gibi doğal kaynakların ve endüstriyel atık ısıların (baca gazları, egzos gazları, vb) sıcaklıklarının düşük olması sebebiyle elektrik enerjisi üretiminde kullanılması uzun yıllar ekonomik olmamıştır. Ancak, son yıllarda iş yapan akışkan olarak su yerine hidrokarbon esaslı akışkanların kullanıldığı ve düşük sıcaklıktaki ısı kaynaklarını kullanan ORC isimli buhar santralleri üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Özellikle düşük sıcaklıktaki jeotermal enerjinin kullanıldığı ORC tesisleri kurulmuştur. Bu çalışmada, ele alınan 5 kW'lık ORC ısı makinası modellemesi yapılmaktadır. Makinanın evaporatör ve kondenserleri plakalı ısı değiştirici tipinde ve iş yapan akışkan olarak da R245fa seçilmiştir. Evaporatör, kondenser, genişletici ünite ve pompadan oluşan ORC sistemine bu çalışmada bir de kısılma vanası eklenmiştir. Kısılma vanası esas olarak sistemin ilk çalışma durumunda veya güç ayarlamasında kullanılmaktadır. Çalışmada Türkiye'nin jeotermal enerji kaynakları gözönüne alınarak sıcak ısı kaynağı 125 C sıcaklıkta basınçlı su ve soğuk ısı kaynağı olarak ise 25 C sıcaklıkta su seçilmiştir. ORC sisteminin bütün elemanlarına ait akış ve ısı geçişi formülasyonu yapılmış ve Mathcad üzerinde program yazılarak termodinamik ve ısıl hesaplar parametrik olarak hesaplanmıştır. Evaporatör ünitesinin formülasyonunda, akışkanın sıkıştırılmış sıvı halinde girdiği ve kızgın buhar olarak çıktığı gözönüne alınmıştır. Plakalı evaporatörde sıcak ve soğuk akışkanlar tek geçişli olarak ele alındığından, akışkanın plakanın hangi noktasında kaynamaya ve kızmaya başladığı hesaplanmaktadır. Evaporatör ve kondanserin tek fazlı ve çok fazlı olduğu bölgeleri için farklı uygun sürtünme ve Nusselt korelasyonları gözönüne alınmaktadır. Dizayn şartları olarak evaporasyon sıcaklığı 75 C, kondenser sıcaklığı 40 C, pompa ve genişletici verimleri %35.6 ve %75 seçilmiştir. Elde edilen evaporatör gücü 80.10 kW, tasarım şartlarında genişleticiyi kullanırken kondenser gücü 75,10 kW, pompa gücü 0,3 kW, genişletici gücü 5,3 kW değerlerinde elde edilmiştir. Çevrimin ısıl verimi % 6,242 olarak hesaplanmıştır. Kısılma vanası kullanılırken gerekli kondenser gücü 80,40 kW olarak elde edilmiştir. Iki farklı çevron açısı için ısı taşınım katsayıları birbiriyle karşılaştırılmış. 60 derecelik plakalı ısı değiştiricinin daha yüksek ısı taşınım katsayısı olduğu ama aynı halde daha yüksek basınç kaybı olduğu da gösterilmektedir. Isı değiştiricilerindeki basınç kayıplarının çevrimin ısıl verimini azalttığı, 45 derece çevron açısı için verimin %0,444 ve 60 derece çevron açısı için de %0,561 olduğu tespit edilmiştir. Evaporatör ve kondenser hesabında levha sayısı, levha eni ve boyu dikkate alınarak detay hesaplamalar yapılmaktadır. Evaporatör için gerekli 125 C deki sıcak su debisi 0.901 kg/s olarak tespit edilmiştir. Kondenser hesabında geometrik yapı belirlendikten sonra 25 C soğuk su sıcaklığına göre hesaplamalar yapılmış ve soğuk su debisinin 2,55 kg/s olması gerektiği bulunmuştur. Akışkanın kısılma vanasından geçtiği durumlarda soğuk su debisinin 2,62 kg/s olduğu tespit edilmiştir. Dizayn şartlarında evaporatör ve kondenser etkenlikleri preheater kısmı için 0,53, evaperatör kısmı için 0,30 ve superheater kısmı için 0,98 , desuperheater kısmı için 0,85 ve kondanser için de 0,60 olduğu tespit edilmiştir. Soğuk su debisi ve sıcaklığının sisteme etkisi incelenmiş ve kondanserin soğuk suyun 21-28 C aralıklarında çalışabildiği gösterilmiştir. Soğuk su sıcaklığının 28 C dereceyi geçtiği durumda, kondanser çıkışında tamamen kondans olmuş akışkan elde etmek için ekstra kondansere gerek olduğu belirlenmiştir. Pompa ve genişleticinin isentropik verim artışları çevrimin ısıl verimini pozitif yönde etkilemektedir. Bu durum çizilen eğrilerle ortaya konulmuştur. Evaporasyon sıcaklığın artışı ve kondanser sıcaklığının düşüşü çevrimin ısıl verimini arttırdığı eğrilerle gösterilmiştir. Evaporasyon sıcaklığı 95 C ye kadar arttığında üretilen aynı güç için evaporatör ve kondanserin gerekli toplam alanı azalmaktadır. Bu alan 95 C de bir minimumdan geçmektedir. Böylece, kondanser sıcaklığı, sıcak ve soğuk ısı kaynak sıcaklıkları, pompa ve genişletici verimleri aynı iken toplam ısı geciş alanının minimum olduğu bir durumun olduğu gösterilmiştir. Evaporator ve kondenser etkenlikleri de evaporasyon sıcaklığının artışıyla artmaktadır.