Organik rankine sistemi ve türbininin tasarımı

Gerek Türkiye'de düşük sıcaklıklı atık ısı kaynaklarından enerji geri dönüşümü sağlayan sistemlerin çok az sayıda olması, gerek kurulu sistemlerin yurt dışı menşeili olması, bu alanda ulusal ar-ge çalışmalarının gerekliliğini göstermektedir. Bu nedenle, bu çalışma sonucunda ORÇ sistemlerinin araştırma ve geliştirme safhalarına katkı sağlayabilecek çıktılara ulaşılması hedeflenmiştir.Bu çalışmada, öncelikli olarak buharlı güç sistemleri ve bu sistemler için ideal çevrim olan Rankine çevrimine dair teorik bilgilere ulaşılmıştır. Rankine çevrim hesaplamalarında kullanılan denklemler derlenerek termodinamik çevrim tasarımı için alt yapı oluşturulmuştur. ORÇ güç sistemlerinin sınıflandırma yöntemleri incelenmiş,uygulama alanlarının anlaşılması için ısıl enerji kaynakları hakkında bilgi edinilmiştir.ORÇ teknolojisi ve sistemde kullanılan komponentlere dair çok ayrıntılı olmayan kısa bir araştırma gerçekleştirilmiştir. Bu araştırmada çevrim yapısının verimliliğe etkisi, çalışma akışkanı seçim kriterleri, ısı değiştiriciler ve döner ekipmanlar incelenmiştir.Genel ORÇ sistemleri literatür araştırmasında son olarak kurulu sistemlerin verilerine ulaşılmıştır. Türkiye'de kurulu sistemlerin verileri derlenerek tablo halinde sunulmuştur. Bu analiz sonucunda, ulusal ihtiyaç ortaya çıkmış ve çalışma hedefi pekiştirilmiştir. Literatür araştırmasının son kısmında ise çalışmanın asıl ilgi alanı olan, ORÇ sistemlerinde kullanılan genişleticiler incelenmiştir. Bu incelemede, küçük ORÇ sistemleri için çoğunlukla, basit yapıları ve düşük maliyetli olmalarından dolayı pozitif yer değiştirmeli genişleticilerin, daha yüksek güç kapasiteli ORÇ sistemlerinde ise turbo-genişleticilerin tercih edildiği gözlenmiştir. Kurulu ORÇ sistemlerinde kullanılan genişleticiler araştırılmıştır. 20 kW güç kapasitesine kadar pozitif yer değiştirmeli genişleticilerin tercih edildiği, 20 kW ile 110 kW arasında hem pozitif yer değiştirmeli (özellikle vidalı genişletici) hem de turbo-genişleticilerin tercih edildiği, 110 kW üstünde ise yalnızca turbo-genişleticilerin çözüm olarak sunulduğu sonucuna varılmıştır. Genişleticileri tanıyabilmek için, tüm çeşitlerin yapıları, çalışma prensipleri, güç kapasiteleri, avantaj ve dezavantajları üzerine araştırma gerçekleştirilmiştir. Literatür araştırmasında elde edilen bilgiler ile sistem tasarım hedefleri oluşturulmuştur. İlk olarak sistem güç kapasitesinin 100 kW, ısıl veriminin ise en az %15 olması hedeflenmiştir. Kaynak sıcaklık aralığının 80-200 oC olmasının belirlenmesinin ardından, bu sıcaklık aralığında çalışabilecek akışkanlar araştırılmış, akışkan seçim kriterleri (kritik ve maksimum sıcaklık- basınç değerleri, özgül ısıları, moleküler ağırlıkları, güvenlik seviyeleri, ozon tabakasına zarar verme ve küresel ısınmaya katkı seviyeleri) göz önüne alınarak, verimliliği en yüksek olacak akışkanın R245fa olduğu sonucuna varılmıştır. Akışkan seçiminin ardından çevrim yapısı belirlenmiştir. Yoğuşturucu (kondenser) önündeki yüksek sıcaklığın düşürülerek soğutmada harcanan gücün azaltılmasının hem sistem verimini arttıracağı hem de sistem hacmini küçülteceği düşüncesi ile çevrimde ara ısı değiştirici kullanılmasına karar verilmiştir. Pompa verimliliği, sisteme uygun pompa seçimi gerçekleştirileceği varsayılarak, %70 olarak belirlenmiştir. Genişletici olarak, hedeflenen güç kapasitesine uygun ve düşük devir sayılarında verimli çalışabilen radyal çıkışlı türbin seçilmiştir. Seçilen türbinin veriminin en az %70 olması hedeflenmiştir. Son olarak,sistemde su soğutmalı kondenser kullanılması ve suyun sıcaklığı 28 oC alınarak tasarım yapılması kararı verilmiştir.Termodinamik çevrim tasarımı için gerekli girdi parametrelerinin (evaporatör basıncı,kondenser basıncı, türbin giriş sıcaklığı) belirlenmesi için çalışma akışkanı olarak seçilen R245fa'nın farklı çalışma koşullarındaki ısıl verimliliği analiz edilmiştir. Türbin giriş sıcaklığı, türbin verimini doğrudan etkilediği için, akışkanın çıkabildiği maksimum değer olan 166,85 oC seçilmiştir. Bu değerde farklı basınçlarda yapılan analizler sonucu, en yüksek verimliliği veren ve kritik seviyeyi aşmayan evaporatör basınç değeri 31 bar olarak belirlenmiştir. Yoğuşma basıncı düştükçe yoğuşma sıcaklığı da düştüğü için ısıl kapasite ve dolayısıyla hacim azaldığından, kondenser basıncının olabildiğince düşük olmasına özen gösterilmiştir. Basınç belirlenirken, kondenser giriş sıcaklığının soğutma suyunun giriş sıcaklığının altına düşmemesine dikkat edilmiştir. Sonuç olarak kondenser basıncı 2 bar olarak belirlenmiştir.Çevrim tasarım hesapları, sanayi-üniversite işbirliği içerisinde gerçekleştirilen bir ORÇ sistemi tasarımı ve imalatı projesi kapsamında hazırlanmış olan bir bilgisayar kodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Termodinamik çevrim analizi sonucunda, 2,713 kg/s akışkan debisi ile %16,118 verimle 100 kW güç üreten bir sistem tasarlanmıştır.Tasarım çıktısı olarak, giriş çıkış istasyonlarındaki basınç, sıcaklık ve entalpi değerlerive komponentlerin (evaporatör, kondenser, reküperatör ve pompa) güç kapasiteleri belirlenmiştir.Genişletici olarak seçilen radyal çıkışlı türbin tasarımından önce bu tip türbinlerin geometrik yapısı incelenmiştir. Yapılan araştırma sonucunda, radyal çıkışlı türbin tasarımının, özellikle ORC türbinleri için geliştirilmiş olan zTurbo yazılımı ile gerçekleştirilmesine karar verilmiştir. zTurbo yazılımının yapısı incelenmiş, girdi parametreleri için tahmini değer aralıkları literatür araştırması ile belirlenmiştir. Ek olarak, tasarımda kullanılacak kayıp korelasyonu seçimi için literatürdeki çalışmalar incelenmiştir. Bu çalışmalarda, Craig&Cox korelasyonunun uç kayıplarını yeterince iyi tahmin edemediğini, Traupel korelasyonunun ise analiz değerlerinden daha yüksek ama Craig&Cox'a göre daha yakın tahmin edebildiği gözlenmiştir. Toplam kayıp tahmininde de Traupel'in analiz değerlerine daha yakın değerler sağladığı gözlenmiştir. Bu nedenle tasarımda Traupel kayıp korelasyonunun uygulanmasına karar verilmiştir. zTurbo yazılımı ile ön tasarım denemeleri gerçekleştirilmiştir. Farklı girdi verileri ve kayıp korelasyonları ile birçok deneme yapılmış, çıktı verilerinde öncelikle verim daha sonra geometri değerlerine dikkat edilmiştir. Hedef doğrultusunda gerçekleştirilen ön tasarım deneme çalışmalarında, farklı değerlerdeki girdilerin çıktılara etkisi ayrıntılarıyla incelenmiştir. Dört kademeli türbin tasarım denemelerinde, kademelerin farklı genişleme oranlarına sahip olmalarındın performansı arttırdığı özlenmiştir. Kademelerin reaksiyon dereceleri 0,5 civarında tutulmuştur. Türbin devir hızı en iyi verimi sağlayacak şekilde gerçekleştirilen tasarım denemeleri sonucu belirlenmiştir. Kanat uç açıklıkları ve firar kenarı kalınlığı için, mekanik titreşim ve imal edilebilirlik kriterleri göz önüne alınarak minumum değerler seçilmiştir. Stator rotor arası mesafe küçük seçilirken, iki kademe arası mesafe bu değerin yaklaşık iki katı seçilmiştir. Akışkan yoğunluğunun azalması nedeniyle, hızın süpersonik hızlara çıkmaması için akış alanının artması, dolayısıyla kanat yüksekliğinin artması beklenir. Bu nedenle ilk kademe yüksekliği ve çapı tasarım denemeleri sonucunda belirlenmiştir. Veter uzunlukları, ilk kademe hariç, imalat kolaylığı açısından eşit seçilmiştir. Tasarım denemelerinde dikkat edilen bir diğer hususta kanat geometri açılarıdır. Hız üçgenlerindeki açıları kontrol altında tutabilmek için kanat geometri açılarının giderek artan bir profilde olması sağlanmıştır. Tasarım sonuçları (giriş-çıkış çapları ve açıları, kamburluk hattı uzunluğu) ile üç kontrol noktası belirlenmiş ve bu noktalar kullanarak NURBS eğrisi ile kamburluk hatları oluşturulmuştur. Tasarım denemeleri sonucu oluşturulan kamburluk hatları akış pasajı ve dinamiği düşünülerek yorumlanmış ve tatmin edici geometrinin kanat tasarımının yapılması karar alınmıştır. Kanat geometrisinin oluşturmada NACA A3K7 kanat profili kullanılmıştır. Belirlenen kamburluk hattı üzerinde kalınlık verilecek noktalar belirlenmiş, imal edilebilirlik unsuru ve iki kanat arası uzaklık göz önüne alınarak kalınlık oranları belirlenmiştir. Gerek görülen kademelerde kademe sayıları revize edilmiştir. Tasarım denemeleri sonucunda, %79.5 verim ile 122.77 kW mekanik enerji üreten bir radyal çıkışlı türbin ön tasraımı gerçekleştirilmiştir.