Bir seyyar atık ısı geri kazanım sistemi için cosmo ve Refprop programları kullanılarak akışkanların sıralanması

İnsan sağlığını tehlikeye atan en önemli faktörlerden birisi solunum yoluyla alınan havadaki zehirli gazlardır. Havadaki zehirli gazların en büyük kaynağı araçlardan salınan egzoz gazlarıdır. Zararlı egzoz gazlarının salınımını ve yakıt tüketimini azaltmak için devletler tarafından konulan regülsayonlar her geçen yıl daha da zorlayıcı olmaktadır. Araç üreticileri bu regülasyonları sağlayabilmek için çok çeşitli teknolojiler üzerinde çalışmaktadır. Emisyon ve yakıt tüketimini azaltmayı sağlayan teknolojilerden biri de atık ısı geri kazanım (AIGK) sistemleridir. AIGK sistemlerinde Rankine çevrimi ile egzoz gazındaki atık ısı enerjisi geri kazanılarak iş üretilmektedir. AIGK sistemi temel olarak pompa, buharlaştırıcı, genleştirici ve yoğunlaştırıcı parçalarından oluşmaktadır. Bunlara ek olarak yoğunlaştırıcıdan atılan ısıyı dış ortama atmak için su pompası, radyatör ve fandan oluşan bir soğutma sistemi kullanılmaktadır. AIGK sisteminde pompa ile akışkanın sistemde devir daim etmesi sağlanmaktadır. Pompadan çıkan akışkan buharlaştırıcıda egzoz gazı ile buharlaştırılmaktadır. Buharlaştırıcıdan çıkan buhar halindeki ve basınçlı akışkan ile genleştiricide güç üretimektedir. Genleştiriciden çıkan düşük basınçlı buhar halindeki akışkan yoğunlaştırıcıdan geçirilerek sıvı hale geçmektedir. Genleştiriciden çıkan akışkan tekrar pompaya gelerek sistemde devir daim etmektedir. Yoğunlaştırıcıdan soğutma suyuna atılan ısı bir fan yardımıyla radyatörden dış havaya atılmaktadır. Bu sistemde genleştirici güç üretirken AIGK sistemi pompası, su pompası ve soğutma fanı güç tüketmektedir. Üretilen net güç elektrikli veya mekanik yöntemlerle motora aktarılarak emisyonların ve yakıt tüketiminin azaltılması sağlanmaktadır. AIGK sistemlerinde üretilen net gücü etkileyen birçok faktör vardır. Bunlardan bazıları buharlaştırıcı tasarımı, genleştirici tasarımı, yoğunlaştırıcı tasarımı ve sistemde kullanılan akışkandır. Bu çalışmada sistemde kullanılabilecek farklı akışkanların yakıt tüketimine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla Matlab Simulink programında bir model oluşturulmuştur. Bu model üç alt modelden oluşmaktadır. Bunlardan birincisi akışkan özelliklerini hesaplamaktadır. Akışkanların özelliklerini hesaplamak için iki farklı yöntem kullanılmıştır. Birincisi test verilerini temel alan fonksiyonları kullanan REFPROP programıdır. Diğeri ise PubChem veritabanından her akışkan için indirilen molekül yapısını kullanarak termodinamik ve kuantum fiziği hesaplamaları ile akışkan özelliklerini tahmin eden COSMO programıdır. İkinci alt model ise bir Simulink fonksiyonu ile oluşturulan Rankine çevrimi hesaplamalarını yapan modeldir. Bu model AIGK sistemi pompasının basması gereken akışkan debisi, buharlaştırıcı ısı transferi, genleştiricide üretilen güç, yoğunlaştırıcı ısı transferi gibi değerleri hesaplamaktadır. Üçüncü alt model ise tek boyutlu sistem simülasyon programı olan GT-SUITE programında kurulmuş olan soğutma sistemi modelidir. Soğutma sistemi modelinde AIGK sistemindeki akışkanın yoğunlaşma basıncı hava basıncına eşit olacak şekilde fan hızı ayarlanmakta ve su pompasının çektiği güç, fanın çektiği güç, su sıcaklığı gibi değerler hesaplanmaktadır. Üç alt model birbiriyle birleştirilerek bütünleşmiş bir şekilde çalışması sağlanmıştır. Rankine çevrimi hesaplamalarını yapan modelin çıktıları diğer iki modele beslenmekte ve bu modelleirin çıktıları tekrar Rankine çevrimi modeline beslenmektedir. Yakıt tüketimi iyileşmesini karşılaştırmak için zamana bağlı araç test verisi kullanılmıştır. Bu test verisinden egzoz debisi ve sıcaklığı değerleri alınmıştır. Son olarak, tüm bu hesaplamaları her akışkan için tekrarlatan ve sonuçları kaydeden REFPROP ve COSMO için iki ayrı Matlab kodu yazılmıştır. Her iki yöntem ile akışkanlar yakıt tüketimi iyileşmesine göre sıralanmış ve iki program ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. COSMO ve REFPROP ile hesaplanan akışkan özellikleri karşılaştırıldığında sonuçların bazı akışkanların bazı özellikleri için yakın olduğu gözlemlenmiştir. Benzer şekilde sonuçlar bazı akışkanların bazı özellikleri için de çok farklı olabilmektedir. Zamana bağlı REFPROP simülasyon sonuçlarına bakıldığında bazı akışkanlar için hedef yoğunlaşma basıncı sağlanamamıştır. Bunun nedeni kullanılan fanın yeterli soğutmayı sağlayamamasıdır. Bu nedenle yoğunlaşma basıncı ve sıcaklığı yüksek kalabilmektedir. REFPROP sonuçlarına bakıldığında bazı akışkanların ısı kapasitelerinin düşük olmasından dolayı buharlaşma sıcaklıklarının düşük olduğu gözlemlenmiştir. Isı kapasitesi düşük olan akışkanlar buharlaştırıcıda sıvı fazda çok hızlı ısınmakta ve sıvı sıcaklığı egzoz sıcaklığına çok hızlı yaklaşmaktadır. Bu nedenle daha erken sıcaklıkta buharlaşmakta ve buharlaşma sıcaklığı düşük olmaktadır. REFPROP sonuçlarından çıkarılan bir diğer sonuç buharlaşma sıcaklığı ile yakıt tüketimi iyileşmesi arasında doğru orantı olmasıdır. Bu sonuç Rankine çevriminde buharlaştırmanın ne kadar yüksek sıcaklıkta ve yoğulaştırmanın ne kadar düşük sıcaklıkta yapılırsa verimliliğin o kadar yüksek olacağı gerçeği ile uyumludur. Tüm akışkanların yoğunlaşma basıncı ortam basıncına eşit olmasına çalışıldığından dolayı yoğunlaşma sıcaklığı tüm akışkanlar için birbirine yakın değerler almaktadır. Bu nedenle Rankine çevriminin verimliliğini etkileyen tek etken olarak buharlaşma sıcaklığı kalmaktadır. Sonuçlarda da gösterildiği gibi buharlaşma sıcaklığı ne kadar yüksek ise yakıt tüketimi iyileşmesi o kadar yüksek olmaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre akışkan özellikleri COSMO programı ile hesaplandığında en iyi yakıt tüketimini sağlayan akışkanın ethenol olduğu bulunmuştur. Akışkan özellikleri REFPROP programı ile hesaplandığında ise en iyi yakıt tüketimi iyileşmesi sağlayan akışkanın siklopentan (cyclopentane) olduğu bulunmuştur. COSMO sonuçları ile REFPROP sonuçları karşılaştırıldığında en iyi yakıt tüketimi iyileşmesine göre sıralamanın birebir aynı olmasa da birbirine çok yakın olduğu bulunmuştur. Ancak en iyi yakıt tüketimi iyileşmesini sağlayan akışkan her iki program ile birbirinden farklı bulunmuştur. Molekül yapısına bakarak tahmin yapan COSMO programına göre REFPROP programı test verilerini esas aldığından REFPROP ile elde edilen akışkan sıralamasının daha güvenilir olduğu sonucuna varılmıştır. Dolayısıyla COSMO programı test verisi olmayan veya olan milyonlarca akışkanın değerlendirilmesi için uygun bir program olarak kullanılabilir. Ancak daha kesin ve nihai akışkan değerlendirmeleri için test verisini esas aldığından REFPROP programı kullanılmalıdır. Sonuç olarak bu uygulamada kullanılan sınır koşullarına göre kullanılabilecek olan en iyi akışkanın siklopentan (cyclopentane) olduğu sonucuna varılmıştır.