GEMİLERDE ORGANİK RANKINE ÇEVRİMİ’NE DAYALI ATIK ISI SİSTEMLERİNİN İNCELEMESİ

Mehmet Akman 080080062

Sunum Planı

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

• • • 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.

• Sankey Diyagramı

• 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!

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

• • 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.

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.

ORC Matematik Model

ORC Enerji Etkinliğinin Artırımı

• Yoğuşturucu basıncının düşürülmesi, • • Buharın kızdırılması Buharlaştırıcı basıncının yükseltilmesi, • Rejenerasyon işlemleri işlemleri ile sağlanabilir.

Rejeneratörlü ORC

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,

• Wartsila RTA72U -17940 kW 97 rpm,iki stroklu dizel ana makine için veriler (T 0 =298 K, P 0 =100 kPa,Pe=200 kPa) (Michalski,2009)

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

• 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)

Bazı iş akışkanlarının fiziksel özellikleri

(Honeywell,2010)

(Honeywell,2010)

Seçilen İş Akışkanları ve Çevrim Performanslarının Karşılaştırılması

(Zhang,2010)

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 yoğuşturucu izobarik çalışmaktadır ve sistemde herhangi bir basınç düşümü yoktur.Değerler sisteme 1 kW lik enerji transferi olduğu kabulu ile elde edilmiştir.

Net Güç

Pompa Gücü

Kütlesel Debi

Sıcaklık Farkı (T TÇ T Y )-Yoğuşturucu Basıncı

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 Wartsila artırılmış, egzoz gazı ekserjisi,enerji kalite indeksleri bilinen RT72U dizel ana makinesinin hesaplanmıştır.Basınç düşümleri ihmal edilmiştir.

değerlerine göre 140 145 150 155 160 T ° ( T C) µ th (temel-ideal) µ th (rejeneratörlü-ideal) 125 18,5 19,903 130 135 18,541 18,558 20,413 20,875 18,569 18,563 18,551 18,531 18,506 21,312 21,716 22,102 22,469 22,823 µ th (temel) 11,565 11,598 11,616 11,63 11,634 11,633 11,623 11,614 µ ıı (temel) 22,851 22,916 22,952 22,979 22,987 22,985 22,966 22,947 µ th (rejeneratörlü) 12,658 12,936 13,184 13,415 13,627 13,826 14,008 14,186 µ ıı (rejeneratörlü) 25,011 25,56 26,049 26,506 26,925 27,318 27,679 28,029 I sys (temel) 98,734 101,595 104,351 107,02 109,645 112,237 114,817 117,371 I sys (rejeneratörlü) 85,732 85,373 85,036 84,688 84,204 83,783 83,334 82,898 Artan türbin giriş sıcaklığının çevrim parametrelerine etkisi

• • • • • • •

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 sağlanır.Egzoz gazı için bu oran %12 dolaylarındadır.

arasında geri kazanım 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.

Örnek Proje

• • • • • • • • • • • • • • 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 Exhaust Waste Heat Recovery From a Dual Fuel Low Temperature Combustion Engine Using an Organic Rankine Cycle, Missispi State University, ABD, s. 1-4 MAN Waste Heat Recovery Systems. 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 Organic Rankine Cycle Systems, Liege University, Belçika. s. 2 Wang, D., Ling, X., Peng, H. ve Liu, L. (2012). Efficiency and Optimal Performance Evaluation of Organic Rankine Cycle for Low Grade Waste Heat Recovery, Nanjing University of Technology, Çin Somayaji, P. Mago, L.M Chamra, (2006). Second Law Analysis and Optimization of Organic Rankine Cycles, ASME Power Conference . ABD Dominigues, A., Santos, H., Costa M., (2012). Analyses of Vehicle Exhaust Waste Heat Recovery Potential Using a Rankine Cycle, Lisbon Technical University, Portekiz Wei, D., LU, X., Gu, J., (2005). Performance Analysis and Otimization of Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery, Shangai Jiao Tong University, Çin Somayaji, P., Mago, Chamra L.M, (2006). Performance Analysis of Different Woking Fluids, Missisipi State University, ABD Gemi Dizel Makineleri Soğutma Sistemi. 2008. MEB,MEGEP, Ankara Wartsila Corporation. Waste Heat Recovery. Leaflet; 2007. s. 6.

Michalski, Ryszard. 2009. The Energetic and Exergetic Evaluation of the Exhaust Gases on the Example of Selected Marine Diesel Engines, West Pomeranian University of Technology, Poland

TEŞEKKÜRLER