Basit ve rejeneratif organik rankine çevrimi (ORC) tasarımları kullanılarak biyogaz yakıtlı ısı-güç kombine (CHP) motorunun atık ısısının geri dönüştürülebilirliği, enerji ve ekserji analizi

Abstract

Yenilenebilir enerji kaynakları hızla tükenen fosil yakıtların yerine geçebilecek önemli bir alternatiftir. Güneş, rüzgar, hidrojen, biyogaz gibi birçok yenilenebilir enerji kaynağı mevcuttur. En önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi olan biyogaz, çoğunlukla ısı-güç kombine motorlarında (CHP) yakıt olarak kullanılmakta ve elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Fakat bu motorların verimleri çok düşük olup biyogazın yanması ile giren enerjinin çok büyük bir kısmı egzoz gazı ve ceket soğutma suyu vasıtası ile atmosfere atılmaktadır. Bu tez çalışmasında, Belçika bölgesinde kurulu bulunan ve evsel atıklardan biyogaz üretimi yapan bir tesisteki ısı-güç kombine motorlarının (CHP) atık ısılarının geri kazanımı çalışılmıştır. Çalışma kapsamında öncelikle yüksek sıcaklığa sahip olan egzoz gazı atık ısısı için çevrim akışkanı olarak R245fa kullanan rejeneratörlü ve rejeneratörsüz organik Rankine çevrimleri (ORC) tasarlanmıştır. Tasarlanan bu iki çevrim, hem kritik-altı (subkritik) hem de kritik-üstü (süperkritik) çalışma şartları için parametrik olarak optimize edilmiştir. Daha sonra düşük sıcaklığa sahip olan ceket soğutma suyu (CS) atık ısısının geri kazanımı için çevrim akışkanı olarak R245fa kullanan rejeneratörlü ve rejeneratörsüz ORC tasarımı yapılmış olup bu tasarımlar kritik-altı çalışma şartlarında parametrik olarak optimize edilmiştir. En iyi performansın elde edildiği sistem parametrelerinde, egzoz gazı ve CS atık ısısının geri kazanımı için tasarlanan ORC çevrimlerinin ekserji analizi yapılmıştır. Çalışma kapsamında R245fa kullanan ORC çevrimlerinin en iyi çalışma koşullarının belirlenmesinin yanı sıra rejeneratörün ORC üzerine etkileri de irdelenmiştir. Çalışma boyunca ORC sistemlerinin tasarımı ve parametrik optimizasyonu için Steag GmbH tarafından geliştirilen EBSILON® Professional (EBSILON) yazılımı kullanılmıştır.

Renewable energy sources are an important alternative to rapidly consuming fossil fuels. There are many renewable energy sources such as solar, wind, hydrogen, biogas. Biogas, one of the most important renewable energy sources, is often used as fuel in combined heat and power engines (CHP) and is converted to electricity. However, the efficiency of these engines is very low, and a large part of the energy that enters with the combustion of biogas is thrown into the atmosphere through exhaust gas and jacket cooling water. In this thesis study, the recovery of waste heat to power of a combined heat and power (CHP) engine located in a biogas production plant in Belgium region has been studied. In the scope of the study, organic Rankine cycles (ORC) using R245fa as working fluid with and without regenerator are designed for high temperature exhaust gas waste heat. These two designs are optimized parametrically for both subcritical and supercritical operating conditions. The ORC designs using R245fa as working fluid with and without regenerator for recovery of waste heat of low temperature jacket cooling water (CS) is then parametrically optimized in subcritical operating conditions. For system parameters where the best performance is obtained, exergy-based analysis of ORC cycles designed for recovery of exhaust gas and CS waste heat is performed. In addition to determining the best operating conditions of the ORC cycles using R245fa, the effects of the regenerator on the ORC were also investigated. During the study, EBSILON® Professional (EBSILON) software developed by Steag GmbH was used for the design and parametric optimization of the ORC systems.