Yakınsama sıcaklığı ve güç üretim potansiyelinin tespiti için ORÇ tasarımı ve çok amaçlı optimizasyonu

Abstract

Dünyada her geçen gün artan enerji talebi alternatif enerji kaynaklarına, yenilenebilir enerji kaynaklarına ve enerji geri kazanım yöntemlerine olan ihtiyacı artırmaktadır. Dünyadaki arztalep dengesini korumak için üretilen enerjinin büyük bir bölümü sanayi sektöründe tüketilmektedir. Sanayi tesisleri arasında en fazla enerji tüketim payına sahip sektörlerin başında demir ve çelik üretim sektörü gelmektedir. Bu çalışmada, bir demir-çelik fabrikası tav fırınından atılan egzoz gazının sıcaklık ve debi değerleri analiz edilmiş ve bir yıl boyunca kaydedilmiştir. Bu veriler dikkate alınarak yıllık ortalama egzoz gazı sıcaklığı ve debisi baz alınıp bir organik Rankine çevrimi sistemi tasarlanmıştır. Çalışma kapsamında iki farklı ıslak tip akışkan (etanol, metanol), iki farklı izantropik akışkan (aseton, büten) ve iki farklı kuru tip akışkan (siklohekzan, benzen) olmak üzere toplam altı farklı akışkan seçilmiştir. Birinci aşamada, tav fırınından elde edilen veriler doğrultusunda akışkanların optimum yakınsama noktası sıcaklık farkları tespit edilmiş, ikinci aşamada ise bu yakınsama noktası sıcaklık farklarının sistem performansına etkileri incelenmiştir. Son olarak bu akışkanların çevre ve ekonomik analizleri yapılmıştır. Tez kapsamında yapılan bu çalışma sonucunda en yüksek termal verim %17,05 ile benzen akışkanında elde edilirken en yüksek ekserji verimi %58,76 ile metanolde elde edilmiştir. Ayrıca seçilen akışkanlar arasında en yüksek CO2 emisyon azaltım miktarı 1935,9 ton/yıl ile Benzen akışkanında elde edilmiştir. Buna ek olarak Benzen ve Metanol en yüksek ilk yatırım maliyetine sahip akışkanlar olmasına rağmen sırasıyla (3,6 yıl ve 3,7 yıl) geri ödeme süreleri ile en yüksek karlılığa sahip akışkanlar oldukları görülmüştür.

Increasing energy demand in the world day by day increases the need for alternative energy sources, renewable energy sources and energy recovery methods. A large part of the energy produced in order to maintain the supply-demand balance in the world is consumed in the industrial sector. Iron and steel production sector is one of the sectors with the highest energy consumption share among industrial facilities. In this study, the temperature and flow rate values of the exhaust gas discharged from the annealing furnace of an iron and steel factory were analyzed and recorded for one year. Considering these data, an organic Rankine cycle system was designed based on the annual average exhaust gas temperature and flow rate. Within the scope of the study, six different fluids were selected, two wet types (ethanol, methanol), two isentropic (acetone, butene) and two dry types (cyclohexane, benzene). In the first stage, the optimum pinch point temperature differences of the fluids were determined in line with the data obtained from the annealing furnace, and in the second stage, the effects of these pinch point temperature differences on the system performance were investigated. Finally, environmental and economic analyzes of these fluids were made. As a result of this study, the highest thermal efficiency was obtained in benzene fluid with 17.05%, while the highest exergy efficiency was obtained in methanol with 58.76%. In addition, among the selected fluids, the highest CO2 emission reduction was achieved in benzene fluid with 1935.9 tons/year. In addition, although benzene and methanol are the fluids with the highest initial investment costs, they are the fluids with the highest profitability with payback periods (3.6 years and 3.7 years), respectively.