1,5 kw gücünde organik rankine çevriminin parametrik, tasarımı, termodinamik analizi, prototip imalatı ve testi

Abstract

Bu tez çalışmasında, reküparatörlü bir ORC (Organic Rankine Cycle –Organik Rankine Çevrimi) sisteminin tasarımı, termodinamik analizleri prototipsistem imalatı ve testleri gerçekleştirildi. Bu amaçla; türbindeki net güç çıkışı 1,5 kWolan bir ORC sistemi; farklı kaynak sıcaklıkları için (sıcak kaynak: 90°C, 100°C ve110°C ve soğuk kuyu: 15°C) tasarlandı. Termodinamik çevrim analizleri Cycle-Tempo v. 5.1 ve Refprop v. 9.0 programları kullanılarak farklı organik akışkanlar(R236ea, R245ca, R245fa ve R365mfc) ve farklı türbin izentropik verimleri (%60,%70, %80) için yapıldı. Ayrıca aşırı kızdırma sıcaklığının (5°C, 10°C ve 15°C) etkiside incelendi. Analizler sonucunda en yüksek ORC verimi R365mfc akışkanında eldeedildi. Türbin izentropik veriminin artması ORC verimini arttırırken, aşırı kızdırmasıcaklığı ORC verimini azalttı. Isı kaynağı sıcaklığı arttıkça, ORC veriminin arttığıgörüldü. Tüm analizlerden elde edilen en yüksek ORC verimi (110°C ısı kaynağısıcaklığı, %80 izentropik verim, 5°C aşırı kızdırma sıcaklığı ve R365mfc akışkanıiçin) %10,4 olarak hesaplandı. En düşük ORC verimi ise (90°C ısı kaynağı sıcaklığı,%60 izentropik verim, 15°C aşırı kızdırma sıcaklığı ve R236ea akışkanı için) %4,7olarak hesaplandı.Ardından, prototip test sistemi kuruldu ve testler yapıldı. Test sistemindekolay temin edilebilirliği nedeniyle çevrim akışkanı olarak R245fa kullanıldı. Tümtest sisteminin tasarımı ve analizleri; piyasadan hazır raf ürünleri (ısı eşanjörü,pompa, türbin, vb.) kullanılarak prototip sistemin kurulması dikkate alınarak yapıldı.Testler yapıldı ve analiz ve test sonuçlarının uyumluluğu karşılaştırıldı.

In this thesis, a recuperated ORC (Organic Rankine Cycle) system wasdesigned, its thermodynamics and thermal-flow analysis was performed, andfurthermore, a complete prototype system was manufactured and tested. For thispurpose; an ORC system at a net turbine power output of 1.5 kW was designed fordifferent source temperature (hot source at 90°C, 100°C and 110°C, and cold sink at15°C). Thermodynamic cycle analysis was performed for various organic fluids(R236ea, R245ca, R245fa, and R365mfc) and various turbine isentropic efficiencies(60%, 70%, and 80%) by using Cycle-Tempo v. 5.1 and Refprop v. 9.0 software. Inaddition, effects of various superheating temperatures (5°C, 10°C and 15°C) werealso investigated. Analyses results show that R365mfc fluid yields the highest ORCefficiency. ORC efficiency increases with turbine isentropic efficiency whiledecreases with superheating temperature. The increasing heat source temperaturealso yields higher ORC efficiency. From all analyses, the highest ORC efficiency iscalculated as 10.4% (for 110°C heat source temperature, 80% isentropic efficiency,5°C superheating temperature and R365mfc fluid). The lowest ORC efficiency is4.7% (90°C heat source temperature, 60% isentropic efficiency, 15°C superheatingtemperature and R236ea fluid).Then the prototype test system was set up and tests were performed. R245fawas used as the cycle fluid in the prototype test system due ease of availability. Alldesign and analysis steps were performed by considering a prototype system to bemanufactured by using ready shelf products in the market (heat exchangers, pumps,turbines, etc.). The prototype system was installed and tested. Then, compatibility ofanalysis and test results was compared.