Jeotermal bölgesel ısıtma sistemlerinin ekserjik ve ekonomik analizi

Abstract

V ÖZET JEOTERMAL BÖLGESEL ISITMA SİSTEMLERİNİN EKSERJİK VE EKONOMİK ANALİZİ ÖZGENER, Leyla Doktora Tezi, Makina Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticileri: Doç. Dr. Arif HEPBAŞLI Prof. Dr. İbrahim DİNÇER Mart 2005, 102 sayfa Ekserji analizi; ısıl sistemlerin ve proseslerin analizi, tasarımı ve optimizasyonun da kullanılan güçlü bir araç olarak görülmektedir. Göz önüne alman proseslerin ve sistemlerin termodinamik bakımdan eksiklerinin nedenlerini nicel olarak ortaya çıkarıp, değerlendirmek için kullanılmaktadır. Ekserji analizi, termodinamik iyileştirme potansiyelini göstermesine rağmen, sistemlerin ve proseslerin tamamen optimizasyonu için de bir maliyet analizi gerekli olmaktadır. Son yirmi yıl süresince, sayısız araştırmacı tarafından, değişik isimlerle (termoekonomik, ikinci yasa maliyeti, maliyet muhasebesi ve eksergoekonomik gibi) anılan ekserjiye dayalı maliyet analizlerinin yapılmasına yönelik yöntemler geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın kullanılanlardan birisi de, EXCEM (ekserji, maliyet, enerji ve kütle) olup, mühendislik ve diğer disiplinlerde çalışan araştırmacılara yarar sağlamaktadır. Jeotermal bölge ısıtma sistemlerinin teknik yönlerini araştırmak için birçok çalışma yapılmasına rağmen, bazı jeotermal sistemlerinVI ekserjetik bakımdan analizine ilişkin sınırlı sayıda çalışma bulunmaktadır. Yazarın bugünkü bilgisine göre, jeotermal bölge ısıtma sistemleri (JBIS'leri)nin eksergoeekonomik analizinin ve performans değerlendirmesinin yapıldığı herhangi bir çalışmaya açık literatürde rastlanmamıştır. Bu araştırmanın amacı; performans değerlendirmesi, kıyaslama ve iyileştirme amaçları bakımından, tüm sistem ile önemli bileşenlerinin değerlendirilmesi için JBIS'lerinin geniş kapsamlı olarak enerjik, ekserjetik ve eksergoekonomik analizini yapmaktır. Mevcut yöntem daha sonra, gerçek sistem işletme verisinin kullanıldığı kıyaslamalı iki durum çalışması olarak sunulan İzmir'deki Balçova jeotermal bölgesel ısıtma sistemi (BJBIS) ve Manisa' daki Salihli jeotermal bölgesel ısıtma sistemi (SJBIS)'ne uygulanmaktadır. Her iki sistemin özgül ekserji parametreleri, iki jeotermal sahanın kalitesini belirlemek için hesaplanmaktadır. Sonuçlar, Balçova ve Salihli jeotermal sahalarının, sırasıyla, orta ve düşük kaliteli jeotermal kaynaklar sınıfına girdiğini göstermektedir. Performans değerlendirilmesinde, enerji ve ekserji verimlilikleri, özgül ekserji indeksleri, ekserjetik iyileştirme potansiyelleri ile diğer bazı termodinamik parametreler kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra, değişik referans çevre sıcaklıklarının her iki sistemin enerji ve ekserji verimlerini nasıl etkilediğini araştırıp, verimin tahmin edilmesine yönelik pratik korelasyonları elde etmek için parametrik çalışmalar yürütülmektedir.VII BJBIS ve SJBIS'ndeki tüm enerji ve ekserji kayıpları, gerçek durumu yansıtmak amacıyla, çevre sıcacıklarının ortalama değerlerine dayalı olarak belirlenip, kıyaslama amaçlan için enerji ve ekserji akış diyagramlarıyla gösterilmektedir. BJBIS ve SJBIS'nin enerji verim değerleri, sırasıyla, % 37,60 ve % 55,5 olarak belirlenmektedir. Sistemdeki ekserji kayıpları (tersinmezlikler) ise, esas itibariyle, her iki BJBIS ve SJBIS'ne giren toplam ekserjinin % 3,2 ve % 2.22'si olarak pompa kayıpları, % 7,24 ve % 17,9'si olarak ısı değiştiricisi kayıpları ve % 24,1 ve % 20,44'si olarak boru hattı kayıplarından (sıcak su dağıtım kayıplarından) oluşmaktadır. Böylece, ekserji verimleri; BJBIS için % 42,94 ve SJBIS için ise, % 59,4 olarak bulunmaktadır. Ayrıca, mevcut çalışmada, BJBIS ve SJBIS'ndeki ekipmanlar için termodinamik kayıplar ile maliyet arasındaki ilişkileri veren bazı korelasyonlar geliştirilmektedir. Bu tür korelasyonlar, tüm sistemin ve elemanlarının termodinamik (ekserji esaslı) ve ekonomik karakteristiklerinin uygun şekilde dengelenmesiyle, daha iyi bir analiz, tasarım ve optimizasyonun yapılmasında, bölge ısıtma sistemleri için pratik açıdan büyük önem taşımaktadır. Anahtar sözcükler: Enerji, Ekserji, Eksergoekonomik Analiz, Performans Değerlendirmesi, Jeotermal Enerji, Bölgesel Isıtma, Yenilenebilir Enerji

VIII ABSTRACT EXERGOECONOMIC ANALYSIS OF GEOTHERMAL DISTRICT HEATING SYSTEMS ÖZGENER, Leyla Ph.D. in Mechanical Engineering Supervisors: Assoc.Prof. Dr. Arif HEPBAŞLI Prof. Dr. İbrahim DÎNÇER March 2005, 102 pages Exergy analysis appears to be a powerful, tool for analysis, design and optimization of thermal systems and processes. It is employed to detect and to evaluate quantitatively the causes of the thermodynamic imperfection of the processes and systems under consideration. Although it shows the potential for thermodynamic improvement, a cost analysis is needed for the complete optimization of the systems and processes. During the past two decades numerous researchers have developed methods of performing cost analyses based on exergy, which are referred by a variety of names (e.g., thermoeconomics, second-law costing, cost accounting and exergoeconomics). One of the most commonly is used the EXCEM (exergy, cost, energy and mass), which was proven to be useful to researchers in engineering and other disciplines. Although many studies have been undertaken to investigate the technical aspects of geothermal district heating systems, limited ones analyze exergetic aspects of some geothermal systems. To the best of theauthor's knowledge no studies have appeared in the open literature to conduct an exergoeconomic analysis and performance evaluation of geothermal district heating systems (GDHSs). The purpose of the present research is to conduct a comprehensive energetic, exergetic and exergoeconomic analysis of GDHSs for the assessment of the entire system and its essential components for performance evaluation, comparison and improvement purposes. The present method is then applied to both Balcova geothermal district heating system (BGDHS) in Izmir and Salihli geothermal district heating system (SGDHS) in Manisa, Turkey, which are presented as two comparative case studies using actual system operational data. The specific exergy parameters of both systems are calculated to determine the quality of both geothermal fields. The results show that the current Balcova and Salihli geothermal fields fall into the category of medium and low-quality geothermal resources, respectively. In the performance evaluation, energy and exergy efficiencies, specific exergy indexes, exergetic improvement potentials, as well as some other thermodynamic parameters are employed. Parametric studies are conducted to investigate how varying reference temperature will influence the energy and exergy efficiencies of both systems and to develop practical correlations for efficiency predictions. The energy and exergy losses in the overall BGDHS and SGDHS are quantified and illustrated through energy and exergy flow diagramsX for comparison purposes, based upon the average values of the surrounding temperatures to reflect the actual situation. The energy efficiency values for the BGDHS and SGDHS are determined to be 37.60% and 55.50%, respectively. The exergy destructions in the system are mainly caused by the pump losses, the heat exchanger losses and the pipeline losses (hot water distribution losses) which account for 3.2% and 2.22%, 7.24% and 17.90%, and 24.10% and 20.44%, respectively, of the total exergy inputs to both BGDHS and SGDHS. Thus, exergy efficiencies are found to be 42.94%» for the BGDHS and 59.40% for the SGDHS. Furthermore, the present study develops some correlations between capital costs and thermodynamic losses for devices in the BGDHS and SGDHS. Such correlations are of practical importance for district heating systems to achieve better analysis, design and optimization by appropriately balancing the thermodynamic (exergy-based) and economic characteristics of the overall systems and their devices. Keywords: Energy, Exergy, Exergoeconomic Analysis, Performance Evaluation, Geothermal Energy, District Heating, Renewable Energy