Katı atık kaynaklı bir organik rankine çevriminin geleneksel ve ileri ekserji analizi

Abstract

Dünya genelinde sanayileşme ve teknolojik gelişmelerin etkisine bağlı olarak nüfusta ve kentleşme hızında yaşanan artış ve hammaddedeki azalma, fosil yakıtlara alternatif enerji kaynaklarına yönelmeyi kaçınılmaz kılmıştır. Bununla birlikte artan tüketim eğilimi ile paralel olarak oluşan atıklar da, miktar ve içerdikleri zararlı maddeler nedeniyle insan ve çevre sağlığını tehdit edecek boyutlara ulaşmıştır. Bu çalışmada, katı atıkların yakılmasıyla elde edilen enerjiyi, ısı ve elektrik üretmek amacıyla kullanan ve Organik Rankine Çevrimine (ORÇ) dayalı kojenerasyon (bileşik ısı-güç) sisteminin farklı çalışma akışkanları için enerji ve ekserji analizi gerçekleştirilmiştir. Öncelikle literatürde ORÇ teknolojilerinin özellikleri, çalışma prensibi ve kullanılan komponentlerle ilgili araştırma yapılmıştır. Aynı zamanda sistemin uygulama alanları, ısıl enerji kaynakları ve çalışma akışkanı seçim kriterleri incelenmiştir. Bartın ili için farklı kalorifik değerlere sahip kentsel atıkların karakterizasyon yöntemiyle değerlendirilmesi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK) 2018 yılı belediye atık istatistikleri Bartın ili için mevcut verilere entegre edilmiş ve atıkların yakılmasıyla sistem çalışma akışkanına aktarılacak ısıl enerji bulunmuştur. Engineering Equation Solver (EES) programında oluşturulan ORÇ/CHP sisteminin matematiksel modelinde, kentsel katı atığın (KKA) yakılması sonucunda elde edilen buharın sadece elektrik üretiminde ya da elektrik ve ısıtma amaçlı kullanılması durumunda üretilen enerji miktarları hesaplanmıştır. Sistem için optimum çalışma akışkanını belirlemek amacıyla her bir bileşen için yakma sonucu oluşan kütle, enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Analizlerde, kuru, izentropik ve ıslak özellikteki farklı organik akışkanlardan (Izopentan, R141b, R123, Metanol, n-pentan, n-oktan, n-heptan, R718) elde edilen termodinamik değerler kullanılmıştır. Oluşturan matematiksel modelin enerji ve ekserji denge denklemlerinde, termodinamiğin birinci ve ikinci yasasından yararlanılmıştır. Termal ve ekserji verimleri, net iş çıktısı ve ekserji yok oluş oranları, buharlaştırıcı basıncının, ara basıncın ve yoğuşturucu basıncının fonksiyonu olarak her bir akışkan için belirlenen üç farklı enerji üretim projeksiyonu ve çalışma koşullarında analitik olarak incelenmiş olup Origin programı kullanılarak grafiksel karşılaştırma yapılmıştır. Sistemin gerçek geliştirilme potansiyeli ile komponentlerin birbirleriyle etkileşimlerini belirlemek amacıyla geleneksel ekserji analiziyle birlikte ileri ekserji analizi uygulanmıştır. İleri ekserji analizlerinin gerçekleştirilmesinde çalışma akışkanı olarak R141b akışkanı seçilmiş ve üç çalışma durumu için komponentlerde ve sistemde meydana gelen ekserji yıkımının önlenebilir ile kaçınılamaz ve içsel ile dışsal kısımları belirlenmiştir. Sistemin 1.durumda ORÇ termal ve ekserji verimi sırasıyla %15.12 ve %33.82 olarak hesaplanmıştır. Sistemin 2.durumda ORÇ, proses ve CHP termal verimleri sırasıyla %10.98, %59.92 ve %70.9 olarak hesaplanmıştır. ORÇ, proses ve CHP ekserji verimleri ise %24.56, %12.3 ve %36.86 değerini almıştır.3.durumda ise ORÇ, proses ve CHP termal verimleri sırasıyla %9.361, %70.89 ve %80.25 değerini almıştır. ORÇ, proses ve CHP ekserji verimleri, ise sırasıyla %20.94, %16.83 ve %37.77 değerindedir.

The increase in population and urbanization rate and the decrease in raw-material due to the effects of industrialization and technological developments throughout the world made it inevitable to turn to alternative energy sources to fossil-fuels. However, wastes which are formed in parallel with the increasing propensity to consume, have reached a level threatening human and environmental health due to their quantity and harmful-substances. In this study, energy and exergy analysis was carried out for different working fluids of the cogeneration (Combined Heat and Power; CHP) system based on the Organic-Rankine-Cycle (ORC), which uses the energy obtained by burning solid wastes to generate heat and electricity. First of all, a research has been made on the characteristics, working principles and components of ORC-technologies in the literature. At the same time, application areas of the system, thermal energy sources and working fluid selection criteria were examined.Municipal wastes with different calorific values for Bartın province were evaluated by characterization method. Results obtained TUIK 2018 municipal waste statistics have been integrated into existing data for Bartın province and thermal energy has been found to be transferred to the system working fluid by incineration of wastes. In the mathematical model of ORC/CHP system created in the Engineering-Equation-Solver (EES) program, the amount of energy produced when the steam obtained as a result of the incinerating of municipal-solid-waste (MSW) is used only for electricity generation or for electricity and heating purposes is calculated. In order to determine the optimum working fluid for the system, mass, energy, and exergy analyzes resulting from combustion were performed for each component. Thermodynamic values obtained from different organic fluids(Isopentane, R141b, R123, Methanol, n-pentane, n-octane, n-heptane, R718) with dry, isentropic and wet properties were used in the analysis. In the energy and exergy balance equations of mathematical model, the first and second laws of thermodynamics are used. Thermal and exergy efficiencies, net work output and exergy-destruction-rates were analyzed analytically in three different energy production projections and operating conditions determined for each fluid as a function of evaporator pressure, interval pressure and condenser pressure, and graphical comparison was made using the Origin program. In order to determine the actual development potential of the system and the interactions of components with each other, advanced exergy analysis was applied together with conventional exergy analysis. In the performance of advanced exergy analysis, R141b was chosen as the working fluid and the exergy destruction occurring in the components and the system for three operating conditions was determined to be avoidable with unavoidable and the endogenous with exogenous parts. In the first case, ORC thermal and exergy efficiency were calculated as 15.12% and 33.82%, respectively. In the second case, ORC, process and CHP thermal efficiencies of the system were calculated as 10.98%, 59.92% and 70.9%, respectively. ORC, process and CHP exergy efficiencies were 24.56%, 12.3% and 36.86%. In the third case of the system, ORC, process and CHP thermal efficiencies were 9.361%, 70.89% and 80.25%, respectively. ORC, process and CHP exergy efficiencies were 20.94%, 16.83% and 37.77% respectively.