Orta Güçteki Bir Taşıt Dizel Motoru İçin Organik Rankine Çevriminin Gerçekçi Kısıtlarla Tasarımı ve Analizi

Abstract

Dünyada ve ülkemizde, orta güçteki dizel motorlar kamyonlarda ve iş makinelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu motorlarda yüksek miktarda enerji egzoz gazı ile atmosfere salınmaktadır. Bu çalışmada, dizel motorlarda egzoz gazı atık ısısının geri kazanılması için gerçekçi kısıtlar ve yaklaşımlar dikkate alınarak ORC tasarımı ve termodinamik analizi yapılmıştır. Tasarım ve analizlerde, gücü 261 kW olan turbo şarjlı 6 silindirli bir dizel motora ait deneysel veriler kullanılmıştır. Çalışmada mobil sistemler hedeflendiğinden, güvenlik, boyutsal kısıtlar ve enerji kaynağının düzensizliği tasarımı zorlayıcı etkiler olarak dikkate alınmıştır. Sistem boyutlarının küçültülmesi için temel ORC tercih edilmiştir. Potansiyel iş akışkanları yanıcı olmayan ve çevresel zararları en düşük akışkanlar arasından seçilmiştir. Çevrim analizlerinde üç farklı iş akışkanın (R123, R141b ve R245fa) performansları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Dizel motorun devri yükseldikçe (1300, 1600, 1900, 2200 dev/dk) egzoz gazının debisi artarken sıcaklığının ise düştüğü görülmüştür. Egzoz gazı sıcaklığı düşmesine rağmen, debideki artış çevrimdeki net güç kazanımını artırmıştır. R141b çevrim akışkanıyla elde edilen en yüksek ısıl verim ve net güç sırasıyla %15,24 ve 21,53 kW'tır. Ayrıca, R141b iş akışkanı ile 1600 dev/dak motor devrinde net güç geri kazanımı 5, 10 ve 15 kW olan ORC sistemlerinin temel bileşenleri için kütle, hacim ve maliyet hesapları yapılmıştır. Çalışma sonucunda, egzoz gazı atık ısısı temel ORC ile geri kazanıldığında, motor devri ve kullanılan iş akışkanına göre %5,42 ile %8,25 arasında değişen oranlarda ilave güç sağlanabileceği görülmüştür. Ayrıca, 15 kW net güç geri kazanımı için gerekli ORC sistemi ağırlığının ve hacminin, uzun yol nakliye kamyonlarının ağırlık ve hacminin yaklaşık %0,6'sı kadar olduğu belirlenmiştir.

In the world and our country, the medium power diesel engines are widely used in trucks and construction equipment. In these engines, a large amount of energy is released into the atmosphere with the exhaust gases. In this study, the design and thermodynamic analysis of ORC were performed by considering the realistic limitations and the approaches for recovery of the waste heat in the exhaust gas. The experimental data of a turbocharged 6-cylinder diesel engine with a power of 261 kW were used in the design and analysis. Since mobile systems are targeted in the study, security, dimensional constraints and irregularity of the energy source are taken into account as challenging effects on the design. Basic ORC has been preferred to reduce the size of the system. Potential working fluids have been chosen among those that are non-flammable and have the lowest environmental hazards. In the cycle analysis, the performances of three different working fluids (R123, R141b and R245fa) were analyzed comparatively. It has been observed that as the speed of the diesel engine increases (1300, 1600, 1900, 2200 rpm), the temperature of the exhaust gas decreases while the flow rate increases. Despite of the decrease in the temperature of exhaust gas, the increase in the flow rate increased the net power gain in the cycle. The maximum thermal efficiency and net power obtained with R141b working fluid are 15.24% and 21.53 kW, respectively. In addition, the mass, volume and cost calculations were made for the basic components of ORC systems with net power recovery of 5, 10 and 15 kW at 1600 rpm engine speed with R141b working fluid. As a result of the study, it has been observed that the additional power can be provided at rates varying between 5.42% and 8.25% depending on the engine speed and the working fluid used, when the exhaust gas waste heat is recovered with the basic ORC. In addition, it was determined that the weight and volume of the ORC system required for 15 kW net power recovery is approximately 0.6% of the weight and volume of long haul trucks.