Bir Mikro Kojenerasyon Sisteminde Enerji Verimliğinin Deneysel İncelenmesi

Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 9, No: 3, 2012 (17-24) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 9, No: 3, 2012 (17-24) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale (Article) Bir Mikro Kojenerasyon Sisteminde Enerji Verimliğinin Deneysel İncelenmesi Mehmet Ali YÖNTEM *, Arif Emre ÖZGÜR **, * Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bil. Ens. Makine Eğt. Böl., 32260 Isparta/TÜRKİYE ** Süleyman Demirel Üniversitesi Teknoloji Fak. Enerji Sist. Müh. Böl., 32260 Isparta/TÜRKİYE emreozgur@sdu.edu.tr Geliş Tarihi:14.09.2012 Kabul Tarihi:08.12.2012 Özet Bu çalışmada, bir içten yanmalı dizel motora sahip, mikro kojenerasyon sistemlerinin enerji verimliliği deneysel olarak incelenmiştir. Sistemde, 12 geçişli bir gövde boru tipi, ısı değiştirici içinden su akışı sağlanmıştır. 3 farklı su debisi deneysel çalışmalarda değişken olarak kullanılmıştır. Egzoz gazları ısı değiştiricinin gövde bölümünden geçirilmiş ve boru içindeki suya ısı transferi sağlanmıştır. Sistem tam yükte çalıştırılmıştır ve sistemden elde edilen elektriksel ve ısıl güç çıktıları ölçülmüştür. Sistemin toplam verimi ve ısı değiştirici verimi hesaplanmıştır. Sistemden elde edilen performans, konvansiyonel elektrik ve ısı üretim sistemlerinin performansı ile özgül yakıt tüketimi açısından karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Kojenerasyon, mikro kojenerasyon, enerji, verimlilik, ısı değiştirici. Experimental Investigation for Energetic Efficiency of a Micro Co- Generation System Abstract In this study, energetic performance of a micro co-generation system using an internal combustion diesel engine is experimentally investigated. Water flow is supplied in a shell and tube heat exchanger which has 12 passing. 3 different water stream mass flow rates are selected as the variables. Exhaust gas flow is directed to shell section of the heat exchanger and heat of this flow is transferred to the water stream flowing in the pipes. System are loaded with full capacity and electrical and heat energy outputs obtained from the system are measured. Total system efficiency and efficiency of the heat exchanger are calculated. The results obtained with the experimental setup are compared with the conventional electricity and heat producing systems in the point of view specific fuel consumption Keywords : Co-generation, micro-cogeneration, energy, efficiency, heat exchanger. 1. GİRİŞ Kojenerasyon veya diğer adıyla bileşik ısı ve güç üretimi yakıtın kimyasal enerjisinin, eş zamanlı olarak, elektrik ve ısı enerjisine dönüştürülmesi olarak tanımlanabilir. Yalnız elektrik enerjisi dönüşümü yapan bir sistemde verim, günümüzde, %35 ile %55 aralığındadır [1]. Dolayısıyla yakıtın kimyasal enerjisinin büyük bir bölümü ısı enerjisine dönüştürülürken, bir kısmı da kayıplar (sürtünme vb. etkiler) ile çevreye Bu makaleye atıf yapmak için Yöntem M.A., Özgür A.E, Mikro Kojenerasyon Sistemlerinin Enerji Verimliğinin Deneysel İncelenmesi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2012 (9) 17-24 How to cite this article Yöntem M.A., Özgür A.E, Experimental Investigation for Energetic Efficiency of a Micro Co-Generation System Electronic Journal of Machine Technologies, 2012 (9) 17-24

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 17-24 Küçük Ölçekli Kojenerasyon Sistemlerinin Verimliği yine ısı enerjisi biçiminde aktarılmaktadır. Kojenerasyon ile aynı sistemden ısı ve güç beraber elde edildiğinden, sistemin toplamı oldukça yüksek olabilmektedir. Çakır (2006), çalışmasında mikro gaz türbinli kojenerasyon sistemleri ve bu sistemlerde doğalgaz ile biyogazın kullanılması üzerine çalışmalar yapmıştır. Buna ilaveten Türkiye deki bazı bölgelerde ve Avrupa daki bazı şehirlerde mikro gaz türbinlerinin uygulanabilirliği hakkında araştırmalar yapmıştır. 26 kw elektrik ve 60 kw termal güce sahip bir sistemin, günde 4 saat 15 dakika çalıştırılarak, 3000 m 3 hacme sahip bir konutun elektrik enerjisini karşılayabildiğini göstermiştir. Isıtma ihtiyacının az olduğu bölgelerde, sistemin uygulanabilirliğinin yüksek olduğu ve ilk yatırım maliyetinin, 10 sene gibi bir zaman diliminde, geri kazanabildiği belirtilmiştir [2]. Günümüzde, konut, ticari ve kurumsal kojenerasyon uygulamaları için etkin olarak kullanılabilecek, 1kW ve 3kW termik ve elektrik kapasitesine sahip sistemler ticari olarak kullanılabilir olmuştur [3]. Ufak çaplı kojenerasyon sistemlerinin yaygınlaşması ile elektrik iletiminde yaşanılan verim kaybı sorunlarına da kısmi bir çözüm sağlanabilecektir. Konvansiyonel şekilde elektrik üretimi yapıldığında, Türkiye deki toplam elektrik enerjisi üretiminde, %16 oranında yüksek gerilim dağıtım ve iletim kayıpları yaşanmaktadır [4]. Ufak ölçekli Kojenerasyon sistemleri ile elektrik enerjisinin kullanılacağı yerde elde edilmesi ile bu kaybın olumsuz etkilerinin önemi azalacaktır. Böylelikle elektrik enerji üretiminde kullanılan fosil kaynakların daha akılcı kullanımı ile ekonomik açıdan daha yönetilebilir bir tablo oluşacaktır. Ayrıca, elektrik enerjisinin yanında, yakıtın yakılması sonucu açığa çıkan ısı enerjisi de faydalı bir çıktı olarak kullanılır ve toplam sistem verimliliğinin yükselmesi sağlanır. Küçük ölçekli kojenerasyon sistemleri, çevre problemlerinin ciddiyetinin artışı sonucunda, daha da önem kazanmıştır. Birçok ülkede yasalaşan çevre yönetmeliklerinin getirdiği vergiler de bu sürecin hızlanmasına etki yapmaktadır. Bu küçük ölçekli sistemlerde, yaygın olarak kullanılan teknoloji, içten yanmalı pistonlu motor teknolojisidir. Bu çalışmada amaçlanan, mikro ölçekli bir kojenerasyon sisteminin toplam verimliliğinin deneysel olarak belirlenmesi ve sistemdeki akışkan sıcaklıklarının değişimlerinin incelenmesidir. Ayrıca anlık yakıt tüketimi esas alınarak, ısı enerjisinin konvansiyonel yakma sistemi ile ve elektrik enerjisinin de yine ayrı bir konvansiyonel dönüşüm sistemi ile elde edildiği durum ile kojenerasyon sistemindeki bileşik üretim durumunun karşılaştırılması hakkında bir tartışma sunulmuştur. 2. MALZEME ve METOT Çalışmada kullanılan deney düzeneği iki parçadan oluşmaktadır. Bu parçalar enerji üretim bölümü ve atık ısı geri kazanım bölümüdür. Jeneratör bölümü, dizel yakıt kullanılarak, elektrik enerjisi elde etmek için kullanılan bölümdür. Diğer bölüm olan atık ısı geri kazanım bölümüdür. Dizel motorun egzoz gazındaki ısının bir kısmı, bu ısı değiştiriciden geçirilen, su akışına aktarılır. Eşzamanlı olarak elektrik ve ısı enerjisi üretilmiş, sistemdeki parametrelerin değişiminin zamana bağlı olarak, kaydedilmesi sağlanmıştır. Deneysel sistemin şematik gösterimi Şekil 1 de sunulmuştur. Atık ısı geri kazanım düzeneği kurulurken sistemde kanatlı boru ısı değiştirici kullanılmıştır. Bu ısı değiştiricileri bir tarafında gaz, diğer tarafında sıvı akan ısı değiştiricilerinde, sıvı tarafındaki ısı taşınım katsayısı daha yüksektir, bu nedenle sadece gaz akışı tarafında kanatçık kullanılmıştır. Tasarlanan ısı değiştiricinin toplam ısı transfer alanı 1.79 m 2 dir ve bu ısı değiştiricisi de, ölçüleri ile birlikte, Şekil 2 de gösterilmiştir. 18

Yöntem M.A., Özgür A.E. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 17-24 Şekil 1. Deneysel sistemin şematik gösterimi [5]. Şekil 2. Deneysel sistemde kullanılan ısı değiştiricisi ve ölçüleri [5]. Şekil 2 de gösterilen ölçüler, A genişliği 350 mm, B derinliği 60 mm ve C yüksekliği ise 758 mm şeklindedir. Kullanılan bakır boru ise 12.7 mm dış çapa sahip bir bakır borudur. 12 geçişli olarak tasarlanan bu ısı değiştiriciye, egzoz gazları çapraz akış oluşturacak şekilde gönderilmiştir. Bunun için egzoz gazları iki farklı kanaldan ısı değiştiriciye gönderilmiştir. Bu kanalların ısı değiştirici üzerindeki bağlanacakları bölgeler, Şekil 2 de yer alan fotoğraftan da görülebileceği üzere, iki dairesel delik ile belirlenmiştir. Egzoz gazlarının homojen olarak, ısı değiştirici içine yayılabilmesi için çok delikli bir panel de giriş bölgesine yerleştirilmiştir. Bu levha egzoz gazları için basınç kaybı anlamına gelmekle birlikte egzoz gazlarının ısı değiştiricide eşit dağılımı için önem arz etmektedir. Bu levha kullanılmadığı durumda, egzoz gazlarının ısı değiştirici kanatçıkları arasında, kanatçıklar deliksiz imal edildiği için, homojen dağılamayacakladır. Egzoz gazlarının, bu dağıtıcı levha ve ısı değiştiricideki sürtünmeler sebebiyle oluşan, basınç kaybının etkisini azaltmak için dizel motorun susturucusu sökülmüştür. Bu uygulama ile motorun volümetrik verim kaybının en az seviyede tutulması amaçlanmıştır. Isı değiştirici imalatında, Şekil 2 deki fotoğrafta gösterilen üst yüzey bir saç levha ile kapatılmış ve ısı ve sızdırmazlık açılarından yalıtımı yapılmıştır. Yalıtım malzemesi olarak, yüksek sıcaklıklara dayanımı sebebiyle, taş yünü seçilmiştir. Isı değiştiricinin imalatı ile ilgili diğer aşamalar Şekil 3 de gösterilmiştir. Şekil 3 den de görülebildiği üzere, ısı değiştiriciden egzoz gazı çıkışı ise tek bir bağlantı kanalı ile sağlanmıştır. Isı değiştiricideki kanat aralıklarının belirlenmesinde egzoz gazlarının kirletici etkisi ve egzoz gazlarının basınç kaybı değerleri dikkate alınmıştır. Isı değiştiriciye gönderilen su debisi ise bir rotametre aracılığı ile ölçülmüştür. Çalışmada üç farklı su debisi (15, 20 ve 30 L/h) kullanılmıştır. Her üç farklı su debisi için ısı değiştirici ve sistem verimleri hesaplanmıştır. Sisteme giren ve çıkan su sıcaklıkları ve egzoz gazı giriş 19

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 17-24 Küçük Ölçekli Kojenerasyon Sistemlerinin Verimliği ve çıkış sıcaklıkları K tipi ısıl çiftler ile ölçülmüştür. Ölçülen tüm sıcaklıklar Testo 454 serisi veri kaydedici ile bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Şekil 3. Isı değiştiricinin ısı ve sızdırmazlık açısından yalıtımı [5]. Sistemin ürettiği elektriksel güç çıktısı, Şekil 4 te gösterilen dizel jeneratörün üzerinde bulunan, voltmetre ve ampermetre aracılığı ile ölçülmüştür. Jeneratör sistemi yüklenmesi, dizel motorun gaz kelebeği konumuna göre otomatik yapılmaktadır. Jeneratör belirli bir yük kapasitesinde, kararlı bir çalışma karakteristiği gösterdikten sonra, sıcaklık ve güç ölçümlerinin yapılmasına özen gösterilmiştir. Aynı zamanda, sistemin rejime geliş süresinin belirlenmesi amacıyla, ölçüm sonuçları sürekli kayıt altına alınmıştır. Jeneratörün elektriksel açıdan yüklenebilmesi için 6 kw gücünde rezistanslar kullanılmıştır. Bu rezistanslar aracılığı ile elde edilen elektrik enerjisi, bir depodaki suya, ısı enerjisi olarak aktarılmıştır. Jeneratör Şekil 4. Deneysel çalışmada kullanılan dizel motor tahrikli jeneratör [6]. Jeneratörde kullanılan dizel motor hava soğutmalı, 4 zamanlı ve tek silindirli bir içten yanmalı motordur. Toplam silindir hacmi 418 cm 3 tür. Dizel motora akuple edilmiş jeneratör ise maksimum 230 V çıkış gerilimi, 50 Hz çıkış frekansı üreten ve maksimum çıkış gücü 7 kw olarak sınırlandırılmış bir jeneratördür. Deneysel sistem kararlı bir çalışma periyoduna ulaştığında, hacimsel ölçüm metodu kullanılarak, dizel motorun anlık yakıt tüketimi ölçümü yapılmıştır. Motordan çıkan egzoz gazlarının ortalama hızı ise bir pitot tüpü aracılığı ile ölçülmüştür. Ölçümde kullanılan pitot tüpü dijital bir veri kayıt cihazında (Cihaz modeli: Kimo MP 200) görüntülenmiştir. Bu sistemin kalibrasyonu, yetkili firma aracılığıyla, 20

Yöntem M.A., Özgür A.E. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 17-24 yaptırılmıştır. Egzoz gazlarının sabit basınçtaki özgül ısısı ve yoğunluğu, çok az bir hatayla, aynı şartlardaki havaya ait değerler olarak alınmıştır. Bu yaklaşım çok az hata ile egzoz gazlarının termofiziksel özeliklerinin belirlenmesinde kullanılabilir [7]. Ölçümler sonucunda sistemin ürettiği elektriksel güç çıktısı; W El = V. I (1) ifadesi ile hesaplanmıştır. Burada V ve I, sırasıyla, ölçülen elektriksel gerilim ve akım değerleridir. Isı değiştirici verimi ise m&. h su su η ıd = (2) m& egzoz. hegzoz şeklinde hesaplanmıştır. Sistemin toplam verimi ise W + m&. h El su su η sistem = (3) m& y. H a ifadesi ile hesaplanmıştır. Burada m& y, sistemin anlık yakıt tüketimi ve H a ise motorinin alt ısıl değeridir. 3. TARTIŞMA Deneysel çalışmalardan elde edilen egzoz gazı sıcaklıklarının değişimi, üç farklı su debisi değerleri için sırasıyla, Şekil 5 te sunulmuştur. Sistemin çalışmaya başlamasından itibaren, yaklaşık 10 dakikalık süre içerisinde, rejime ulaştığı görülmektedir. Dizel motordan çıkan egzoz gazının sıcaklığının oldukça yüksek değerlere ulaştığı görülmektedir. Tam yükte çalıştırılan deneysel sistem, rejime ulaştıktan sonra, egzoz gazı sıcaklığının motor çıkışında 600 o C den yüksek değerlere ulaştığı görülmektedir. Bu önemli oranda yüksek bir sıcaklıktır. Bu şartlarda ısı değiştiricisine giren egzoz gazının sıcaklığı, ısı değiştirici çıkışında, yaklaşık 100 ila 115 o C değerine kadar düşmektedir. Egzoz gazının ısı değiştiricisine giriş sıcaklığı, ısı değiştiriciye giren su debisinin fonksiyonu değildir. Dolayısıyla bu değerde bir değişim görülmemektedir. Su debisinin artışı ile egzoz gazının ısı değiştiriciyi terk ediş sıcaklığı değişmektedir. 15 L/h su debisi için egzoz gazının ısı değiştiriciden çıkış sıcaklığı dalgalı bir değişim göstermiştir. Sistem rejime ulaştıktan sonraki ortalama egzoz gazı çıkış sıcaklığı değeri 115 o C dir. Artan su debisi ile bu değerde de bir azalma görülmektedir. Sistem rejime ulaştıktan sonra, 15 L/h debide, su akışı ısı değiştiriciden buhar fazında çıkmıştır. Diğer su debilerinde, sırasıyla, su akışının % 72 si ve % 40 ı buhar fazında ısı değiştiriciden çıkmıştır. Isı değiştirici çıkışındaki buhar oranı, ısı değiştiriciyi terk eden, sıvı fazdaki suyun hacimsel debisi ölçülerek elde edilmiştir. Isı değiştiriciye giriş yapan debi ile karşılaştırılarak, buharlaşan su debisi ölçülmüştür. Şekil 6 ise deneysel çalışmalarda ölçülen su sıcaklıklarının değişimi, sırasıyla, üç farklı su debisi değerleri için sunulmuştur. Tüm deneysel çalışmalarda, ısı değiştiriciye giren, su sıcaklığı sabit tutulmaya çalışılmıştır. Sadece 15 L/h su debisi için giriş su sıcaklığında sınırlı bir dalgalanma gerçekleşmiştir. Bu, sınırlı bir hataya yol açan, kabul edilebilir bir dalgalanma olarak kabul edilmiştir. Artan su debisi ile birlikte, ısı değiştiricide su sıcaklığının artış hızı azalmıştır. Sistemin elektriksel çıkış gücü tüm deneysel çalışmalar boyunca 3.3 kw olarak ölçülmüştür. Sistem elektriksel üretim kapasitesi % 100 olarak sabitlenmiştir ve tüm deneysel çalışmalarda 3.3 kw sabit çıkış gücü elde edilmiştir. Bu sebeple, elektriksel güç çıktısının değişimi için ayrı bir grafik sunulmamıştır. 21

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 17-24 Küçük Ölçekli Kojenerasyon Sistemlerinin Verimliği (a) 15 L/h b) 20 L/h c) 30 L/h Şekil 5. 15L/h, 20 L/h ve 30 L/h su debileri için egzoz gazının ısı değiştiriciye giriş ve çıkış sıcaklıkları a) 15 L/h b) 20 L/h c) 30 L/h Şekil 6. 15L/h, 20 L/h ve 30 L/h su debileri için su akışının ısı değiştiriciye giriş ve çıkış sıcaklıkları 22

Yöntem M.A., Özgür A.E. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 17-24 Sistemin toplam enerji verimi ve ısı değiştirici verimi değerlerinin, farklı su debisi değerleri ile değişimi Tablo 1 de sunulmuştur. Tablo 1. Isı değiştirici ve sistem verimlerinin değişimi. HACİMSEL SU DEBİSİ (L/h) ISI DEĞİŞTİRİCİ VERİMİ SİSTEM VERİMLİLİĞİ 15 0.81 0.91 20 0.84 0.913 30 0.89 0.915 Tablo 1 den görüldüğü gibi artan su debisi ile ısı değiştiricinin ve sistemin verimliliği iyileşmektedir. Bunun sebebi, ısı değiştiricideki su akış hızının artışı ile akışın türbülanslı formunun daha da gelişme göstermesidir. Boru içindeki su akışının ısı taşınım katsayısının artışı ile egzoz gazlarından daha fazla ısı geri kazanımı sağlanmıştır. Bu artış, eşzamanlı olarak, sistemin toplam veriminin de artışını sağlamıştır. Bu çalışmada incelenen mikro kojenerasyon sistemin ürettiği ısıl güce eşdeğer ısıl gücün, konvansiyonel bir kazan aracılığıyla sağlandığı ve yine incelenen sistemden elde edilen elektriksel güç çıktısına eşdeğer bir kapasitenin de, mevcut elektrik şebekesinden, temin edildiği durum dikkate alınsın. Elektrik üretimi konvasiyonel fosil yakıtlı, kullanım yerine uzak, bir santralde üretiliyorsa, toplam üretim ve iletim verimi %30 dur [8]. Bunu sebebi elektrik üretimi ve iletiminde karşılaşılan ısıl ve elektriksel kayıplardır. Konvansiyonel bir kazandaki yanma verimi de %90 olarak alındığında, mikro kojenerasyon sistemlerinin yakıt tüketimi, yukarıda açıklanan konvansiyonel sistemlere göre, aynı toplam çıktı (ısı ve elektrik) kapasitesi için yaklaşık %26 daha azdır. Bu örnek ile mikro kojenerasyon sistemleri ile yerinde üretim (ısı ve elektrik) yapmanın önemi açıkça görülmektedir. Enerji açısından dışa bağımlı olan ülkeler için bu strateji kritik bir öneme sahiptir. 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Küçük ölçekli kojenerasyon uygulamaları hakkında yapılan bu çalışma sonucunda görülmektedir ki, enerjinin etkin kullanımı açısından, kojenerasyon sistemleri önemli bir potansiyele sahiptir. Mikro ölçekli bir sistemin toplam verimi %90 değerine ulaşılabilmektedir. Bu verim değeri konvansiyonel kazanlar ile elde edilebilse de, elektrik enerjisinin üretilmesi ve kullanım yerine aktarılmasın da bu oranda yüksek verim değerine ulaşılamamaktadır. Ülkemiz için bu verim yaklaşık %30 dur. Dolayısıyla elektrik enerjisi üretiminde yaşanan çok büyük enerji kayıpları söz konusudur. Bu durum, enerjide dışa bağımlı olan ülkemiz için, çok büyük maddi kayıplar anlamına gelmektedir. Yerinde eş üretim veya kojenerasyon sistemlerinin yaygınlaştırılması ve teşvik edilmesinin önemi, bu çalışmayla, vurgulanmak istenmiştir. Aynı mantık çerçevesinden bakıldığında, eş üretim sistemleri ile benzer verimlilik tablosuna sahip olan, gaz tahrikli ısı pompalarının da bu değerlendirme içinde olması, ülkelerin enerji verimliliğinin iyileştirilmesinde önemli bir katkı yapacaktır. 23

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 17-24 Küçük Ölçekli Kojenerasyon Sistemlerinin Verimliği 5. KAYNAKLAR 1. Ayşegül A., Kanoğlu M., 2009, Exergetic And Thermoeconomic Analyses of Diesel Engine Powered Cogeneration: Part 1 Formulations, Applied Thermal Engineering, 29, 234 241. 2. Çakır, D., 2006, Gaz Türbinli Kojenerasyon Sistemlerinde Yakıt Olarak Doğalgaz Kullanımının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. 3. Pilavachi P.A., 2002, Mini and Micro-Gas Turbines for Combined Heat And Power, Applied Thermal Engineering, 22 (18), 2003-2014. 4. Kösetorunu A., Türkiye'de Enerji Sektörünün Geleceği, Ekonomik Araştırmalar ve Değerlendirme Genel Müdürlüğü, http://www.dtm.gov.tr/ead/dtdergi/tem97/6.htm, 02.02.2004. 5. Yöntem M.A., 2011, Küçük Ölçekli Kojenerasyon Sistemlerinin Verimliğinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta. 6. http://www.dealsdirect.com.au/p/genpower-8kva-diesel-generator/, erişim tarihi 07.05.2012. 7. Çengel Y., Boles M., 2008, Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, Güven Bilimsel Kitabevi, İzmir. 8. Kılıç N., 2006, Türkiye Elektrik Enerjisi Üretim ve Tüketimine Genel Bakış, İzmir Ticaret Odası, Ar-Ge Sektörel Bülteni, İzmir. 24