S-CO2 Güç sistemlerindeki mikro kanallı kompakt ısı değiştiricilerin numerik ve deneysel analizleri

Abstract

Süper kritik karbondioksit (s-CO2) güç çevrimleri, geleneksel buhar Rankine çevrimlerine kıyasla yüksek termal verimlilikleri ve güç yoğunlukları nedeniyle tercih edilir. Bu tez çalışmasında, s-CO2 reküperatif Brayton çevrimi ile çalışan bir atık ısı geri kazanım sistemi (WHRS) tasarlanmış, bu sistemin önemli bir bileşeni olan baskılı devre ısı değiştirici (PCHE) reküperatörü numerik, HAD ve sonlu elemanlar metotları kullanılarak geliştirilmiş ve performansı deneysel metotlarla analiz edilmiştir. Bu kapsamda; öncelikle, önerilen PCHE’nin termal-hidrolik ve yapısal analizleri numerik olarak yapılmıştır. Bir önceki alt-ısı değiştiricinin çıktısını bir sonrakinin girdisi olarak kullanan alt-ısı değiştirici modeli, numerik termal-hidrolik tasarımda baskılı devre ısı değiştiricisini alt bölümlere ayırarak uygulanmıştır. Ardından, önerilen tasarımın akış analizleri ve güvenilirliği HAD ve sonlu elemanlar metotları ile kontrol edilip nihai tasarım şekillendirilmiştir. Yapılan analizler sonucunda; üretilmesi planlanan bir PCHE, ASME Basınçlı Kapların İmalatı için Kurallara (BPVC) uygun olarak tasarlanıp imal edilmiştir. Üretilen 25 kW’lık baskılı devre ısı değiştirici, 1 mm fin kalınlığı ve 1.5 mm plaka kalınlığı ile birlikte 1000 m2/m3’lük kompaktlık değerine ulaşmıştır. Üretilen PCHE, YTÜ Merkez Laboratuvarı’nda kurulu kompakt ısı değiştirici test düzeneğine monte edilip planlanan deneyler yapılmıştır. Deneyler; bu test düzeneğinde, yüksek basınçlardaki s-CO2 akışkanı ile yapılmıştır. Deneysel ve numerik analizlerin sonuçları birbirleri ile uyumlu çıkmış, ısıl yükler ile etkinlik değerleri arasındaki maksimum farklar sırasıyla %4.9 ve %5.4 olarak gerçekleşmiştir. Genel ısı transfer katsayıları arasındaki fark ise %1.2 seviyelerinde kalmıştır. Bu çalışma ile alt-ısı değiştirici modelinin diğer tasarım yöntemlerine göre yüksek doğruluk oranlarında PCHE tasarımları sağladığı gösterilmiştir.