Energy, Exergy, Economic and Environmental Analysis (4E) of Reciprocating Air Compressors

Abstract

Bu tez çalışmasında deneysel olarak iki tipte kompresör çeşidi kullanılmıştır. Bunlar tek kademeli 5,016 kW ve çift kademeli 11,096 kW güçteki pistonlu kompresörlerdir. Deneyler Ankara Tamsan Kompresör A.Ş. firmasında gerçekleştirilmiştir. 5 farklı ortam sıcaklığı ele alınarak her iki kompresör çeşidi için enerji, ekserji, ekonomik ve çevresel analizleri hesabı yapılmıştır. Enerji analizi ile P-v diyagramı, izentropik, politropik, izotermal ve gerçek iş hesabı ve verim hesaplanmıştır. Enerji analizinde sıcaklık arttıkça tek kademe ve çift kademeli kompresör için de gerçek işin azaldığı, politropik, izentropik ve izotermal işin arttığı, yine sıcaklık arttığı zaman tüm hal değişimlerinde verimin arttığı gözlemlenmiştir. Ekserji analizi ile, tek kademeli kompresörler düşük giriş sıcaklıklarında ekserji verimliliği açısından daha avantajlı bir haldedir, çift kademeli kompresörlerde ekserji verimliliği yüksek sıcaklıklarda artmakta ve performans farkı azalmaktadır. Ekserji yıkımı için çift kademeli kompresörlerin ekserji kaybı, tüm sıcaklık aralıklarında tek kademeli kompresöre göre daha yüksektir. Ekonomik analizlere göre çift kademeli kompresörler yüksek basınç oranlarında ve doğru ara soğutucu tasarımıyla termodinamik olarak daha verimlidir; ancak bu çalışmada kullanılan varsayımlar (motor güçleri, CRF, φ, yıllık süre vb.) altında maliyet açısından her sıcaklıkta tek kademe daha avantajlıdır. Çevresel analiz için (toplam çevresel etki öncelikli) tüm sıcaklıklarda tek kademeli kompresör çevresel açıdan daha avantajlıdır. Sürdürülebilirlik analiz için de sıcaklık arttıkça her iki kompresörde de artış gözlemleniyor, fakat tek kademe kompresör daha avantajlı olduğu gözlemleniyor. Tez kapsamında öncelikle kompresör tanımı, çeşitleri anlatılmıştır. Hesaplama kısmında teorik analiz hesabı yapılmıştır. Bu hesaplamalardaki veriler için farklı ortam sıcaklıkları baz alınmıştır. Elde edilen sonuçlar grafik ve tablo üzerinde belirtilmiştir. Tüm enerji, ekserji, ekonomik, çevresel ve sürdürülebilirlik analiz sonuçları birlikte değerlendirildiğinde, kullanılan çalışma koşulları ve varsayımlar altında tek kademeli kompresörün tüm sıcaklık aralıklarında genel olarak daha avantajlı olduğu, çift kademeli kompresörün ise yalnızca yüksek sıcaklık ve yüksek basınç oranlarında belirli termodinamik verimlilik artışları sağladığı tespit edilmiştir.

In this thesis, two types of compressors were experimentally used: a single-stage 5.016 kW and a double-stage 11.096 kW reciprocating compressor. The experiments were conducted at Tamsan Compressor Inc. in Ankara. Energy, exergy, economic, and environmental analyses were performed for both compressor types, considering five different ambient temperatures. The energy analysis included P-v diagrams, isentropic, polytropic, isothermal, and actual work calculations, and efficiency calculations. The energy analysis showed that actual work decreased as temperature increased for both single-stage and double-stage compressors, while polytropic, isentropic, and isothermal work increased. Furthermore, efficiency increased with increasing temperature for all phase changes. Exergy analysis revealed that single-stage compressors have a more advantageous exergy efficiency at low inlet temperatures, while exergy efficiency in double-stage compressors increases at higher temperatures, narrowing the performance gap. Exergy loss due to exergy destruction is higher for double-stage compressors than for single-stage compressors across all temperature ranges. According to economic analyses, double-stage compressors are thermodynamically more efficient at high pressure ratios and with a proper intercooler design; however, under the assumptions used in this study (engine power, CRF, φ, annual duration, etc.), a single-stage compressor is more cost-effective at all temperatures. For environmental analysis (prioritizing total environmental impact), a single-stage compressor is more environmentally advantageous at all temperatures. For sustainability analysis, both compressors show an increase in efficiency as temperature increases, but the single-stage compressor is observed to be more advantageous. This thesis first describes the definition and types of compressors. Theoretical analysis calculations were conducted in the calculation section. The data in these calculations were based on different ambient temperatures. The results obtained are presented in graphs and tables. When all energy, exergy, economic, environmental, and sustainability analysis results were evaluated together, it was determined that, under the operating conditions and assumptions used, the single-stage compressor is generally more advantageous across all temperature ranges, while the double-stage compressor provides certain thermodynamic efficiency increases only at high temperatures and high pressure ratios.