EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı
Bu topluluk için Kalıcı Uri
Gözat
Yayın Türü "Doctoral Thesis" ile EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeAlüminyum-Bor-Karbür kompozit malzemelerin radyasyon karşısındaki davranışının belirlenmesi, XCOM bilgisayar programı ile incelenmesi ve yeni bir hibrit kompozit radyasyon zırh malzemesi önerisi(Enerji Enstitüsü, 2015) Akkaş, Ayhan ; Tuğrul, Asiye Beril ; 416857 ; Enerji Bilim ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesBu doktora çalışmasında, farklı tiplerde iyonizan radyasyon çeşitlerinin zırhlanmasında kullanılmak üzere alüminyum-bor karbür kompozit malzemenin davranışının incelenmesi ve bu alanda kullanılabilecek yeni bir malzemenin önerilmesi amaçlanmıştır. İyonizan radyasyon kaynakları endüstri, tıp, tarım ve araştırma amaçlı olarak birçok alanda yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Radyasyon, kullanım alanına uygun olarak farklı tip ve enerjilerde olabilmektedir. Görevi gereği radyasyonla çalışan personelin ve toplum üyesi kişilerin radyasyondan korunmasının en önemli metodlarından biri radyasyon kaynağının veya kullanıldığı alanın zırhlanmasıdır. Radyasyonun tip ve enerjisinin değişmesi madde ile etkileşmesinde farklılıklar ortaya koyduğundan, zırhlama için kullanılan malzemeler de farklılık göstermektedir. Nükleer reaktörler, uzay çalışmaları gibi alanlarda aynı anda farklı tip radyasyona maruz kalınabilmektedir. Karışık radyasyon alanlarında tek bir malzeme ile etkin zırhlama yapmak, zırhlama malzemesinin kapladığı hacmin azalmasında, gerekse de maliyet açısından fayda sağlamaktadır. Bununla beraber, radyasyon zırhlamasında en yaygın kullanılan malzeme olan kurşunun toksit etkilere sahip olması, insan sağlığı açısından olumsuz etkilere neden olmaktadır. Öte yandan, Avrupa Birliğinin yayınladığı RoHS direktifleri sonucunda kurşunun birçok alanda kullanılması yasaklanmış ve ileri süreçte tamamen kurşun kullanımından vazgeçilmesi planlanmaktadır. Bu çerçeve de, bu doktora çalışmasında, kurşuna alternatif oluşturabilecek, farklı radyasyon tiplerinin zırhlanmasında etkili bir malzemenin önerilmesi benimsenmiştir Deneysel çalışmalarda öncelikle alüminyum-bor karbür (Al-B4C) malzeme bu doktora tezinin özgünlüğü içinde incelenmiştir. Bu malzemeler dört farklı hacimsel yüzde oranında, %5, %10, %15 ve %20 ve beş farklı tane boyutunda ortalama 3 µm, ortalama 53µm, 75-150 µm arası, 150-250µm arası ve ortalama 500 µm olmak üzere B4C bileşiği içermektedir. Malzemelerin tümü için gama, nötron ve beta radyasyonları karşısındaki zırhlama davranışları incelenmiştir. Bir başka deyişle, B4C bileşiğine ait tane boyutunun zırhlama davranışı üzerine etkisi ile gama, nötron ve beta radyasyonları ile yapılan çalışmalar doktora çalışmasının özgün kısımlarıdır. Alüminyum-bor karbür (Al-B4C) malzeme ile elde edilen sonuçlardan yararlanarak alüminyum-bor karbür-tungsten karbür kompozit malzemesi ile çalışılmış, gama, nötron ve beta radyasyonları karşısındaki zırhlama davranışları incelenmiştir. Bu husus, doktora tezinin malzeme seçimi konusundaki önemli özgünlüğünü oluşturmaktadır. Gama radyasyonu ile çalışmada, farklı gama radyasyon enerjilerinde yayınım yapan üç farklı radyoizotop kaynak kullanılmıştır. Bu yolla bağıl olarak Am-241 ile düşük enerjide (60 keV), Co-60 ile yüksek enerjide (1,17 ve 1,33 MeV' lik iki pik ortalaması 1,25 MeV) ve Cs-137 ile orta enerjilerde (662 keV) gama radyasyonu ile çalışma yapılmıştır. Nötron radyasyonu ile çalışmada Howitzer içerisinde bulunan Pu-Be nötron kaynağı kullanılmıştır. Bu kaynağın yaydığı nötronların ortalama enerjisi yaklaşık 4 MeV' dir. Beta radyasyonu ile yapılan çalışmada ise, kullanılan radyoizotop kaynak Sr/Y-90'dır. Söz konusu bu radyoaktif kaynaktan çıkan maksimum beta enerjisi 2,28 MeV' dir. Deneysel çalışmalar kapsamında transmisyon tekniği kullanılarak gama ve beta radyasyonları kullanılarak her bir malzeme için lineer zayıflatma ile kütle zayıflatma katsayısı değerleri, nötron radyasyonu için ise makroskopik tesir kesiti değerleri bulunmuştur. Bulunan bu değerler yardımı ile her bir malzeme için kullanılan radyasyon tipine bağlı olarak Yarı-Değer Kalınlık (YDK) değerleri bulunmuştur. Ayrıca, gama kütle zayıflatma katsayı değerlerinin teorik olarak bulunması için, uluslararası boyutta kabul gören XCOM bilgisayar programı kullanılarak teorik hesaplamalar yapılmıştır. Kompozit malzemelere ait deneysel olarak bulunan gama kütle zayıflatma katsayı değerleri, XCOM bilgisayar programından elde edilen teorik değerlerle karşılaştırılmıştır. Gama kaynakları ile yapılan deney sonuçlarına göre; Al-B4C bileşiği içerisinde B4C bileşiğine ait tane boyutunun artması, kompozit malzemenin radyasyon tutuculuğunu azaltmaktadır. Gama radyasyonu enerjisi arttıkça tane boyutunun etkisi azalmaktadır. Bununla beraber kompozit malzeme içerisindeki B4C hacimsel yüzde içeriğinin artması gama radyasyonunu tutuculuğunu azalmaktadır. Bu azalma düşük enerjili gama radyasyonunda daha belirgin, yüksek enerjili gama radyasyonu için daha düşüktür. Al-B4C-WC hibrit kompozit malzemesi için deneysel çalışmada malzeme içerisindeki WC miktarı arttıkça, gama radyasyonuna karşı malzemelerin tutuculuğu da artmıştır. Bununla beraber, gama radyasyonu karşısında XCOM programından elde edilen teorik kütle zayıflatma katsayıları ile deneysel olarak elde edilen kütle zayıflatma katsayıları birbirleri ile uyumlu çıkmıştır. İki değer arasındaki yüzde fark, büyük çoğunluğu %3'ün altında, tümü % 6' nın altında kalmıştır. Nötron deneyleri sonucunda, Al-B4C kompozit bileşiği için elde edilen sonuçlara göre kompozit malzeme içerisindeki B4C bileşiğinin hacimsel yüzde oranı ve tane boyutunun artması nötron tutuculuğunu arttırdığı saptanmıştır. Al-B4C-WC hibrit kompozit malzemeleri içinde hacimsel yüzde olarak B4C ve WC oranlarının artması nötron tutuculuğunu arttırdığı görülmüştür. Beta deneyleri sonucunda, Al-B4C kompozit bileşiği içerisindeki B4C hacimsel yüzde miktarının artması, malzemenin beta tutuculuğunu arttırdığı gözlemlenmiştir. Bununla beraber Al-B4C-WC hibrit kompozit malzemeleri içerisindeki B4C ve WC bileşiklerinin hacimsel yüzde miktarlarının beraber artışı beta tutuculuğunu arttırdığı saptanmıştır. Deneysel olarak kompozit malzemeler için bulunan kütle zayıflatma katsayıları, saf alüminyum için bulunan kütle zayıflatma katsayısı ile karşılaştırılmıştır. Al-B4C kompozit malzemeler içerisine belirli oranlarda WC bileşiğinin katılması farklı radyasyon kaynakları karşısında zırhlama etkisini arttırması ile birlikte kompozit malzemelerin yoğunluğunu da arttırmaktadır. Özellikle uzay teknolojisi, uçak teknolojisi, nano teknoloji gibi alanlarda kullanılan malzemelerin yoğunluğu da önemli bir yer tutmaktadır. Bu bağlamda bileşik içerisine katılan WC miktarı kısıtlı kalması gerekmektedir. Deneysel sonuçlar sonucunda Al-B4C kompozit malzeme içerisine %5 ve %10 oranında katılan WC ile oluşturulan hibrit kompozit malzemelerin karışık radyasyon alanlarında etkin bir zırhlama malzemesi olarak kullanılabilirliği bu doktora tezinin özgünlüğü kapsamında gösterilmiştir.
-
ÖgeAnkara İli Toprak Ve İçme Sularının Radyolojik Ve Kimyasal Açıdan İncelenmesi, İlgili Sağlık Riskelerinin Belirlenmesi Ve Doz Dönüşüm Faktörlerinin Oluşturulması(Enerji Enstitüsü, 2019-01-28) Kapdan, Enis ; Altınsoy, Nesrin ; 10243022 ; Enerji Bilim ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesTez çalışması iki ana amaca odaklanmıştır. Deneysel çalışmaların amacı, Ankara ilinde dış ortam radyoaktivite düzeylerinin, içme sularında radyoaktivite düzeyinin, topraktaki elementlerin birikim seviyesinin ve içme suyundaki anyon ve katyon konsantrasyonunun belirlenmesi ve ilgili sağlık risklerinin değerlendirilmesidir. Teorik çalışmaların amacı ise, topraktaki radyonüklit konsantrasyonlarını kullanarak havada (soğurulan) gama doz hızının (ADRA) belirlenmesi için kullanılan doz dönüşüm faktörlerinin elde edilmesidir. Bölgedeki radyoaktivite düzeylerini belirlemek için, toplam 341 toprak örneği laboratuvarlarda analiz edilmiş ve aynı zamanda toprak örneklerinin alındığı istasyonlarda gama doz hızı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Buna göre, topraktaki 40K, 226Ra, 232Th ve 137Cs radyonüklitlerinin ortalama aktivite konsantrasyonları sırasıyla 454 (23-1355) Bq/kg, 27 (6-186) Bq/kg, 33 (2-181) Bq/kg ve 3.3 (0.5-20.9) Bq/kg olarak belirlenmiştir. Ankara ili ortalama radyonüklit aktivite konsantrasyonlarının Türkiye ve Dünya ortalamalarına yakın olması ile birlikte, özellikle Evren ve Kızılcahamam ilçeleri çevresinde radyonüklit konsantrasyonlarında hayli yüksek değerler gözlenmiştir. Ayrıca, toprak yüzeyinden 1 m yükseklikte havadaki gama doz hızı (ADRA) değeri bölge için ortalama 58.5 (1.4-231) nGy/sa olarak ölçülmüş olup bu değerin 6.1 nGy/sa olan kısmının kozmik radyasyondan kaynaklandığı tespit edilmiştir. ADRA değerlerinin de temel olarak 232Th konsantrasyonuna bağlı olarak Evren ve Kızılcahamam ilçelerinde daha yüksek seviyelerde olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, dış ortam gama radyasyon maruziyetine bağlı olarak yıllık etkin doz eşdeğeri (AEDE) ve yaşam boyu kanser riski (ELCR) değerleri, ICRP ve UNSCEAR tarafından önerilen faktörler kullanılarak bölge sakinleri için sırasıyla 71.8 µSv/y ve 2.69E-04 olarak hesaplanmıştır. İçme sularındaki toplam alfa ve toplam beta aktivite konsantrasyonunu tespit etmek için il genelinden toplam 121 adet su numunesi toplanmıştır. Ortalama toplam alfa ve toplam beta aktiviteleri bölge için sırasıyla 105 (20-495) mBq/L ve 195 (70-850) mBq/L olarak belirlenmiştir. Ayrıca, toplam alfa ve toplam beta radyoaktiviteleri nedeniyle bölge sakinleri için ortalama yıllık etkin doz, 22 (3-101) µSv/y ve 98 (4-428) µSv/y olarak tespit edilmiştir. İçme sularındaki toplam alfa ve beta aktivitesine bağlı olarak tahmin edilen ortalama kanser risk değeri, bölge halkı için ICRP 103'ün risk faktörleri kullanılarak 6.13E-04 olarak bulunmuştur. Ayrıca, içme sularındaki radyoaktivitenin bölgesel dağılımının gösterilmesi için dağılım haritaları çizilmiştir. Ankara'nın içme sularındaki ortalama toplam alfa ve beta aktivite konsantrasyonunun, ilin zengin radyolojik yeraltı yapısına bağlı olarak Türkiye'de incelenen illerin çoğundan anlamlı düzeyde yüksek olduğu anlaşılmıştır. Ek olarak, örneklerin %36'sındaki yıllık doz değerlerinin, WHO'nun içme suyu için beta aktivitesi açısından önerilen sınır değerleri aştığı ve bu durumun alfa aktivitesi için ise %0.8 olduğu görülmüştür. Ayrıca, 40K radyonüklidinin bölgenin içme sularındaki toplam beta aktivitesine katkısı %47 olarak belirlenmiştir. Türkiye'nin başkenti Ankara'da topraktaki elementlerin birikim düzeylerinin araştırılması ve ilgili sağlık risklerinin belirlenmesi için toplam 257 toprak örneği, WD-XRF yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir. Topraktaki ortalama CaO, Ti02, V, Cr, Mn, Fe2O3, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Nd, Pb, Th, U ve Sc konsantrasyonları sırasıyla 89462, 6176, 70.7, 142.9, 727.3, 44150, 20.1, 61.7, 21.8, 56.3, 11.3, 16.8, 63.3, 409.9, 17.1, 143.8, 11.1, 250.8, 25.6, 44.1, 31.2, 22.6, 10, 4.6 ve 3.9 ppm (μg/g) olarak belirlenmiştir. Bölgede tüm toprak örneklerinde Cd ve Hg konsantrasyonlarının dedeksiyon limitlerinden daha düşük seviyede olduğu tespit edilmiştir. Pearson R testine göre, Fe2O3 ve TiO2, Ni ve Cr, Zr ve Ga, Nb ve Ga, Pb ve Y, Nb ve Zr arasında güçlü bir korelasyon olduğu tespit edilmiş ve çizilen dağılım haritalarında da bu durum açıkça görülebilmiştir. Ayrıca, topraktaki metallerin Tehlike Katsayısı (HQ) değerlerinin bölgede Cr> As> Mn> Pb> Ni> Ba> Sr> Cu> Zn olarak sıralandığı görülmüştür. Bununla birlikte, analiz edilen her bir toprak örneğinin, ağır metal maruziyetine bağlı Tehlike İndeksi (HI) değerinin referans değer 1 den daha düşük olduğu anlaşılmıştır. Bölge genelinde ağır metale bağlı kanser risk değerlerinin Cr> Ni> As> Pb şeklinde sıralandığı gözlenmiştir. İçme sularındaki anyon ve katyon düzeylerinin araştırılması için toplam 119 numune ICP-OES ve İyon Kromatografi yöntemleriyle analiz edilmiş ve başkent Ankara için ilgili sağlık riskleri değerlendirilmiştir. Bölgedeki Ag, Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, K, Mg, Mn, Sb, Sr, V, Zn katyonlarının ortalama konsantrasyonları sırasıyla 2.08 ppb, 27.15 ppb 4.46 ppb, 55.2 ppb, 0.23 ppb, 46.76 ppb, 1.65 ppm, 1.66 ppb, 1.97 ppb, 2.31 ppb, 15.46 ppb, 0.60 ppb, 3.07 ppb, 26.46 ppb, 2.20 ppb, 2.88 ppb, 0.85 ppm, 6.51 ppm, 22.50 ppb olarak belirlenmiş ve bölgeden toplanan tüm içme suyu örneklerinde Pb ve Se konsantrasyonlarının dedeksiyon limitlerinden daha düşük seviyede olduğu görülmüştür. Ayrıca, örneklerdeki F-1, Cl-1, Br-1, NO2-1, SO4-2 anyonlarının ortalama konsantrasyon değerlerinin sırasıyla 269, 29490, 38, 20094, 66937 ppb olduğu ve NO3-1 ve PO4-3 konsantrasyonlarının dedeksiyon limitlerinden daha düşük seviyede olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, sudaki ağır metallerin Tehlike Katsayısı (HQ) değerlerinin, bölgede As> Hg> Cd> Sr> Cr> Ba> Ni> Zn> Cu> Mn> Sb şeklinde sıralandığı görülmüştür. Bununla birlikte, analiz edilen 12 su örneğinin Tehlike İndeksi (HI) değerinin, ağır metal maruziyetine bağlı sağlık riski açısından limit değerden daha yüksek olduğu anlaşılmıştır. Pearson R testi uygulandığında, Cd ile Co ve Mg ile Sr katyonları arasındaki korelasyonların çok güçlü olduğu ve Sr ile As ve Mg ile As'in birbirleriyle anlamlı derecede ilişkili olduğu tespit edilmiştir. Bu tezin teorik bölümünde, topraktaki radyonüklit aktivite konsantrasyonları kullanılarak havada soğurulan gama doz hızının (ADRA) belirlenmesinde kullanılan doz dönüşüm faktörlerinin elde edilmesi için iki farklı metot uygulanmıştır. Bunlardan ilki 3 bilinmeyenli ve 4 değişkenli denklem sistemlerinin matris yoluyla çözümü, diğeri ise EGS-NRC kodunu kullanan yazılım yardımıyla Monte-Carlo metodu ile çözümü'dür. Matris çözümünde, 40K, 226Ra ve 232Th radyonüklidleri için doz dönüşüm faktörleri sırasıyla 0.0543 ± 0.0451, 0.485 ± 0.608 ve 0.550 ± 0.775 (nGy/sa)/(Bq/kg) olarak belirlenmiştir. Monte-Carlo çözümünde ise, 40K, 226Ra, 232Th ve 137Cs için doz dönüşüm faktörleri sırasıyla 0.0354 ± 0.0017, 0.340 ± 0.110, 0.508 ± 0.163 ve 0.117 ± 0.006 (nGy/sa)/(Bq/kg) olarak bulunmuştur.
-
ÖgeApplication of meshless RBF collocation methods to neutron diffusion and transport(Enerji Enstitüsü, 2016) Tanbay, Tayfun ; Özgener, Bilge ; 444186 ; Enerji Bilim ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesSon yıllarda ağsız yöntemler, bilim ve mühendisliğin birçok alanında fiziksel olayların modellenmesi amacıyla, sonlu farklar metodu, sonlu eleman metodu ve sınır eleman metodu gibi geleneksel yöntemlere alternatif hale gelmişlerdir. Bu yeni yöntemler sayesinde herhangi bir öntanımlı ağa ihtiyaç duymadan, kısmi diferansiyel, integral ve integrodiferansiyel denklemler tarafından betimlenen birçok problem sayısal olarak çözülmüştür. Literatürde farklı sayısal formülasyonlara bağlı olarak çeşitli ağsız yöntemler bulmak mümkündür. Bunlar içerisinde radyal baz fonksiyonu (RBF) kollokasyon yöntemi temel karakteristiği olan ağsızlığın yanında bazı önemli özellikleriyle diferansiyel denklemlerin çözümü için ideal bir sayısal yaklaşım metodudur. Öncelikle bu yöntem bir güçlü-form yöntemidir ve bu sebeple sayısal formülasyon içerisinde bir integrasyona ve dolayısıyla bir arkaplan ağına ihtiyaç duyulmaz. Bu özellik sayesinde RBF kollokasyon yöntemi diğer zayıf-form ağsız yöntemler ile karşılaştırıldığında, gerçek anlamda ağsız bir yöntem olarak sınıflandırılır. Bu yöntemin ikinci belirgin özelliği üstel yakınsama hızıdır. Problem bölgesini temsil etmek için oluşturulan nokta sayısı az bile olsa bu yakınsama hızı ile yüksek doğruluklu çözümler elde etmek mümkündür. Yöntemin dikkate değer bir diğer özelliği ise bilgisayar programlarındaki uygulama kolaylığıdır. RBF kollokasyon yönteminin programlama aşaması diğer ağsız ve ağ temelli yöntemlerin programlanmasına göre daha kolaydır. Bir diferansiyel denklemin RBF kollokasyonu ile sayısal çözümü aslında bir genelleştirilmiş interpolasyon problemidir. Problemi tanımlayan diferansiyel denklemin ve sınır koşullarının bağımlı değişkeni, ki bu çalışma kapsamında nötron akısı, radyal baz fonksiyonlarının sonlu bir serisi ile interpole edilir. Daha sonra bu yaklaşımla elde edilen denklemler, problem bölgesi boyunca düzenli veya rastgele bir biçimde dağıtılmış olan interpolasyon noktalarında sağlanırlar. Her ne kadar literatürde birçok radyal baz fonksiyonu bulunsa da, ilk kez yüzey uydurma için önerilmiş olan genelleştirilmiş multikuadrik fonksiyonu, bu fonksiyon sınıfında, hem fonksiyon yaklaşımı konusunda hem de diferansiyel veya integral denklemlerin sayısal çözümünde baskın hale gelmiştir. RBF kollokasyon yöntemi bugüne kadar birçok alanda bir çözüm aracı olarak kullanılmış olsa da bu yöntemin heterojen sistemlerin çözümündeki kullanımı kısıtlı kalmıştır. Yakın bir zamanda bu yöntemin ağırlıklı bir versiyonu, çok bölgeli katı mekaniği problemlerinin çözümü için önerilmiştir. Bu ağırlıklı yöntemde, interpolasyon noktası sayısı ve ortamın fiziksel parametrelerine bağlı olan ağırlıklar, sayısal yaklaşım sonucu iç bölgelerde ortaya çıkan hata ile sınır ve arayüzlerde açığa çıkan hatalar arasında bir dengeleme yapılarak belirlenmiştir. Çoğaltkan veya çoğaltkan olmayan bir ortamda nötronların davranışlarının belirlenmesi amacıyla, nötron difüzyon ve transport denklemleri üzerinde uzun bir süredir çalışılmaktadır. Bazı durumlarda analitik çözümler elde etmek mümkün olmakla birlikte nükleer teknolojinin ortaya koyduğu gerçekçi problemlerde güvenilir ve detaylı bir analiz yapabilmek için ileri seviyede sayısal yaklaşım yüntemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Tahmin edilebileceği gibi çok bileşenli karmaşık bir nükleer sistem için difüzyon yaklaşımı durumunda bile analitik bir çözüm elde etmek olanaksızdır. Nötron difüzyon ve transport denklemleri bugüne kadar sonlu farklar, sonlu eleman ve sınır eleman yöntemleri ile çözülmüş olup son yıllarda bilgisayarların hesaplama yeteneklerindeki gelişimle beraber bu alandaki çalışmalar yeniden hız kazanmıştır. Bu çalışmanın amacı zamandan bağımsız nötron difüzyon ve transport denklemlerinin RBF kollokasyon yöntemi ile sayısal olarak çözülmesi ve dolayısıyla bu umut vaat eden ağsız yöntemin nükleer reaktör fiziği alanına bir çözüm yöntemi olarak dahil edilmesidir. Bu kapsamda iki boyutlu çok gruplu nötron difüzyon denklemine hem homojen hem de heterojen ortamlarda radyal baz fonksiyonları ile yaklaşım yapılırken transport durumunda tek enerji grubuyla temsil edilen bir boyutlu problemler ele alınmıştır. Ağsız kollokasyon yönteminin performansı farklı durumlar için yapılan sayısal deneylerle değerlendirilmiş olup bu hesaplamalarla yöntemin doğruluğu, kararlılığı ve yakınsama hızı incelenmiştir. Homojen ortam durumunda beş difüzyon problemi RBF kollokasyonu ile çözülmüştür. Bu problemlerden bir tanesi dış kaynak problemiyken diğer dördü çok gruplu fisyon kaynağı problemleridir. Dış kaynak ve dört gruplu fisyon kaynağı problemleri detaylı olarak incelenmiştir ve RBF kollokasyon yönteminin performansı lineer şekil fonksiyonlu sonlu eleman ve sınır eleman yöntemleri ile karşılaştırılmıştır. Radyal baz fonksiyonu olarak multikuadrik, ters multikuadrik ve Gauss fonksiyonları kullanılmıştır. Elde edilen ortalama karekök hatası ve çoğaltma faktöründeki yüzde bağıl hata değerleri, doğruluk ve kararlılık dikkate alındığında, multikuadrik ve ters multikuadrik fonksiyonlarının Gauss baz fonksiyonuna göre daha başarılı olduğunu göstermiştir. Şekil parametresinin ince bir şekilde ayarlanmasıyla birlikte az sayıda interpolasyon noktası kullanılması durumunda bile yüksek doğruluklu çözümler bulunabileceği anlaşılmıştır. Ayrıca, yapılan hesaplarla, bu parametrenin değerinin arttırılmasıyla yöntemin yakınsama hızının geliştiği görülmüştür. Multikuadrik kollokasyon ile lineer sonlu eleman ve sınır eleman yöntemleri karşılaştırıldığında üstel yakınsama özelliğine sahip RBF kollokasyonunun çoğaltma faktörünün doğru bir biçimde belirlenmesindeki üstünlüğü ortaya konmuştur. Buna karşılık nötron akı dağılımı açısından en iyi sonuçlar sınır eleman yöntemi ile elde edilirken, sonlu eleman yöntemi ise kollokasyon yaklaşımından çok daha iyi bir hesaplama zamanına sahiptir. Çok bölgeli nötron difüzyon problemlerinde sayısal çözüm için RBF kollokasyon yönteminin hem geleneksel hem de ağırlıklı formları kullanılmıştır. Beş problem üzerinde durulmuş olup bunlardan ilki bir boyutlu iki bölgeli bir dış kaynak problemidir. Bu problemin çözümü, MATHEMATICA'nın rastgele hassasiyetle hesaplama özelliği kullanıldığında, RBF kollokasyonu ile olağanüstü doğruluk değerlerine ulaşılabileceğini göstermiştir. Bu problemin ardından analitik olarak çözülebilen iki boyutlu, iki bölgeli bir durum ele alınmış ve RBF kollokasyonunun her iki formuyla da iyi sonuçlar elde edilmiştir. Sonraki iki problem yapılarında köşe tekilliği içermektedir ve bu problemler üzerinde yapılan incelemeler, bölgeler arasındaki heterojenitenin yüksek olması durumunda geleneksel formla doğru sonuçlar elde edilebilirken, ağırlıklı RBF kollokasyonunun salınımlı ve hatalı sonuçlar ortaya çıkardığını göstermiştir. Çok bölgeli problemler kapsamında son olarak beş bölgeli bir Uluslararası Atom Enerjisi Komisyonu kıyaslama problemi üzerinde çalışılmıştır. Ağırlıklı kollokasyon yöntemi durumunda, köşe tekilliği ve yüksek heterojenite içeren problemde karşılaşılan sağlamlık eksikliği dikkate alınarak bu kıyaslama problemi yalnızca geleneksel form ile çözülmüştür. Elde edilen sayısal çoğaltma faktörü değerleri, kullanılan ağsız yöntemin çok bölgeli nötron difüzyon problemlerinin sayısal çözümü için etkin bir yöntem olduğunu göstermiştir. Bu çalışmadaki son görev nötron transport denkleminin RBF kollokasyonu ile sayısal olarak çözülmesidir. Hesaplamalarda açısal değişken için P_N yaklaşımı kullanılmış olup transport denklemi hem geleneksel hem de çift-parite formlarında çözülmüştür. İncelemede dört problem üzerinde durulmuştur. Dış kaynak problemi, çift-parite formunda, iki farklı yaklaşımla çözülebilir. P_3 yaklaşımı kullanıldığında elde edilen iki ikinci derece diferansiyel denklem tek bir dördüncü derece denkleme indirgenebilir ve yapılan hesaplamalar, sayısal modellemenin, bağlaşık ikinci derece denklemler üzerinden yapılması gerektiğini göstermiştir. İkinci problemde bir fisyon kaynağı durumu ele alınmış ve hem nötron akı dağılımı hem de çoğaltma faktörü için yüksek doğruluğa sahip sonuçlar bulunmuştur. Son olarak, üçüncü ve dördüncü örneklerde sırasıyla bir Pu-239 kıyaslama problemi durumu, eşyönlü ve eşyönsüz saçılma halleri için çözülmüştür. Eşyönlü problem her iki formla da incelenmiş olup elde edilen çoğaltma faktörü değerleri birbirleriyle neredeyse aynıdır. Bu sonuçlar ayrıca uzaysal değişken için sonlu fark ve sonlu eleman yaklaşımlarının kullanıldığı ayrık ordinat çözümleriyle de karşılaştılmış ve P_5 çözümünün S_8 sonucuna denk olduğu görülmüştür. Eşyönsüz problem transport denkleminin geleneksel formuyla çözülmüştür ve P_5 yaklaşımı altında bile RBF kollokasyon yöntemi iyi sonuçlar vermiştir.
-
ÖgeExperimental and numerical investigation of single and multiple droplet interactions with high-temperature surfaces(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Gültekin, Ahmet ; Çolak, Üner ; 698448 ; Enerji Bilim ve TeknolojiThe phenomenon of droplet impingement onto solid surface can be seen in several industrial applications such as ink-jet printing, fuel injection process in internal-combustion engines, spray coating, and spray cooling systems. For several decades, the importance of this phenomena has inspired several researchers' investigations in pursuit of a thorough understanding of the interactions between mass, momentum and heat transfer. However, despite many experimental and numerical studies, the effect of droplets on a solid surface is not fully understood. This problem becomes more complicated if the surface is heated during the impact and interacts with other droplets. In the literature, most of the studies have focused on single droplet impact, while those relating multiple droplet impacts are quite more limited. After the single droplet impact onto the solid surface, droplet starts to spread and a circular lamella takes shape. However, after multiple droplet impingement onto a solid surface, the interaction phenomenon will occur if the droplets are too close to each other based on their impact parameters. The hydrodynamic outputs and heat transfer activities of the droplets are very distinct from single droplet cases due to this interaction. This interaction phenomenon leads to uprising sheets which causes lesser spreading area per droplet on solid surface. The challenge of understanding of physical mechanism and modeling the phenomenon of spray cooling comes from the droplets' randomness and untraceable behavior. For that purpose, it is important to examine a simplified method with a known number of droplets. In addition, most of the studies available in the literature have provided limited quantitative data, such as spreading diameter, and lamella height. Recent developments in visualization and imaging technology provide significant advantages in measurement techniques. Spreading phase after droplet impingement is characterized by rapid energy conversions and dissipations within a small area. The major limitation lies in the difficulty of optically reaching the target region for non-invasive physical quantity measurements. The success of particle image velocity (PIV) measurement is especially noteworthy in such circumstances. This technique makes it possible to evaluate complex actions over time in more detail. Therefore, time-dependent radial velocity distribution of the droplets in the spreading phase was measured using the PIV technique. This thesis consists of two main sections: experimental and numerical studies. Experimental studies were carried out in the Visualization Laboratory at Tokyo University, Nuclear Engineering and Management Department. An experimental setup was designed and built to carry out experimental studies. To get simultaneous multiple droplet, a droplet generation and control system has been developed. In the experimental investigations, shadowgraph and PIV methods are used. In the simulation part of this thesis, hydrodynamics behavior and cooling performance of single and multiple droplets were investigated by using Computational Fluid Dynamics (CFD). StarCCM + (version 2019) has been used to perform numerical investigations on a workstation (4 cores 16 GB RAM). New numerical models have been developed for the liquid and gas phases including mass, momentum, and heat transfer equations based on the "Volume of Fluid" (VOF) method. These numerical models were validated with experimental data. 2-D axisymmetric VOF model has been used only for single droplet investigations whereas, 3-D VOF model has been used for multiple droplet interactions. The results obtained in this thesis are summarized as follows: Variation of uprising sheet height with dimensionless time is compared with an existing theoretical model. The theoretical model agrees with experimental results for initial phases. However, the experimental findings do not fully match with the theoretical findings in later phases owing to uprising sheet losing its balance. The contact time of a single droplet in the film boiling has been compared with available correlations in the literature and it has been observed that the experimental results are largely in agreement with available correlations. Also, a new empirical correlation is proposed. It is seen that MAPE value is 3.12% and correlation successfully represents the contact time. It has been observed that the rebound phenomenon for simultaneous and non- simultaneous double droplet cases take place faster comparing with a single droplet. This is more probably due to the less spreading area per droplet owing to droplet interaction. Also, using PIV method, the variation of radial velocity was examined inside the droplets for different temperatures. It was observed that radial velocity is linear over a comparatively wide range of spreading radius, but due to capillary and viscous forces with time, the radial velocity profiles took a non-linear shape in the exterior radial positions. At the high surface temperatures, particularly in later stages, increases the uncertainties in the radial velocity distribution in exterior radial locations because of intense disturbances are formed at the interface by the bubble nucleation. Afterwards, PIV data within the lamella were compared with a theoretical model at ambient temperature. For high We case, the analytical model highly agrees with linear sections of the radial velocity profiles. For moderate We case, during the early spreading phase, the model highly agrees with the linear pieces of radial velocity profiles in the inner radial positions. Partial linearity is still identified in the latter stages, but the theory differs from radial velocity profiles. Furthermore, the spreading velocities within droplet pair are examined at ambient temperature using PIV. Creation of uprising sheet leads to an upward flow which causes this extra stagnation point in the interaction region. Computational models for single droplet were validated by comparing qualitative shadowgraph images, spreading factor as well as radial velocity distributions within the droplet. For multiple droplet case, to validate computational model variation of the dimensionless uprising sheet with time was also compared. Total number of mesh elements are 125 000 and 7.5 × 106 for 2-D Axisymmetric and 3-D model, respectively. When vertical distance is close to each other, uprising sheet created by spreading liquid lamella collision still can be detected. However, when vertical distance is wider the uprising sheet could not be observed. Also, it is observed that decreasing vertical spacing leads to reaching maximum values of total spreading area and heat flow earlier. As the horizontal distance between the droplets gets shorter, the magnitude of interaction increases and the spreading area covered on the surface and heat transfer decreases. A mathematical expression is proposed to predict the dimensionless spreading area per droplet for multiple droplets impacting simultaneously on the solid surface taking into account the variation of spreading factor for a single droplet. Cooling efficiency and performance loss are defined to see the effect of droplet number taking into account the variation of heat flow for a single droplet. It was found that the interaction strongly effects the cooling performance especially in the first stages after the multiple droplet interaction.
-
ÖgeExtended Exergy Accounting (EEA) Analysis Of Turkish Society- Determination Of Environmental Remediation Costs(Enerji Enstitüsü, ) Seçkin, Candeniz ; Bayülken, Ahmet R. ; 333051 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesBu tez çalışmasında, kaynak kullanım verimliliği yönünden incelenmek üzere Turkiye örneği ele alınmış, motod olarak Extended Exergy Accounting (EEA, Genişletilmiş Ekserji Analizi) metodu uygulanış ve ulaşılan sonuçlar sunulmuştur. İlk olarak Dr. Enrico Sciubba tarafından geliştirilerek literatüre katılan ve ekserji bazlı bir kaynak kullanım analizi metodu olan EEA metodu, bugüne kadar literatüre katılmış hiçbir metodolojinin yapısında barındırmadığı bir yenilik sunularak, ele alınan sistemin, enerji yada ağırlık birimleri ile ifade edilebilen girdilerin yanında (enerji akışları ve materyal dışında), sisteme olan ?diğer? girişlerin - kapital, iş gücü ve çevresel etki - ekserji biriminde ifade edilmesi için yeni bir hesaplama metodu sunulmuştur. Metodun arkasındaki zihniyet, sistemin tükettiği kapital, işgücü ve çevresel etkinin giderilmesi için harcanan ekserjinin üretiminde kaynak kullanıldığı ve adı geçen ekserji tüketimlerinin de sistemin toplam kaynak kullanımı içerisinde ele alınması gerektiğidir. İş gücü ve kapitalin ekserji karşılıkları olarak, bunları yaratmak için gerekli olan kaynak tüketiminin ekserji değeri belirlenmektedir. Çevresel etki olarak ise, sistemden çıkan atığın temizlenmesi için gerekli kaynak kullanımının ekserji karşılığı hesaplanır. Sonuç olarak EEA, sistemin hertürlü kaynak tüketimini tek bir birimle (ekserji) ifade ederek birim bütünlüğünün sağlanmasının yanında, bugüne kadar hiç ele alınmamış olan ek akışların da sistem ekserji dengesi içerisine katılması ile ?genişletilmiş ekserji dengesi (extended exergetic balance)? kurulmasını sağlamakta ve adından da anlaşılır şekilde, şu anda literatürde olan en ?gelişmiş? ekserji bazlı kaynak kullanım analizi metodunu sunmaktadır. Özetle, EEA metodu ile yapılan analizlerde, sistemin her safhasında kullanılan malzeme, enerji, kapital, işçilik ve çevresel etki (ele alınan sisteminin atık ve emisyonlarının izin verilen sınırlar dahilinde tutulması için yapılacak işlemler) gibi faktörlerin hepsi analize katılarak ekserji biriminde ifade edilmiş ve sistemin kaynak kullanımı değerlendirmesine katılmıştır. Bu çalışmada, sistem olarak ele alınan Türkiye, EEA metodu ile incelenmiştir. Çalışmanın amacı: eylem yapıcı birimlere, ülke içerisinde kaynak kullanım kalitesinin değerlendirilmesi ve ülkenin daha kararlı ve sürdürülebilir çizgide varlığını devam ettirmesi için en mantıklı ve faydalı müdehale noktalarının bildirilmesidir. Çalışmada yapılan uygulama özetlenecek olursa: EEA ile yapılan ülke analizlerinde mutat olduğu üzere, ele alınan ülke 7 sektörel bölüme ayrılmakta ve birbiri arasındaki ekserji alışverişleri analiz edilmektedir. Bu sektörlerin kendi içindeki ekserji akışlarının yanında çevre ile (Environment, ENV) ve diğer ülkeler (Abroad, A) ile etkileşimi de hesaplamalara dahil edilmektedir. Söz konusu 7 sektörel bölüm ve kapsadığı faliyetler şunlardır: EX (Madencilik Sektörü): Hammadde çıkarma ve işleme (Petrol ve doğal gaz çıkarma ve rafineri işlemleri dahil) CO (Dönüşüm Sektörü): Enerji üretim tesisleri (rafineriler, ısı ve elektrik üretimi) AG (Tarım Sektörü): Tarım ve hayvancılık faliyetleri IN (Endüstri Sektörü): Endüstriyel faliyet kolları (rafineriler hariç) TR (Ulaştırma Sektörü): Ulaştırma faliyetleri TE (Servis sektörü): Servis faliyetleri (otel, eğitim, danışmanlık vs. hizmetleri) DO (Hanehalkı): Ev içi kullanım ve üretime dayalı faliyetler Yukarıda özetlenen EEA metodolojisinin Türkiye uygulamasının tez içinde sunulmasının yanısıra, bugüne kadar literatürde ilk defa görülür şekilde, sektörel katı, sıvı ve gaz atıkların çevresel etki maliyetleri, EEA metodu içerinde sunulan orjinal tanım ve teori doğrultusunda hesaplanmıştır. Diğer bir değişle, bugüne kadar literatürde uygulanan: atık temizleme faliyetlerinin gerektirdiği parasal yatırımın ekserji karşılığını ?çevresel etki maliyeti? olarak kabul eden pratik fakat sentetik ve metodun doğasını yansıtmayan yaklaşımın dışına çıkarak, çevresel etki maliyetleri, gerçek sistemler ele alınarak, EEA içerisinde sunulan orjinal tanımına uygun olarak hesaplanmıştır. Çevresel etkinin ekserjetik maliyetinin hesaplanmasında ele alınan sistemlerin ticari olarak aktif, teknik olarak bilinen ve yaygınlıkla kullanılan sistemler olmasına dikkat edilmiştir. Bu amaçla, 1) günümüzde atık su ve katı atık islahı için sıklıkla kullanılan ve atıktan, yaklaşık 98% saflıkta metan oranına sahip olan -bir nevi doğal gaz alternatifi- bir tür yakıt (biyogaz) ürtilmesini sağlayan anaerobik çürütme (anaerobic digestion) prosesi 2) dönüştürülebilir atıklar için geridönüşüm tabanlı sistem seçimleri yapılmış ve bu çalışma dahilinde analiz edilmiştir. Katı atık söz konusu olduğunda, atık türlerinin atık kompozisyonu içindeki oranları değişmekle beraber, DO, IN ve TE Sektörlerin katı atık bileşiminin ayni maddelerden oluştuğu göz önüne alınarak aynı proses zinciri içinde atık giderimi incelenmiştir. Özetle: atığın organik kısmı anaerobik çürütme prosesine tabi tutularak elde edilen biyogaz bir kojenerasyon tesisinde yakıt olarak kullanılmış ve elektrik ve ısı üretilmiştir. Inorganik kısım ise olabilecek maksimum oranda geridönüşüme uğradıktan sonra, geridönüşümsüz kısım yakma tesinde yakılarak ısı ve elektrik üretilmiştir. Geridönüsüm işlemleri sırasında oluşan artık kısım, düzenli depolama yapılmıştır. EX Sektör atığı, doğadan gelip tekrar depolama yolu ile doğaya terk edildiğinden incelenmemiştir. CO Sektör atığı içerisinde de yukarıda sayılan sektörlerin atık bileşiminde bulunan maddeler olduğundan yukarıda özetlenen atık giderimi sistemlerine ek olarak, rafineri atıkları için IGCC (integrated gasification combined cycle, entegre gazlaştırma kombine çevrim) sistemi ile enerji üretimi yapılmıştır. AG Sectör katı atığı olarak ele alınan hayvan ve bitki artıkları, anaerobik çürütme prosesinden geçirilmiş, oluşan biyogaz enerji üretiminde kullanılmıştır. TR Sektör atığı, tamamen farklı bir bileşime sahip olduğundan, sektöre özel bir yaklaşımla, taşıtların parçalanmasından sonra geri dönüşüm prosesi yapılmış, atık lastikler ise yakılarak ısı ve elektrik üretiminde değerlendirilmiştir. Geri dönüşüm işlemi artıkları ve yanmadan arta kalan kül, düzenli depolama ile yok edilmiştir. TR Sektör atığı olarak, sadece kara yolu atıkları incelemeye alınmıştır. Türkiyedeki ulaştırma sisteminin ne derece kara yoluna dayandığı dikkate alınırsa atığın büyük kısmının kara yolu taşıtlarından üretilmesini beklemek mantıklıdır. Ayrıca diğer ulaştırma motlarının ürettiği atık üzerine veri yoktur. Gaz emisyonlar için, güvenli ve düzenli bir veri analizinin ulaşılabilir olduğu CO2, CH4 ve N2O gazları ve bunların giderilmesi ele alınmıştır. Zaten kendisi bir yakıt olarak kullanılabilir olan CH4 enerji üretiminde değerlendirilerek, bu sistemin EEA analizi sunulmuştur. CO2 giderimi için CO2'nun Ca ile reaksiyonu sonucu CaCO3 üretimine dayanan bir sistemden faydalanılmıştır. N2O için ise N2O'nun yüksek sıcaklıkta dekompozisyonuna dayanan bir sistem incelenmiştir. Sıvı atıklar için ise, Türkiye'nin DO Sektörü tarafından üretilen evsel sıvı atık ele alınmıştır. Türkiye'ye özgü datalar incilendiğinde, atığın bir kısmının hiç işlem görmediği, bir kısmının ise çeşitli kademelerde arıtma proseslerine uğradıktan sonra ?arıtma çamuru? oluştuğu ve bu çamurun düzenli depolama ile gömüldüğü bilinmektedir. Bu çalışmada hem hiç proses görmemiş atık suyun hem de üretilen çamurun anaerobik çürütülmesi yolu ile bertarafının çevresel etki maliyetleri bulunmuştur. Diğer sektörel atıklar için de, çevresel etki maliyetinin evsel sıvı atık ile aynı olduğu kabul edilerek diğer sektörler için işlem yapılmıştır. Bu yaklaşımın gerekliliği, her sektörlerün atık su bileşimlerine ait bir veri kaynağının Türkiye için olmaması ve bu derece ayrıntılı bir analizin zaman ve hacim olarak sınırlı böylesi bir tez çalışması içinde mümkün olmadığı göz önüne alınarak açıklanabilir. Diğer bir çevresel etki ekserji maliyeti araştırması, sektörlerden atmosfere deşarj edilen ısının giderimi için yapılmıştır. Söz konusu ısı, en büyük oranda ve en yüksek sıcaklıkda baca gazları yolu ile atmosfere verildiği için baca gazları ele alınmış ve ortalama baca gazı bileşimlerinden yola çıkarak, atık gazların çevre ile aynı sıcaklığa getirilmesi için kullanılan ORC (Organic Rankine Cycle) sisteminden elektrik üretilminin EEA analizi sunulmuştur. Yukarıda anlatılan çevresel etki ekserji maliyetleri ve sektörel verimler sonuç bölümünde özetlenerek sunulmuştur. Bulunan sonuçların ayrıntılı incelemesi de sonuç bölümünde görülmektedir. Sonuçlara göre EX, CO, AG, IN, TR, TE ve DO Sektörlerin EEA analizi verimleri 91%, 43%, 0,13%, 57%, 48%, 87% ve 99% olarak belirlenmiştir.
-
ÖgeExtended exergy accounting (EEA) analysis of Turkish society- determination of environmental remediation costs(Enerji Enstitüsü, 2013) Candeniz, Seçkin ; Bayülken, Ahmet R. ; 333051 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesBu tez çalışmasında, kaynak kullanım verimliliği yönünden incelenmek üzere Turkiye örneği ele alınmış, motod olarak Extended Exergy Accounting (EEA, Genişletilmiş Ekserji Analizi) metodu uygulanış ve ulaşılan sonuçlar sunulmuştur. İlk olarak Dr. Enrico Sciubba tarafından geliştirilerek literatüre katılan ve ekserji bazlı bir kaynak kullanım analizi metodu olan EEA metodu, bugüne kadar literatüre katılmış hiçbir metodolojinin yapısında barındırmadığı bir yenilik sunularak, ele alınan sistemin, enerji yada ağırlık birimleri ile ifade edilebilen girdilerin yanında (enerji akışları ve materyal dışında), sisteme olan ?diğer? girişlerin - kapital, iş gücü ve çevresel etki - ekserji biriminde ifade edilmesi için yeni bir hesaplama metodu sunulmuştur. Metodun arkasındaki zihniyet, sistemin tükettiği kapital, işgücü ve çevresel etkinin giderilmesi için harcanan ekserjinin üretiminde kaynak kullanıldığı ve adı geçen ekserji tüketimlerinin de sistemin toplam kaynak kullanımı içerisinde ele alınması gerektiğidir. İş gücü ve kapitalin ekserji karşılıkları olarak, bunları yaratmak için gerekli olan kaynak tüketiminin ekserji değeri belirlenmektedir. Çevresel etki olarak ise, sistemden çıkan atığın temizlenmesi için gerekli kaynak kullanımının ekserji karşılığı hesaplanır. Sonuç olarak EEA, sistemin hertürlü kaynak tüketimini tek bir birimle (ekserji) ifade ederek birim bütünlüğünün sağlanmasının yanında, bugüne kadar hiç ele alınmamış olan ek akışların da sistem ekserji dengesi içerisine katılması ile ?genişletilmiş ekserji dengesi (extended exergetic balance)? kurulmasını sağlamakta ve adından da anlaşılır şekilde, şu anda literatürde olan en ?gelişmiş? ekserji bazlı kaynak kullanım analizi metodunu sunmaktadır. Özetle, EEA metodu ile yapılan analizlerde, sistemin her safhasında kullanılan malzeme, enerji, kapital, işçilik ve çevresel etki (ele alınan sisteminin atık ve emisyonlarının izin verilen sınırlar dahilinde tutulması için yapılacak işlemler) gibi faktörlerin hepsi analize katılarak ekserji biriminde ifade edilmiş ve sistemin kaynak kullanımı değerlendirmesine katılmıştır.Bu çalışmada, sistem olarak ele alınan Türkiye, EEA metodu ile incelenmiştir. Çalışmanın amacı: eylem yapıcı birimlere, ülke içerisinde kaynak kullanım kalitesinin değerlendirilmesi ve ülkenin daha kararlı ve sürdürülebilir çizgide varlığını devam ettirmesi için en mantıklı ve faydalı müdehale noktalarının bildirilmesidir. Çalışmada yapılan uygulama özetlenecek olursa: EEA ile yapılan ülke analizlerinde mutat olduğu üzere, ele alınan ülke 7 sektörel bölüme ayrılmakta ve birbiri arasındaki ekserji alışverişleri analiz edilmektedir. Bu sektörlerin kendi içindeki ekserji akışlarının yanında çevre ile (Environment, ENV) ve diğer ülkeler (Abroad, A) ile etkileşimi de hesaplamalara dahil edilmektedir. Söz konusu 7 sektörel bölüm ve kapsadığı faliyetler şunlardır:EX (Madencilik Sektörü): Hammadde çıkarma ve işleme (Petrol ve doğal gaz çıkarma ve rafineri işlemleri dahil)CO (Dönüşüm Sektörü): Enerji üretim tesisleri (rafineriler, ısı ve elektrik üretimi)AG (Tarım Sektörü): Tarım ve hayvancılık faliyetleriIN (Endüstri Sektörü): Endüstriyel faliyet kolları (rafineriler hariç)TR (Ulaştırma Sektörü): Ulaştırma faliyetleriTE (Servis sektörü): Servis faliyetleri (otel, eğitim, danışmanlık vs. hizmetleri)DO (Hanehalkı): Ev içi kullanım ve üretime dayalı faliyetlerYukarıda özetlenen EEA metodolojisinin Türkiye uygulamasının tez içinde sunulmasının yanısıra, bugüne kadar literatürde ilk defa görülür şekilde, sektörel katı, sıvı ve gaz atıkların çevresel etki maliyetleri, EEA metodu içerinde sunulan orjinal tanım ve teori doğrultusunda hesaplanmıştır. Diğer bir değişle, bugüne kadar literatürde uygulanan: atık temizleme faliyetlerinin gerektirdiği parasal yatırımın ekserji karşılığını ?çevresel etki maliyeti? olarak kabul eden pratik fakat sentetik ve metodun doğasını yansıtmayan yaklaşımın dışına çıkarak, çevresel etki maliyetleri, gerçek sistemler ele alınarak, EEA içerisinde sunulan orjinal tanımına uygun olarak hesaplanmıştır.Çevresel etkinin ekserjetik maliyetinin hesaplanmasında ele alınan sistemlerin ticari olarak aktif, teknik olarak bilinen ve yaygınlıkla kullanılan sistemler olmasına dikkat edilmiştir. Bu amaçla,1) günümüzde atık su ve katı atık islahı için sıklıkla kullanılan ve atıktan, yaklaşık 98% saflıkta metan oranına sahip olan -bir nevi doğal gaz alternatifi- bir tür yakıt (biyogaz) ürtilmesini sağlayan anaerobik çürütme (anaerobic digestion) prosesi2) dönüştürülebilir atıklar için geridönüşümtabanlı sistem seçimleri yapılmış ve bu çalışma dahilinde analiz edilmiştir.Katı atık söz konusu olduğunda, atık türlerinin atık kompozisyonu içindeki oranları değişmekle beraber, DO, IN ve TE Sektörlerin katı atık bileşiminin ayni maddelerden oluştuğu göz önüne alınarak aynı proses zinciri içinde atık giderimi incelenmiştir. Özetle: atığın organik kısmı anaerobik çürütme prosesine tabi tutularak elde edilen biyogaz bir kojenerasyon tesisinde yakıt olarak kullanılmış ve elektrik ve ısı üretilmiştir. Inorganik kısım ise olabilecek maksimum oranda geridönüşüme uğradıktan sonra, geridönüşümsüz kısım yakma tesinde yakılarak ısı ve elektrik üretilmiştir. Geridönüsüm işlemleri sırasında oluşan artık kısım, düzenli depolama yapılmıştır. EX Sektör atığı, doğadan gelip tekrar depolama yolu ile doğaya terk edildiğinden incelenmemiştir. CO Sektör atığı içerisinde de yukarıda sayılan sektörlerin atık bileşiminde bulunan maddeler olduğundan yukarıda özetlenen atık giderimi sistemlerine ek olarak, rafineri atıkları için IGCC (integrated gasification combined cycle, entegre gazlaştırma kombine çevrim) sistemi ile enerji üretimi yapılmıştır. AG Sectör katı atığı olarak ele alınan hayvan ve bitki artıkları, anaerobik çürütme prosesinden geçirilmiş, oluşan biyogaz enerji üretiminde kullanılmıştır. TR Sektör atığı, tamamen farklı bir bileşime sahip olduğundan, sektöre özel bir yaklaşımla, taşıtların parçalanmasından sonra geri dönüşüm prosesi yapılmış, atık lastikler ise yakılarak ısı ve elektrik üretiminde değerlendirilmiştir. Geri dönüşüm işlemi artıkları ve yanmadan arta kalan kül, düzenli depolama ile yok edilmiştir. TR Sektör atığı olarak, sadece kara yolu atıkları incelemeye alınmıştır. Türkiyedeki ulaştırma sisteminin ne derece kara yoluna dayandığı dikkate alınırsa atığın büyük kısmının kara yolu taşıtlarından üretilmesini beklemek mantıklıdır. Ayrıca diğer ulaştırma motlarının ürettiği atık üzerine veri yoktur.Gaz emisyonlar için, güvenli ve düzenli bir veri analizinin ulaşılabilir olduğu CO2, CH4 ve N2O gazları ve bunların giderilmesi ele alınmıştır. Zaten kendisi bir yakıt olarak kullanılabilir olan CH4 enerji üretiminde değerlendirilerek, bu sistemin EEA analizi sunulmuştur. CO2 giderimi için CO2'nun Ca ile reaksiyonu sonucu CaCO3 üretimine dayanan bir sistemden faydalanılmıştır. N2O için ise N2O'nun yüksek sıcaklıkta dekompozisyonuna dayanan bir sistem incelenmiştir.Sıvı atıklar için ise, Türkiye'nin DO Sektörü tarafından üretilen evsel sıvı atık ele alınmıştır. Türkiye'ye özgü datalar incilendiğinde, atığın bir kısmının hiç işlem görmediği, bir kısmının ise çeşitli kademelerde arıtma proseslerine uğradıktan sonra ?arıtma çamuru? oluştuğu ve bu çamurun düzenli depolama ile gömüldüğü bilinmektedir. Bu çalışmada hem hiç proses görmemiş atık suyun hem de üretilen çamurun anaerobik çürütülmesi yolu ile bertarafının çevresel etki maliyetleri bulunmuştur. Diğer sektörel atıklar için de, çevresel etki maliyetinin evsel sıvı atık ile aynı olduğu kabul edilerek diğer sektörler için işlem yapılmıştır. Bu yaklaşımın gerekliliği, her sektörlerün atık su bileşimlerine ait bir veri kaynağının Türkiye için olmaması ve bu derece ayrıntılı bir analizin zaman ve hacim olarak sınırlı böylesi bir tez çalışması içinde mümkün olmadığı göz önüne alınarak açıklanabilir.Diğer bir çevresel etki ekserji maliyeti araştırması, sektörlerden atmosfere deşarj edilen ısının giderimi için yapılmıştır. Söz konusu ısı, en büyük oranda ve en yüksek sıcaklıkda baca gazları yolu ile atmosfere verildiği için baca gazları ele alınmış ve ortalama baca gazı bileşimlerinden yola çıkarak, atık gazların çevre ile aynı sıcaklığa getirilmesi için kullanılan ORC (Organic Rankine Cycle) sisteminden elektrik üretilminin EEA analizi sunulmuştur.Yukarıda anlatılan çevresel etki ekserji maliyetleri ve sektörel verimler sonuç bölümünde özetlenerek sunulmuştur. Bulunan sonuçların ayrıntılı incelemesi de sonuç bölümünde görülmektedir. Sonuçlara göre EX, CO, AG, IN, TR, TE ve DO Sektörlerin EEA analizi verimleri 91%, 43%, 0,13%, 57%, 48%, 87% ve 99% olarak belirlenmiştir.
-
ÖgeGazların Termod Nam K Davranışlarında Kuantum Ölçek Etkiler(Enerji Enstitüsü, ) Fırat, Coşkun ; Şişman, Altug ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesÖzellikle yarı iletken teknolojisindeki ilerlemelere paralel olarak gelişen nano teknoloji bugün mikro ve nano ölçekte mekanik donanımların ve sistemlerin yapımını da olanaklı hale getirmiştir. Nano ölçekte mekanik yapıların üretilebilir hale gelmesi ve mikro/nano ölçekte türbinler, pompalar, karıştırıcılar, ısı değiştiricileri, valfler vb. donanımların gerçekleştirilmeye başlamasıyla birlikte bu ölçekte gazların termodinamik özelliklerinin ne şekilde değiştiği, nasıl modellenebileceği, bu değişimlerden nasıl yararlanabileceği, olası yeni davranışlara dayalı yeni cihazların/teknolojilerin nasıl geliştirilebileceği gibi sorular da gündeme gelmeye başlamıştır. Bu çerçevede gazların termodinamik davranışları üzerinde kuantum ölçek etkilerinin araştırılması da göreceli olarak yeni ve güncel bir konuyu oluşturmaktadır. Bu nedenle mikro/nano ölçekte gazların termodinamiği konusu yarı iletkenlere göre daha yeni bir çalışma alanını oluşturmakta ve enerji teknolojilerinden savunma teknolojilerine kadar birçok alanda uygulama potansiyelini barındırmaktadır. Nano ölçekte gazların termodinamik özellikleri makro ölçektekinden farklılık gösterir. Bu farklılığın nedenlerinden biri olan kuantum ölçek etkisi; sistemin karakteristik boyutu (L=V/A, V:hacim, A:yüzey alanı) yanında, parçacıkların termal de Broglie dalga boyunun ( ) ihmal edilemediği durumlarda önem kazanır. Böyle bir durumda, parçacıkların enerji değerlerine ilişkin süreklilik yaklaşımı da geçerliliğini yitirir ve kesiklilik, sistemin davranışlarında özellikle nano ölçekte belirgin hale gelen kuantum ölçek etkilerinin ortaya çıkmasına yol açar. Kuantum ölçek etkileri, termodinamik hal fonksiyonlarını sistemin geometri (şekil) ve ölçeğine bağımlı hale getirerek, makro ölçekte karşılaşılmayan yeni ve ilginç davranışlara yol açar. Bunların arasında anizotropik gaz basıncı, ölçek ve geometri farkından kaynaklanan gaz difüzyonu, termoelektrik etkilere benzer termoölçek etkilerinin ortaya çıkması ve kütleye bağımlı büyüklüklerin (extensive quantities) toplanabilirlik (additivity) özelliğinin ortadan kalkması sayılabilir. Literatürde gazların termodinamik özelliklerinin tutuklandıkları domenin şekil ve ölçeğine olan bağımlılığı sadece global özelliklerle sınırlı olarak son yıllarda incelenmeye başlanmıştır. Global termodinamik özellikler üzerindeki kuantum ölçek etkileri ise literatürde Schrödinger denkleminin analitik çözümünün mümkün olabildiği dikdörtgen, silindir ve küresel tek bölgeli basit geometriler için incelenmiş olup çalışmalar Maxwell-Boltzmann istatistiğine uyan klasik ideal gazlarla sınırlı bulunmaktadır. Öte yandan gerçek sistemlerde tek bölgeli geometrik yapılar yerine çoğunlukla çok bölgeli geometrik yapılarla karşılaşılmaktadır. Hem global termodinamik özelliklerdeki şekil ve ölçek bağımlılığının fiziksel mekanizmalarının detaylı olarak anlaşılabilmesi için hem de denge dışı termodinamikte yaygın olarak kullanılan yerel denge varsayımına dayalı modeller için yerel termodinamik özelliklerin de incelenmesi ayrıca önem taşımaktadır. Bunun yanı sıra, düşük sıcaklıklarda parçacıkların termal de Broglie dalga boyunun büyümesi nedeniyle kuantum ölçek etkilerinin önemi artmakta ve buna bağlı olarak çalışmaya konu olan geometri ve ölçek bağımlılığı şiddetlenmektedir. Düşük sıcaklık koşullarında önemi daha da artan bu bağımlılığın incelenebilmesi için Maxwell-Boltzmann istatistiği yerine Bose-Einstein ve Fermi-Dirac istatistiklerine dayanan modellerin kullanılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasının temel amacı; nano ölçekte tutuklanmış gazların global ve yerel termodinamik büyüklükleri üzerinde kuantum ölçek etkilerinin incelenebileceği bir model geliştirerek, termodinamik davranışlar üzerinde bu etkilerin hangi mekanizmayla ve hangi büyüklükte gerçekleştiğini belirlemektir. Ayrıca bu etkilerin, sıcaklık, ölçek, şekil vb. kontrol parametreleri ile nasıl ve ne kadar değiştiğini incelemek de tezin temel amacıdır. 105T086 no.lu uluslararası bir TÜBİTAK projesi kapsamında gerçekleşen bu tez çalışmasında elde edilen teorik öngörülerin deneysel doğrulaması için, Physikalisch Technische Bundesanstalt-Berlin (PTB-Berlin) ile işbirliği çerçevesinde bir deney planlanmış olup gereken nano ölçekli yapılar üretilmiştir. Bu tez çalışmasında, hal yoğunluğu için Weyl varsayımı kullanılarak keyfi bir domende tutuklanmış klasik ve kuantum gazlarının serbest enerjisi (Helmholtz) üzerinde kuantum ölçek etkileri genelleştirilerek global termodinamik özellikler türetilmiştir. Nano ölçekte, gazlarda klasik olarak gözlenmeyen yanal kuvvetlerin ortaya çıktığı gösterilmiştir. Gazların yerel yoğunluk dağılımı üzerinde kuantum ölçek etkileri öncelikle Schrödinger denkleminin analitik çözümlerinin mümkün olabildiği dikdörtgen, küre ve silindirik geometrilerde ele alınmıştır. Analitik çözümün mümkün olmadığı seçilmiş bazı geometrilerde tutuklanmış Maxwellian ve kuantum gazlarının yerel yoğunluk dağılımları sayısal çözümlemelerle incelenmiştir. Gazların yerel yoğunluğunun termodinamik denge durumunda dahi homojen olmadığı ve gaz yoğunluğunun domen sınırlarında sıfır değerine gittiği bir kuantum sınır tabakasının olduğu gösterilmiştir. Gerek yerel yoğunluk dağılımı ve gerekse bu tabakanın kalınlığı ile ilişkili analitik ifadeler Maxwellian, Fermi ve Bose gazları için ayrı ayrı elde edilmiştir. Maxwellian ve Bose gazlarından farklı olarak Fermi gazının yoğunluk dağılımında Friedel salınımlarının oluştuğu görülmüştür. Kuantum sınır tabakasının kuantum ölçek etkilerinin sebebi olduğu ve tüm domenlerde aynı gaz tipi için aynı kalınlık ifadesine sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca parçacıklarla sınırlar arasındaki Lennard-Jones (LJ) tipi etkileşmelerin yerel yoğunluk üzerinde yol açtığı değişimler kuantum ölçek etkileri de göz önüne alınarak modellenmiş ve salt LJ etkileşmelerinin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen teorik sonuçların deneysel doğrulamasının yapılabilmesi amacıyla da bir deney önerisinde bulunulmuştur.
-
ÖgeIncipient Fault Detection in Wind Turbines(Energy Institute, 2019-06-21) Taşkıner, Ayşe Gökçen Kavaz ; Barutçu, Burak ; 10306883 ; Energy Sciences and Technologies ; Enerji Bilim ve TeknolojiThe global goal of increasing the share of renewable energy supplies in the overall energy consumption has resulted in a rising focus on technological developments in this field. Wind energy is one of the promising options amongst renewable energy sources with a growing number of investments and rising installation number and capacities. Due to the increasing demands from wind energy industry, the requirement of more effective wind farm operations has emerged. Wind turbine maintenance systems are essential parts towards achieving this requirement. Today, maintenance of wind turbines is mostly based on preventive and corrective actions. However, these approaches are inadequate to meet current demands from wind energy industry. With the developments in computational capabilities and data collection systems, a high potential of using advanced data-driven techniques has appeared for the maintenance of wind turbines. This thesis proposes a predictive maintenance approach using data which were collected from a wind turbine Supervisory Control and Data Acquisition System (SCADA). SCADA is the primary interface between the wind farm operators and wind turbines which allows remote and local control and monitoring. Various kinds of data are collected by SCADA systems such as wind parameters, temperature values, operational and status data. It is a built-in part in most medium and large-scale modern wind turbines. Therefore, a major advantage of using SCADA data for fault detection purposes is that additional hardware costs are not required. However, there are imperfections in the data such as low sampling frequency and high ratio of missing values. To handle these disadvantages, a suitable approach is required which was provided by Artificial Neural Networks (ANN) in this thesis. Moreover, wind turbines are highly non-linear systems with complex control parts and ANN models are also powerful on handling such complex systems. By this way, this thesis aims to design a cost-effective maintenance system for the overall wind turbine. Firstly, a sensor validation technique to detect faults of temperature sensors was designed. The method solely uses sensor measurements to detect calibration drifts by analyzing a set of sensors located on components with similar temperature characteristics. Auto-Associative and Multi-Input-Single-Output ANN structures were employed. The concurrent use of them provided the best outputs on the detection of the simulated calibration drift. The results prove that, validation of sensors can be realized by continuously monitoring sensor readings. It is advantageous as there is no need of dismantling sensors to test their calibration. Also, this method is a cost-effective solution in terms of not requiring redundant sensor use. After the sensor validation part, a 3-level fault classification system to detect, isolate and predict wind turbine faults was realized. The types of faults attempted in this part are frequent and non-fatal wind turbine faults. Distinguishing these kind faults is a challenging task because they do not show as strong indications as fatal faults do. However, as they are observed frequently in all wind turbines and decrease turbine performance, detection of them is a significant research topic. The core part of algorithms employed in this part is ANN models, in addition to them assistive methods were also designed to increase the fault classification performance. For the initial step of this part, feature construction and selection techniques were employed to find out an effective subset of inputs to be used as inputs of ANN models. These pre-processing tasks are important to design fast and accurate models as performance of algorithms strongly depend on the feature representation of input data in artificial intelligence applications. Raw data collected by the SCADA system were used to generate new features that possibly give more information about the hidden relations indicating fault occurences comparing to the raw features. In the feature selection step, both raw and constructed features were analyzed to identify a subset of relevant features to reduce computational burden and increase accuracy of models. Two different feature selection methods were used in a hybrid way, which are filter and wrapper-based methods. The results show that, the feature construction and selection algorithms designed are useful especially in terms of reducing false fault alarms which is an important issue in fault detection systems built using SCADA data. Finally, a 3-level classification scheme for wind turbine faults was designed using ANN models. By this way, a complete system was formed that provides required information by wind farm operators to take actions or measures in case of a current or an upcoming fault. In the detection level, the status of the turbine was analyzed to find out if the turbine is in a normal or a faulty mode. In the fault isolation level, the specific subsystem subjected to fault was attempted to be found. Therefore, this level includes distinguishing detected faults from each other. Finally, in the fault prediction level it was aimed to predict faults in advance to inform operators for possible prevention or repairing actions. We have obtained comprehensive results proving that the proposed methods are effective in all levels of fault classification. Our findings support the idea that despite the shortcomings of SCADA data, ANN models used with assistive methods are powerful on the classification of wind turbine faults. As a result, this thesis contributes to efforts of designing a cost-effective predictive maintenance approach for wind turbines.
-
Ögeİki Bölgeli Ortamda İki Boyutlu Ve İki Gruplu Nötron Difüzyon Denklemlerinin Çözümünde Sınır Elemanları Ve Sonlu Elamanlar Yöntemlerinin Birlikte Kullanımı(Enerji Enstitüsü, ) Çavdar, Sükran ; Özgener, H.atilla ; 181626 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesBu çalışma, Sınır Elemanları Yöntemi (Boundary Element Method-BEM) ve Sonlu Elemanlar Yöntemi (Finite Element Method-FEM)'ni birlikte kullanan Bileşik Yöntem (Combined Method), iki boyutlu, iki bölgeli ve iki gruplu nötron difüzyon denklemlerine uygulamak amacıyla gerçekleştirilmiştir. Ele alınan ortamın, fisyon olayının gerçekleştiği reaktör kalbi ve onun etrafını iki taraftan saran yansıtıcıdan oluştuğu varsayılmıştır. Kalp hesaplarında Sonlu Elemanlar Yöntemi; yansıtıcı hesaplarında Lineer Sınır Elemanları kullanılmıştır. Her iki bölge için yapılan işlemlerde, kalp ve yansıtıcı arayüzünde hem akı, hem de akım değerleri bilinmeyen olarak kalmaktadır. Elde edilen denklem sistemleri sınır ve arayüz koşulları kullanılarak genel sistem denklemlerine dönüştürülmüş ve çözülmüştür. Gerçekleştirilen formülasyonlara uygun olarak NEDPCM yazılımı geliştirilmiştir. Yazılımdan elde edilen sonuçlar, ele alınan problemlerin analitik çözümleri ile karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler : Sonlu Elemanlar Yöntemi, Sonlu Elemanlar Yöntemi, Bileşik Yöntem, Nötron Difüzyon Denklemi Bilim Dalı Sayısal Kodu: 622.01.01
-
ÖgeKuantum Ölçek Etkileri Altında Termoelektrik Ve Termoölçek Potansiyeller(Enerji Enstitüsü, 2017-05-04) Karabetoğlu, Sevan ; Şişman, Altuğ ; 301102007 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesFosil yakıt tabanlı enerji üretim teknolojilerinin içerdikleri basamaklı enerji dönüşüm süreçleri sebebiyle düşük verimli olmalarından ve çevreye olumsuz etkilerinden ötürü doğrudan enerji dönüşüm teknolojilerine yönelim artmaya devam etmektedir. Özellikle atık ısı geri kazanımı konusunda kendine yer bulan termoelektrik dönüştürücüler, görece düşük verimlerine rağmen uygulamadaki birçok avantaja sahiptir. Bu sebeple ısı ve elektrik enerjisi arasındaki doğrudan dönüşüm teknolojilerinin başında gelmektedir. Termoelektrik cihazların verimlerini arttırmak için kilit nokta, yapılarındaki yarı iletken malzemelerin transport özelliklerini optimize (en iyileme) etmektir. Yığın malzeme tabanlı dönüştürücülerde bu yöntem sınırlı bir verim artışına sebep olduğu için nano ölçekte malzeme geliştirme yöntemleri son yıllarda termoelektrik alanında da kendine geniş bir çalışma alanı yaratmıştır. Literatürde yapılan en iyileme ve karakterizasyon çalışmalarını yığın ve nano yapılı termoelektrik cihazlar şeklinde gruplamak mümkündür. Termoelektrik dönüşüm verimleriyle doğrudan ilişkili olan ZT (figure of merit) değerini arttırmak amacıyla yığın yapılı malzemelerde katkılandırma işlemi oldukça yaygındır. Ancak bu katkılandırma yöntemleri ile ulaşılabilen ZT değeri sınırlıdır. Bu bağlamda, ancak tutuklanmış yapılarla üretilen veya nano ölçekte malzeme içeren termoelektrik yapılarla termoelektrik dönüşümün verimi konvansiyonel değerlerin üzerine taşınabilmiştir. Kuantum ölçek etkilerinin; parçacıkların dalga karakterinin ihmal edilemediği koşullarda enerji özdeğerlerinin kesikli değerlerinin önem kazanması sebebiyle ortaya çıktığı ve bu etkiler altında malzemelerin termodinamik ve transport büyüklüklerinde kritik değişimlerin gözlendiği bilinmektedir. Kuantum ölçek etkilerinin kontrol parametresi yalnızca domen büyüklüğü değil aynı zamanda sıcaklık ve parçacıkların kütlesidir. Klasik ölçek etkilerin yanı sıra yeterli düzeyde tutuklama koşulunda kuantum ölçek etkiler malzemelerin transport büyüklüklerine önemli katkılar sağlamaktadır. Termoelektrik eklemlerde sıcaklık gradyeni nedeniyle indüklenen potansiyel farkın, iki farklı türdeki malzemenin farklı elektriksel özelliklerinden kaynaklandığı bilinmektedir. Ancak transport rejimlerini farklı kılacak ölçekte üretilmiş ve farklı domen büyüklüklerine sahip aynı türde iki malzemeden oluşturulan bir eklemde, termoelektrik etkiye benzer olarak termoölçek potansiyel farkın indüklendiği öngörülmektedir. Bu tez çalışmasında, kuantum ölçek etkiler altında termoelektrik ve termoölçek etkiler iki ayrı bölümde ele alınmıştır. Termoelektrik potansiyel kapsamında, ilgili transport büyüklükler olan Seebeck katsayısı, elektriksel iletkenlik ve güç faktörü değerlerini kuantum ölçek etkileri göz önüne alarak öngören iki farklı matematiksel model sunulmuştur. Durulma zamanı yaklaşımındaki fark nedeniyle birbirinden ayrılan bileşke ve bileşen tabanlı modeller ışığında termoelektrik büyüklükler türetilerek yük taşıyıcı yoğunluğu ve tutuklamaya bağlı değişimleri incelenmiştir. Bileşke tabanlı durulma yaklaşımı altında geliştirilen modelin sayısal hesaplama yükünü azaltmak amacıyla belirli tutuklama koşulu değerine kadar geçerli analitik ifadeler de türetilerek sonuçlar tüm transport büyüklükler için karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Seebeck katsayısı özelinde ise bileşke tabanlı modelin sonuçları deneysel verilerle kıyaslanmış ve tez kapsamında önerilen modelin hata analizi yapılmıştır. Bileşen tabanlı durulma zamanı yaklaşımı altındaki çözümler için benzer işlemler uygulanmış ve her iki model ile elde edilen sonuçlar bağıl büyüklükler tanımlanarak karşılaştırılmıştır. Termoölçek potansiyel çerçevesinde ise yukarıda tanımlanan sıcaklık gradyenine maruz bırakılmış bir termoölçek eklemde klasik ve kuantum ölçek etkileri nedeniyle indüklenen elektrokimyasal farkın dejenerasyon, sıcaklık, ve tutuklama şiddetine bağlı değişimi incelenmiştir. Ortaya konan matematiksel model, olası bir deney ortamında ölçümlenecek olan toplam elektrokimyasal farkı oluşturan klasik ve kuantum ölçek etkilerini ayrıştırarak bu etkilerin farklı katkılarının sıcaklık, yoğunluk ve tutuklama koşullarında incelenmesine olanak sağlamaktadır. Termoölçek potansiyel kavramını derinlemesine incelemek amacıyla balistik transport rejiminde sıcaklık-yoğunluk ya da sıcaklık-basınç ilişkisi için kullanılan klasik Knudsen yasası, kuantum dejenerasyon ve kuantum ölçek etkileri de göz önüne alınarak genelleştirilmiş ve modifiye edilmiştir. Tutuklamanın olmadığı koşullar için farklı dejenerasyon durumlarında modifiye Knudsen yasasının asimptotik yaklaşımları elde edilmiş, dejenere olmayan durum için ise Knudsen yasası üzerine kuantum ölçek etkiler, elde edilen analitik ifade kullanılarak incelenmiştir. Sonuç olarak bu tezin temel amaçlarından ilki literatürde yer alan ve çarpışma mekanizmalarına göre farklılık gösteren ve genellikle enerjinin fonksiyonu olan durulma zamanı modellerine ilave olarak balistik rejimde çarpışma frekanslarının yüksek doğruluklu hesabı için bir model ortaya koyarak termoelektrik potansiyeli ve ilişkili transport katsayılar üzerine kuantum ölçek etkilerini incelemektir. Literatüre bir diğer katkı ise termoölçek etkiler alanında yapılmış ancak sadece yüksek sıcaklık ya da düşük yoğunluklu atomik gazlar ve zayıf tutuklama koşulları için geçerli olan üstelik klasik ve kuantum ölçek etkileri ayrı ayrı göz önüne alan modeller yerine, yüksek yoğunluk ve düşük sıcaklık koşulları ile yüksek tutuklama durumlarını da içeren ve her iki ölçek etkisini aynı anda barındıran genelleştirilmiş bir model geliştirmektir. Bu model; yarı iletkenlerde termoölçek etkilerin deneysel doğrulaması için kullanılabilecektir.
-
ÖgeLed Işık Kaynaklı Armatür Isıl Modellenmesi Ve Isıl Tasarımı Etkileyen Faktörlerin İstatistiksel Analizi(Enerji Enstitüsü, 2017-06-09) Yurtseven, Mustafa Berker ; Onaygil, Sermin ; 301062006 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesTüketilen toplam elektrik enerjisi içinde yaklaşık %20 gibi önemli bir paya sahip aydınlatma tesisatlarında gerçekleştirilebilecek tasarruf önlemleri "enerji verimliliği" çalışmalarında üzerinde önemle durulan konular arasındadır. Bu kapsamda, az enerji harcayarak çok ışık üretebilen LED (light emitting diode - ışık yayan diyot) teknolojisi, etkinlik faktörlerinin (lm/W) yüksek olmasının yanı sıra, renksel geriverimlerinin iyileşmesi, farklı renk seçenekleri ve uzun ömürleri gibi özellikleri ön plana çıkarılarak, iç ve dış tesisatlarda genel aydınlatma amaçlı kullanılmaya başlanmıştır. Diğer yandan yarı iletken teknolojisinde yaşanılan hızlı gelişmeler sonucunda, LED'lerin etkinlik faktörleri sürekli artmaktadır. Ancak, açıklanan etkinlik faktörü değerleri, LED çiplerinin laboratuvar ortamlarındaki anlık çalışma koşulları için geçerlidir. LED'lerin ışık akıları ve ömürlerinin sıcaklık değişimlerinden, konvansiyonel ışık kaynaklarına oranla daha fazla etkilendiği bilinmektedir. Optimum çalışma sıcaklıkları aşıldığında, LED'lerin bozulma, devre dışı kalma oranları da yükselmekte, ışık akıları düşmekte ve renk özellikleri bozulmaktadır. Sonuç olarak, LED ışık kaynakları için açıklanan yüksek etkinlik faktörleri (lm/W) armatür formunda azalmaktadır. Piyasada bir çok LED ışık kaynağı kullanan aydınlatma armatürü bulunmaktadır. Bu armatürler hakkında üretici tarafından yeterli bilgi sağlanamaması, armatürlerin performanslarının yeterli olmaması ve bu konudaki standartların eksikliği nedeniyle, LED'lerin kullanıldığı aydınlatma tesisatları, konvansiyonel ışık kaynaklı olanlara göre iddia edildiği gibi üstün konuma gelememektedir. Fotometrik özelliklerinin belirlenmesinde de sorunlar olan LED'lerin, mevcut iç/dış aydınlatma tesisatlarında kullanılabilmeleri için, öncelikle armatür formunda aydınlatma standartlarında belirtilen aydınlık düzeyi, parıltı, düzgünlük ve kamaşma sınırlandırılması gibi minimum aydınlatma gereksinimlerini yerine getirmeleri gerekmektedir. Tüm aydınlatma armatürlerinde olduğu gibi LED'li armatürlerde de optik analizler, aydınlatma kalite kriterlerini sağlama bakımından tasarımın en önemli bölümüdür. Ancak, LED'li armatürlerde ışık kaynağının verimi sıcaklığa bağlı olduğu için, ısıl analizler de ön plana çıkmaktadır. Isıl analizler LED çipin monte edildiği baskı devre kartı (BD) ile çevresindeki soğutma elemanları ve armatür gövdesi olmak üzere iki aşamalıdır. LED tarafından üretilen ısının baskı devresi ile soğutma elemanlarından geçerek armatür gövdesi içine aktarımında ve gövde içindeki ısının da dış ortama geçişinde ısıl direncin minimum olması için, soğutucu aksamın tasarlanması gerekmektedir. Özellikle yüksek güçlü LED'lerin kullanıldığı armatürlerde verim, ısıl tasarım ile doğrudan ilişkilidir. LED armatür tasarımında ilk adım kullanılacak LED çipinin iyi analiz edilmesi olmalıdır. LED çiplerin optik-ısıl-elektriksel karakterizasyonu, tasarım aşamasından önce yapılmalı ve tasarım hedefleri buna göre belirlenmelidir. LED çipinin sıcaklığa bağlı olarak verdiği ışık miktarı, verimi, renk değişimi, optik ve ısıl güçlerinin ayrıştırılması ve çektiği gücün hesaplanması sıcaklık kontrollü ölçüm sistemleri yardımı ile belirlenmelidir. Özellikle LED çipin bilgisayar ortamında ısıl olarak simüle edilebilmesi için ısıl güç değerlerine ihtiyaç vardır. Bunun yanında armatürün etkinlik faktörünün belirlenmesi için de, LED çipin çalışacağı sıcaklıkta harcayacağı elektriksel gücün ve yayacağı ışık akısının bilinmesi gerekmektedir. LED çip karakterize edildikten sonra armatür tasarımı için kullanılacak malzemelerin termofiziksel özelliklerinin bilinmesi veya laboratuvar ortamında ölçülmesi gereklidir. Bir LED armatürü oluşturan LED çip, gövde (gövde malzemesi), baskı devre (BD) kartı, ısıl arabirim malzemesi gibi elemanların termofiziksel özelliklerinin biliniyor olması, simülasyon sonuçlarından uygulamaya geçişte daha doğru sonuçların alınmasını kolaylaştıracaktır. Sonuç olarak, LED'li armatürlerin aydınlatma için gerekli kriterleri sağlayacak optimum performansta çalışabilmeleri için, armatür tipine uygun optik analizlerin yapılması ve istenilen yeterli soğutma çözümlerine ulaşılması gerekmektedir. Bu tezde öncelikle LED ışık kaynaklarının özelliklerinin sıcaklık ile değişimi incelenmiş, armatür tasarım süreci hakkında bilgi verilmiş ve LED çiplerinin ısıl simülasyonlarında kullanılabilmesi için gerekli ısıl modellerin doğrulanması yapılarak bilgisayar destekli simülasyon süreci açıklanmıştır. Daha sonra LED armatür ısıl tasarımına etki eden gövde malzemesi ve yapısı, baskı devre kartı malzemeleri ve fiziksel özellikleri, ısıl arabirim elemanları, LED ısıl güçleri ve ortam sıcaklığı gibi faktörlerin etkilerinin anlaşılabilmesi için örnek bir yol aydınlatması armatürü üzerinde tam faktöriyel bir deney tasarımı yapılarak istatistiksel analiz gerçekleştirilmiş ve faktörlerin karşılıklı etkileşimleri incelenmiştir. Tez süresince yapılan simülasyon sayısının artması ve bir çok faktör seviyesi ile simülasyonların gerçekleştirilmesi sebebiyle, ikinci bir adım olarak, simülasyon sonuçlarına çok değişkenli doğrusal regresyon uygulanmış; faktör etkileri ve faktörlerin karşılıklı etkileri farklılık analizi (ANOVA – Analysis of Variance) ile istatistiksel olarak hesaplanmıştır. Bu yöntemle LED armatür ısıl tasarımına etki eden faktörlerin etkileri açıklanmış ve örnek bir LED armatür üzerinde ısıl simülasyonlar ve istatistiksel analizler gerçekleştirilerek özellikle LED armatür üreticilerine ve tasarımcılarına, LED armatür ısıl tasarım süreci hakkında yol gösterici bilgiler oluşturulması hedeflenmiştir.
-
ÖgeMtr Tipi Araştırma Reaktörlerinde Havuz Suyu Kaybı Kazasının Analizi(Enerji Enstitüsü, ) Yılmazer, Ayhan ; Yavuz, Hasbi ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesAraştırma reaktörlerinin güvenlik değerlendirmelerinin en önemli kısmı, iki geniş sınıfa ait kazalara ait olayların benzeşimini gerektiren güvenlik hesaplandır: reaktivite ithal kazaları ve akış kaybı kazaları. Akış kaybı süreci bir akış geçişi olarak kabul edilebilecek olan Soğutucu Kaybı Kazası (LOCA) araştırma reaktörlerinin kaza envanterleri içinde en önemli olanıdır. Literatürdeki araştırma reaktörlerinin LOCA analizi ile ilgili çalışmaların çoğu reaktör kalbinin tamamen çıplak kaldığı ve hava ile doğal dolaşımla soğutulduğu kazanın son safhası için yapılmıştır. Oysa, kısmi LOCA analizi özellikle yüksek akılı ve MTR tipi güç reaktörleri için özellikle önemli olabilir. Literatürde reaktör kalbinin tamamen çıplak kalıncaya kadar ki safhanın analizi için bir boşluk mevcuttur. Bu çalışmada, İstanbul'daki TR-2 Araştırma Reaktörü için soğutucu kaybı kazasının ilk safhalarının incelenmesi ve sunulan modelin diğer benzer tipteki araştırma reaktörleri için uygulanabileceğinin gösterilmesi amaçlanmıştır. Ana soğutma borularının bir veya birkaçının giyotin şeklinde kırılması sonucu havuz suyunun kaybedilip reaktör kalbinin tamamen çıplak kalmasına kadar olan geçiş durumu incelenmiştir. ilk olarak, havuz suyunun kaybının modellenmesi amacıyla, Genişletilmiş Bernoulli Denklemi havuz yüzeyinden kırığın gerçekleştiği varsayılan ve havuzdan geçen soğutma borusunun kırık noktasma kadar olan bir akış çizgisi boyunca uygulanmıştır. Daha sonra, elde edilen doğrusal olmayan zamana bağlı adi diferansiyel denklem havuz suyu seviyesi ve kalpteki ortalama su hızı için iteratif olarak çözülmüştür. Havuz suyu seviyesi ve kalpteki ortalama su hızının zamana bağlı bu değerleri en küçük kareler metodu kullanılarak üçüncü derece polinomlara uydurulmuştur. Havuz suyunun kaybı sırasında kalpteki su hızının zamana bağlı elde edilmesi ile, soğutucu ve yakıt plakası korunum denklemlerinde kullanılabilirler. Havuz suyunun kaybı sırasındaki geçiş durumu iki safhaya ayrılmıştır: birinci safha havuz suyu seviyesinin reaktör kalbi üzerine, ikinci safha ise su seviyesinin kalp üzerinden altına iniş sürecidir. Enerji denklemlerinin çözümünde eksplisit sonlu farklar metodu ve integral metodu olmak üzere iki metod kullanılmış ve sonuçlan karşılaştınlmıştır. Sonlu farklar çözümü, Genişletilmiş Bernoulli Denklemi'nin kullanılarak zamana bağlı belirlenen havuz suyu seviyesi ile kalpteki ortalama soğutucu hızlan ile, birinci safhanın analizinde enerji korunum denklemlerinin çözümü için eksplisit bir sonlu fark formu kullanır. Daha sonraki su seviyesinin kalbin üst seviyesine ulaştığı ve altına doğru düşmeye başladığı ikinci safha ise, ilk safha için kullanılan yaklaşıma bazı düzeltmeler gerektirir. Çünkü, yakıt levhaları arasındaki soğutma kanalları suyun alçalması ile havayla dolar, ve su seviyesinin üzerindeki yakıt levhaları hava ile soğutulur. Bu durum, sayısal çözümde bir hareketli sınır değer yaklaşımı kullanılması ile çözülmüştür. Hava-su temas yüzeyi komşuluğundaki konuma bağlı türevler için Lagrange Tipi Interpolasyon ile temas yüzeyi sınır koşullan sonlu farklar çözümüne dahil edilmiştir. Analizler nominal ve sıcak kanal için yapılmıştır. Soğutucu ve yakıt levhasına ait enerji deklemlerinin çözümünde kullanılan diğer yöntem ise integral Metodu olarak adlandınlan yöntemdir, integral metodu enerji denklemlerindeki soğutucu sıcaklığı ile yakıt levhası yüzey sıcaklığı profillerinin geçiş durumu sırasında kararlı durum ile aym olması varsayımına dayamr. Kararlı durum profilleri bilindiğinden, soğucu kanalı ve yakıt levhası enerji korunum denklemlerinin kanal boyunca integrasyonu ile sadece zamana bağlı bir adi diferansiyel denklem setine ulaşılır. Bu denklemler eksplisit bir sonlu fark yöntemiyle kolaylıkla çözülebilir. Bu çözümden elde edilen herhangi bir andaki ortalama soğutucu ve yakıt levhası yüzey sıcaklıklanm profillerde yerine koymamız, her bir eksenel noktada o andaki sıcaklığı hesaplayabilmemizi sağlar. Bu çalışmanın en önemli katkısı, yakıt levhası ile soğutucu sıcaklıklarım nominal ve sıcak kanal için reaktör kalbi kısmen veya tamamen çıplak kaldığında hesaplayabilmemize olanak sağlamasıdır. TR-2 Reaktörü için, her iki metodun sonuçlan varsayılan kaza senaryosunun ikinci safhasında yerel kaynamanın oluşabileceğini ortaya koymasıdır. Yerel kaynamanın oluşmadığı durumlarda ise, kullanılan metodlar kalbin tamamen çıplak kaldığı andaki hava ve yakıt levhası sıcaklıklanm hesaplayabilmemizi sağlar. Bu tez çalışmasında kullanılan metodlar diğer MTR-tipi reaktörlerin havuz suyu kaybı kazası ve akış geçişleri için de kullanılabilir.
-
ÖgeNano Gaz Transportunda Kuantum Ölçek Etkileri(Enerji Enstitüsü, ) Öztürk, Z. Fatih ; Şişman, Altuğ ; 223095 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesYarıiletken teknolojilerinde kullanılan mikro fabrikasyon tekniklerinin gelişimi, yeni fiziksel etkilerin ortaya çıktığı mikro/nano boyutlarda sensörler, aktuatörler, tıbbi cihazlar, güç üreten mikro makineler, ısı değiştiricileri, pompalar, valfler, mikro-nano pipetler ve mikro iticilerin üretilmesini de mümkün kılmıştır. Klasik ölçeklendirme yaklaşımında sistemin özelliklerinin ve fiziksel sabitlerin ölçeklendirmeden bağımsız olduğu kabul edilir. Bununla beraber, sistemin karakteristik uzunluğu sistemi kontrol eden mekanizmaya ait karakteristik uzunluğa yaklaştığında bu varsayım geçerliliğini yitirir ve parçacığın dalga karakteri önem kazanır. Bu nedenle nano boyutlardaki sistemlerde var olan farklı ölçek etkileri nedeniyle gazların transport davranışları makro ölçektekilerden oldukça farklıdır. Mikro/nano sistemlerde termodinamik denge durumunda dahi yoğunluk dağılımı homojen olmayıp sınırlarda yoğunluğun sıfıra gittiği bir sınır tabaka oluşmaktadır. Bu tabaka, kalınlığı Planck sabiti ile orantılı olduğundan kuantum sınır tabakası olarak adlandırılır. Kuantum sınır tabakası sebebiyle gaz parçacıkları geometrik hacmi değil ondan daha küçük olan etkin (efektif) bir hacmi doldururlar. Parçacıkların dalga karakteri nedeniyle sınırlar ile parçacıklar arasında yerel olmayan itici bir etkileşme vardır. Bu yüzden parçacıklar domenin iç bölgelerinde toplanırlar ve bunun sonucu olarak da iç bölgelerdeki yoğunluk klasik yoğunluktan daha yüksek olur. Kuantum sınır tabakasının kalınlığı parçacıkların termal de Broglie dalga boyu mertebesinde olup bu mertebe karakteristik bir uzunluk tanımlar. Bu nedenle, sistemin boyutları kuantum sınır tabakası ile karşılaştırılabilir olduğunda kuantum ölçek etkileri sistem üzerinde etkin olur. Ayrıca sınırlar ile parçacıklar arasındaki yerel olmayan etkileşme sebebiyle parçacıklar sınırları termal de Broglie dalga boyu mesafesinde hissederler. Bundan dolayı, parçacıkların gördükleri potansiyel dalga karakterine sahip olmayan klasik parçacıkların gördükleri potansiyelden farklıdır. Bu fark klasik potansiyele etkin kuantum potansiyel olarak adlandırılan diğer bir potansiyelin eklenmesiyle ifade edilebilir. Etkin kuantum potansiyel yaklaşımında, klasik dağılım fonksiyonu, etkin kuantum potansiyelin ilave edilmesiyle kuantum dağılım fonksiyonu ile yer değiştirilir. Böylece, yerel yoğunluk üzerindeki kuantum etkiler etkin kuantum potansiyel yardımıyla modellenir. Çoğu tersinmez süreçte akılar sürücü kuvvetler ile lineer ilişkili olarak yazılabilir. Aynı anda birden fazla sürücü kuvvetin var olduğu bir sistemde bileşik transport söz konusu olur ve bir sürücü kuvvet birden fazla transportun sürücü kuvveti olarak işlev görür. Örneğin sıcaklık gradyeni sadece ısı transferine yol açmaz aynı zamanda difüzyona da yol açar. Sürücü kuvvetlerin bu tür ikincil etkileri çapraz etkiler olarak adlandırılır. Özellikle nano sistemlerde, gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu sistem boyutları ile karşılaştırılabilir olduğundan çapraz etkiler ihmal edilemez ve bileşik transport önem kazanır. Makro sistemlerde ise direkt sürücü kuvvetler transport üzerinde baskın olduğundan çapraz etkiler ihmal edilirler. Sonuç olarak, nano ölçekte kuantum ölçek etkilerinin hem direkt hem de çapraz transport katsayıları üzerindeki etkilerinin araştırılması önem kazanmaktadır. Bu çalışmada; dikdörtgen transport geometrisi için relaksasyon zamanı yaklaşımı altında Boltzmann transport denklemi kullanılarak Maxwellian, Fermi ve Bose gazlarının direkt ve çapraz transport katsayıları hem kuantum ölçek etkisi dikkate alınmadan hem de kuantum ölçek etkisi dikkate alınarak çıkarılmıştır. Parçacık-parçacık ve parçacık-duvar çarpışmaları sonucu meydana gelen transport süreçleri ayrı ayrı incelenmiştir. Parçacık-duvar çarpışmaları sonucu meydana gelen transport süreçlerinde transport katsayıları üzerindeki kuantum ölçek etkilerinin, parçacık-parçacık çarpışmaları sonucu meydana gelen transport süreçlerindekilerden daha güçlü olduğu görülmüştür. Direkt (iletim, difüzyon ve termal iletkenlik) ve çapraz (Soret, Peltier ve Dufour) transport katsayıları 1, 2 ve 3 boyutlu dikdörtgen geometrilerde Maxwellian, Fermi ve Bose gazları için çıkarılmış ve D boyutlu dikdörtgen geometriler için genelleştirilmiştir. Kuantum ölçek etkisi ihmal edildiğinde, kuantum dejenerasyonunun transport katsayıları üzerindeki etkileri ayrıca incelenmiştir. Transport katsayıları üzerinde kuantum ölçek etkileri hem klasik hem de dejenere durumlarda incelenmiştir. Genel olarak, Fermi gazında artan dejenerasyonla transport katsayıları üzerinde kuantum ölçek etkilerinin azaldığı, bununla beraber Fermi gazındaki bu durumun tersine Bose gazında ise kuantum ölçek etkilerinin arttığı görülmüştür. Ayrıca, transport katsayılarında kuantum ölçek düzeltmeleri ile termal düzeltmelerin yanı sıra bileşik bir düzeltme olarak termo-ölçek düzeltmeleri de ortaya çıkmıştır. Evrensel Wiedemann-Franz yasasının kuantum ölçek etkileri nedeniyle evrenselliğini kaybettiği gösterilmiştir. Sonuç olarak, hem direkt hem de çapraz etkilere ait transport katsayıların kuantum ölçek etkileri nedeniyle transport domeninin ölçek ve geometrisine bağlı olduğu görülmüştür. Bu sebeple domenin şekli ve ölçeği transport süreçleri üzerinde ilave bir kontrol parametresi olmaktadır. Bu kontrol parametreleri kullanılarak yeni transport süreçleri tanımlanabilir ve kuantum ölçek etkilerini kullanan yeni mikro ve nano makineler dizayn edilebilir.
-
ÖgeOfis Binaları İçin Aydınlatma Enerjisi Tasarruf Potansiyelleri Hesaplama Yöntemi(Enerji Enstitüsü, ) Erkin, Emre ; Onaygil, Sermin ; 333048 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesBu çalışmada, ofis binalarındaki aydınlatma sistemlerinin olası enerji tasarruf potansiyellerinin hesaplanabildiği ve aydınlatma enerjisi sayısal göstergesi (AESG) hesap yöntemi ile bütünleşik çalışabilen bir yöntemin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, ofis binalarının hacimleri kullanım amaçlarına göre gruplandırılmış, her bir grup tanımlanan tasarım kriterlerini en verimli biçimde sağlayabilecek aydınlatma sistemleri belirlenmiştir. Aydınlatma hesaplarında sıklıkla kullanılan verim faktörü yöntemi yeniden ele alınarak aydınlatma kurulu güç hesap yöntemi geliştirilmiş, her bir hacim için kurulu güçlerin hesaplanabilmesi ve tüm bina için toplam aydınlatma enerji tasarruf potansiyelinin belirlenebilmesi sağlanmıştır. Buna ek olarak, geliştirilen bilgisayar yazılımı ile AESG değeri hesaplanan mevcut bir ofis binasının ekonomik olarak uygulanabilir enerji tasarruf potansiyeli de belirlenebilir olmuştur.
-
ÖgePlanning And Stochastic Evaluation Of Combined Cooling Heat And Power Systems Under Uncertainty(Energy Institute, 2019-01-29) Ersöz, İbrahim ; Çolak, Üner ; 10255199 ; Energy Sciences and Technologies ; Enerji Bilim ve TeknolojiCCHP (Combined Cooling Heat and Power) systems are the most well-known technologies for efficient energy usage and it usually refers to simultaneous production of cooling, heating and power from a single energy source. CCHP plants are built as decentralized systems, and they are operated close to where it is needed. Thus, CCHP systems are considered as more efficient, profitable, reliable and environmentally friendly systems compared with conventional generating plants. Nonetheless, CCHP systems or any other energy conversion systems should be designed and operated effectively to gain the expected advantages. It is not an easy decision for a SME (small and medium size enterprises) to invest in CCHP systems. Decisions for investments are generally taken by the conventional method, which relies on the result of an economic analysis with the assumption that variables will remain stable over the time the analysis is made. However, this kind of systems is dynamic and all the parameters are subject to change until the day the CCHP system expires economically. Thereby, CCHP systems work under uncertainty conditions during their economic life. The technical and financial performance of the system is affected by various parameters which include the fluctuation of energy loads, working hours, energy prices, exchange rates and interest rates. Accordingly, evaluating only the scenario where the current values of variables are taken into account may not help investors in decision making owing to uncertainties, the probability of occurrence of uncertainties and their outcomes. The analysis held in this study has been based on real and current operational data of an existing industrial facility located in Istanbul. Beside that, This study has two stages to assess the uncertainties in CCHP systems. The main purpose of the first part of the study is to specify a model and a methodology to select the best CCHP scheme in the presence of uncertainties. Differing from previous studies, this study examined the uncertainties in CCHP systems and evaluated the impacts of these uncertainties on the operational decision-making process as well as the stochastic impacts on the decision making process of the given investment. In the first stage, the system has been evaluated as a sole CHP system in the light of the updated value of the variables, then the system has been designed as a CCHP system by adding the absorption chiller with the intention of covering the cooling demand partly or fully. Setting the correct load capacity and scheduling is important while deciding on whether the most profitable system should be CHP or CCHP for a given plant. For this propose, macro program in Microsoft Excel has been run in order to determine the most proper capacity for the absorption chiller that will maximize the total annual saving. After determining the most proper cooling load of the absorption chiller, the system has been re-evaluated in the economical aspect. In another subsection, sensitivity analysis has been applied with the purpose of seeing the impact of the variables on the result. Following this, a new formula has been created to analyse and calculate the effects of variables on the result of the objective function on a percentage basis. Genetic algorithm is used to see the best case scenario in given constrains of uncertain variables. The result of this forms a reference for the comparison of the actual situation with the best case scenario. As a last step, possible results of the total annual saving have been re-calculated by using probabilistic models under non-parametric stochastic method. The analyses conducted in first stage have specifically addressed the variables that affect the economic feasibility of the investment and the uncertainties that may affect the investment any time in the systems economic life span. The main objective is to analyse all the possibilities and changes of the uncertain parameters during the life of the system to help investors see the possibility of the occurrence of the best and worst case scenario before making investment decision. Moreover, it is shown that some certain criteria should be satisfied in order for CCHP power plants to be more feasible. The results concluded from this stage are mentioned more in details in the last section of the manuscript. This stage of study has revealed that an evaluation made solely by considering the current values of the variables of the system is not sufficient to analyze the profitability of the investment. Apart from the conventional evaluation, the random changes of the independent variables at any time should be evaluated in order to see how they affect the profitability. Accordingly, it has been concluded that the deterministic evaluation is not sufficient to assess CCHP systems by its own and the stochastic evaluation gives a broader point of view in terms of overseeing all possible risks. The first stage of the thesis presented a very wide range of possibilities to assess the profitability of the system. At second stage, a re-evaluation was carried out in order to make a clearer analysis considering the historical data of the independent variables that affect the applicability of the system and the correlations between the variables, if any, and the probability density functions of the variables. Second stage of the study has been aimed to estimate how the profitability of a CCHP system, which is considered investable based on current values, will change throughout its economic life by adopting stochastic methods. Accordingly, the system has been analysed under four different simulation methods, namely parametric method, historical trend method, Monte Carlo method and scenario-based method, and their results have been compared. Among all the studied methods, the Monte Carlo and the historical trend methods directly take historical data as a reference. The parametric method, on the other hand, uses only the parameters of the mean and standard deviation from the historical data as a reference and thereafter assumes that all parameters will follow the normal distribution. Differing from these methods, the scenario-based method tries to determine where the objective function will be concentrated by considering all probable scenarios. In this regard, the parametric method gives results across the widest range, offering an unclear prediction about future results. The Monte Carlo method gives the highest mean value, while the historical trend method gives probabilities in a narrower range. The scenario-based method, meanwhile, offers a broader prediction than the historical trend method and also predicts a lower mean value for tas. Second stage of the study has showed that Investments in energy systems, including CCHP systems, face uncertainty. To answer whether an investment will remain profitable in the midst of these uncertainties, different methods can be applied either using past data or considering all possible scenarios. Although each method used in this study has certain advantages and disadvantages, all four methods can be used to evaluate CCHP systems at the investment stage. Since prices in almost all countries, particularly in the energy market, may not move in line with the historical trend, this study has shown that the scenario-based method is most appropriate to adopt given the comparisons and contrasts it provides.
-
ÖgeRüzgar Enerjisi Potansiyel Analizinde Karışım Dağılımları Temelli Tekniklerin Kullanılması(Enerji Enstitüsü, 2018-05-24) Akdağ, Seyit Ahmet ; Güler, Önder ; 10204157 ; Enerji Bilim ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesGünümüzde enerji kaynakları, uluslararası ilişkilere yön veren, ülkelerin sınırlarının tekrar çizilmesine neden olan, birçok savaşın çıkmasına ve ekonomik krizlere neden olmuş, üretim sektörlerinin temel girdisi olmanın yanında sosyoekonomik kalkınmanın sağlanabilmesi ve sürdürülebilmesi için vazgeçilemez niteliklere sahip temel öğelerden biri olarak değerlendirilmektedir. Elektrik enerjisine sürekli, yeterli, kaliteli, ekonomik şekilde erişiminin sağlanabilmesinin doğrudan ekonomik etkileri vardır ve bu da sosyal refah düzeyi üzerinde etkilidir. Elektrik enerjisi, depolama maliyetinin yüksek olması ve büyük ölçekte elektrik enerjisi depolama teknolojilerinin yeterince gelişmemiş olması nedeniyle genel enerji zinciri içindeki diğer enerji çeşitlerinden farklıdır. Elektrik enerjisi üretiminde kullanılan kaynakların seçimini etkileyen faktörler şu şekilde sıralanabilir; ülkelerin nüfus piramidi, büyüme-gelişme hızları, enerji kaynaklarının günümüz fiyatı ve gelecekte olabilecek fiyat dalgalanma riski, enerji kaynağının elde edilme kolaylığı ve sürekliliği, kaynak için başka ülkelere olan bağımlılık, ülkelerinin coğrafi konumlarının sağlamış olduğu fırsatlar veya coğrafi konumlarının oluşturduğu sorunlar, ulusal, uluslararası güvenlik-tehdit algılamaları ile çevre ve sağlık etkileridir. Elektrik enerjisi üretiminde kullanılacak kaynaklarının belirlenmesi, teknik, ekonomik ve çevresel değişkenler ile bu kaynakları kullanmanın dışsal etkileri de dikkate alınarak çözülmesi gereken bir optimizasyon problemidir. Elektrik enerjisi üretiminde kullanılacak kaynak seçimi elektrik şebekesinin planlanmasını, elektrik enerjisi fiyatını ve ürün ile hizmet fiyatlarının oluşmasını etkilemektedir. Ayrıca şebeke ilk yatırım maliyetleri üzerinde önemli etkileri bulunmaktadır. Enerji çevrim sektöründe kullanılan fosil enerji kaynaklarından oluşan sera gazı salınımlarının azaltılması günümüzde önemli hale gelmiştir. Diğer taraftan bu kaynakların kullanımına bağlı olarak fosil enerji kaynaklarının rezervlerinin azalması ve kömür hariç bu kaynakların dünyanın belirli bölgelerine yoğun olarak dağılması, enerji güvenliği için ülkeleri yerli ve yenilenebilir enerji kayakları kullanmaya zorlamaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının ekonomiye kazandırılması ile kaynak çeşitliliği artacak, sera gazı salınımlarının azalmasında bu kaynaklar etkili olacak ve ekosistem korunacaktır. 2016 yılı sonu itibariyle kurulu fotovoltaik (PV) gücü 303 GW seviyesine ulaşmış, 375 TWh'lik üretim gerçekleşmiş ve dünya elektrik talebinin % 1,8'i PV'den karşılanmıştır. Amerika Birleşik Devletleri'nde (ABD) güneş ve rüzgar enerjisi santrallerinin 2016 yılında eklenen kapasite içerisinde ki oranı sırasıyla % 39 ve % 26'dır. Avrupa Birliği (AB) ülkelerinde ise 2009-2015 yılları arasında kurulu güç artışında 81860 MW ile PV ilk sıradadır. Bunu 75045 MW net kapasite artışı ile rüzgar enerjisi takip etmektedir. Dünya kurulu rüzgar enerji gücü 1996 yılında dünya elektrik tüketiminin % 0,09'unu karşılarken, 2005 yılında bu oran % 0,67 olmuş ve 2015 yılında ise karşılama oranı % 3,7 seviyesine ulaşmıştır. Danimarka'nın elektrik tüketimin 2006 yılında % 16,78 rüzgar enerjisinden karşılanmışken, 2016 yılında % 36,8'i rüzgar enerjisinden sağlanmıştır. Danimarka'yı sırasıyla İrlanda (% 27), Portekiz (% 24,7), Güney Kıbrıs (% 19,7), İspanya (% 19), Almanya (% 16), ve Romanya (% 12,5) takip etmektedir. İspanya ve Danimarka'da bazı günler rüzgar enerjisi santrallerinin toplam günlük üretimi elektrik tüketiminden fazla olabilmektedir. Gerek rüzgar türbini kapasitelerinin artması, gerekse azalan üretim maliyetlerinin etkisiyle rüzgar enerjisi kullanımı her geçen gün artmaktadır. Rüzgar enerjisi santralleri 2016 yılında Avrupa ülkelerinde yaklaşık 300 TWh elektrik üreterek elektrik tüketiminin % 10,4'ini karşılamışladır. Avrupa Birliği (AB) ülkelerinde rüzgar kurulu gücü doğalgazdan sonra ikinci büyük güç durumuna gelmiştir. Birçok Avrupa ülkesinin orta ve uzun vadeli elektrik enerji üretim tüketim planlamasında rüzgar enerjisi kaynakları önemli bir yer tutmaktadır. Rüzgar enerjisi fizibilite analizleri sırasında yapılan ekonomik ve teknik potansiyel analizlerin hatalı olması sonucunda enerji maliyetleri de hatalı belirlenmiş olur. Bu belirsizlikler yatırım maliyetlerini, dolayısıyla da enerji üretim maliyetlerini, yatırımın geri dönüş riskini ve yatırımcıyı etkilemektedir. Yatırımcılar için yapılması gereken bu belirsizliklerin en aza indirilmesidir. Günümüzde rüzgar enerjisi elektrik üretimi potansiyeli belirlenmesinde sıklıkla Weibull dağılımı kullanılmaktadır. Bu dağılımın kullanılma nedeni, dünyanın birçok bölgesinde rüzgar dağılımına iyi uyduğunun tecrübe edilmesi, dağılımın esnek bir yapıya sahip olması, parametrelerinin belirlenmesindeki kolaylık, parametre sayısının az olması ve parametrelerin bir yükseklik için belirlenmesinin ardından farklı yükseklikler için tahmin edilebilmesi gibi faktörler olarak sıralanabilir. Fakat son yıllarda yapılan çalışmalar rüzgar dağılımının dünyanın her yerinde Weibull dağılımı ile temsil edilemeyeceğini ya da farklı dağılımlar ile yapılan modellemeler sonucu elde edilen başarının Weibull dağılımı ile yapılan modellemeden daha iyi olabileceği gösterilmiştir. Bu tez kapsamında, Weibull dağılımı parametrelerinin belirlenmesi için mevcut yöntemler özetlenmiş ve Weibull dağılımını parametrelerinin belirlenmesi için mevcut yöntemlere alternatif olabilecek yeni yöntemler geliştirilmiştir. Geliştirilen parametre belirleme yöntemlerinin doğruluğu, literatürde olan verilerin kullanılması sonucunda gerek rüzgar şiddetinin dağılımının modellemesi ile gerekse de rüzgar türbini enerji üretim tahminlerinde olan başarısı ile ortaya konmuştur. Ayrıca geliştirilen parametre belirleme yöntemi rüzgar enerjisi modellemelerinde kullanılan dağılımların karşılaştırılmasının yapılması için ülkemizde ölçülmüş rüzgar şiddeti verileri kullanılarak çeşitli dağılımlar ile modellemeler yapılmıştır. Bunlara ek olarak 60 standart dağılım kullanılarak ülkemizde rüzgar şiddeti ölçülmüş, 13 bölge bu dağılımlar ile analiz edilmiş ve üç farklı hata analizi yöntemine göre dağılımların başarısı karşılaştırılmıştır. Bu tez çalışmasındaki amaçlardan bir tanesi, rüzgar şiddeti verilerinin modellenmesinde ve bir rüzgar türbinin enerji üretiminin belirlenmesinde karışım dağılımlarının kullanılabilirliğinin ve başarısının analizidir. Bu kapsamda önce teorik olarak güçleri 225 kW ile 3000 kW arasında değişen, rüzgar çiftliklerinde çok sık kullanılan, 33 farklı rüzgar türbini ile Weibull, Weibull&Weibull karışım dağılımı ve üç farklı maksimum entropi dağılımları dağılımı kullanılarak enerji üretim doğruluğu belirlenmeye çalışılmıştır. Karışım dağılımlarının parametre belirleme yöntemlerinin enerji üretim tahmini üzerine etkisi örnek çalışmada incelenmiştir. Daha sonra ise ülkemizde bir rüzgar santralinde olan rüzgar türbininin gerçekleşmiş enerji üretimi, ticari bir paket programın sonuçları (WAsP), standart dağılımlar, karışım dağılımları ve MEP dağılımları kullanılarak modellenmiştir. Bu çalışmada kapsamında rüzgar enerjisi potansiyel analizinde karışım dağılımları da kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan 109 dağılımdan MWblWbl dağılımı için parametreler MLH, MOM ve LES ile belirlenmiştir. MTndTnd dağılımının parametreleri ise MLH ve LES ile belirlenmiştir.
-
ÖgeThermal hydraulic analysis of molten core material contained within lower head of pwr pressure vessel(Enerji Enstitüsü, 2001) Ali, Liaqat ; Baytaş, A. Cihat ; 104266 ; Enerji Bilim ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesBu çalışmanın önemi, reaktör kalbinin kısmen veya tamamen erimesi ile sonuçlanan bir şiddetli reaktör kazasının kontrol altına alınmasından kaynaklanmaktadır. Böyle bir durumda ergimiş malzeme basınç kabının alt tarafında, bir seri ergime ve katılaşma hallerinden geçtikten sonra toplanacaktır. Reaktördeki radyoaktivitenin açığa çıkmasına karşı son engel olan reaktör basınç kabı koryum tarafından ısıl olarak etkilenir. Uranyuma dayanan reaktör yakıtı ve yanmış yakıttan gelen fısyon ürünleri koryumda mevcuttur. Yarı ömürlerine göre fısyon ürünlerinin bozunumu, ergimiş kütle içinde az veya çok homojen olan bir iç ısı kaynağı oluşturur. Seramik yakıt bileşenlerinin yüksek ergime noktası ve fısyon ürünlerinden kaynaklanan radyoaktivite nedeni ile sistem deneysel olarak yapılamaz hale gelir. Bu nedenle reaktör basınç kabında oluşan koryum havuzunun içindeki ısıl hidrolik olayı incelemek için sadece sayısal benzeşim tek yol olarak kalır. Problemle ilgili akış ve ısı transferi karakteristiklerinin anlaşılması kazayı kontrol etmek ve böylece radyoaktivitenin kaptan yayılması ve atmosfere çıkması tehlikesini azaltmak mümkün olabilir. Bu çalışma düşük Rayleigh sayılarında yandan ısıtmalı bir kare kapta doğal taşınımın incelenmesi ile başlamıştır. Bu problem hesaplamalı akışkanlar dinamiğinde bir benchmark problemi olması sebebi ile seçilmiştir. Sonuçlar daha önce yapılan çalışmalar ile karşılaştırıldığında çok iyi bir uyum elde edilmiştir. İkinci olarak düşük Rayleigh sayıları için yazılan program içten ısıtılmış bir kare kapta doğal taşınım için analiz edilmiştir. Sonuçlar yayınlanmış diğer sonuçlarla karşılaştırıldığında çok iyi bir uyum içindedir. Daha önce yayınlanmış çalışmalarda içinde ısı üretimi olan ve yüksek Rayleigh sayıları için ölçekleme mevcut değildir, böylece bu hal için bir ölçekleme gerçekleştirilmiş ve sonuçlar yayınlanmıştır. Reaktör basınç kabı bir konjugate problem oluşturan kalın paslanmaz çelik bir duvara sahiptir. Konjugate problemin analizi için hayali noktalar yerleştirme yöntemi kullanılmıştır. Bu konuda elde edilen sonuçlar da yayınlanmıştır. Koryum düşük Pr sayılı bir akışa sahiptir, böylece koryumdaki doğal akışın analizi, kalın duvarda bir kare kapta yapılmıştır ve sonuçlar bir uluslararası konferans bildirisi olarak sunulmuştur. Yarı silindirik kapta kalın duvarın etkisini anlamak için analiz içten ısıtmalı bir yarı silindirik kap için yapılmıştır. Bu sonuçlar, duvarları sabit sıcaklıkta olan bir yarı silindirik kap ile karşılaştırılmış ve fark incelenmiştir. XI Yarı küresel basınç kabının özel durumu nedeni ile kabın sadece yarısı incelenmiştir. Ortalama Nusselt sayısı için sonuçlar karşılaştırılabilir olmasına rağmen, akışın aslında simetrik olmaması sebebi ile, nihai inceleme için yarı silindirik kap seçilmiştir. Son incelenen geometri mümkün olduğu kadar gerçek duruma yakın seçilmiştir. Koryum havuzundaki sıcaklık 3500 °K ulaşabilir, bu nedenle havuz yüzeyinden ışınımla ısı transferi bu analize dahil edilmiştir. Üç ısı transferi mekanizması, iletim, taşınım ve ışınım bu analizde mevcuttur. Sonuçlar göstermiştir ki, havuzdaki sıcaklıklar havuzun alt tarafında iyi bir tabakalaşma göstermiş ve üst tarafında taşımının hakim olduğu küçük bir bölge oluşmuştur. Havuz yüzeyinin neşretme oranı ve AT/TW parametresi de ayrıntılı olarak incelenmiştir. Ra sayısı 3.2xl07 den 3.2xl013 e kadar çalışılmıştır, son değer türbülanslı akışın başlama sınırıdır. Aynı zamanda sonuçlar gösteriyorki, reaktör basınç kabının hasara uğramasının mümkün olduğu nokta, basınç kabının duvarı ile serbest yüzeyin üst temas noktasına yakındır. Kabın alt bölgesi koryumun ısıl etkisinden hiç bir zaman zarar görmeyecektir. Böylece sunulan problemin ayrıntılı bir incelemesi yapılmıştır. Bu analizin, söz konusu problemle ilgili ısıl hidrolik olayın anlaşılmasına önemli ölçüde katkı sağlayacağı umulmaktadır. Aşağıdaki bölümlerde, bu doktora çalışması sırasında oluşturulan sayısal çalışmanın ayrıntıları anlatılmıştır. Bölüm 2 de, farklı haller için denklemler boyutlu ve boyutsuz olarak sıunulmuştur. Yüksek Rayleigh sayıları için ölçekleme analizi de bu bölümde anlatılmıştır. Bölüm 3, bu çalışmada kullanılan ızgara yapısını ve basınç ve basınç düzeltme denklemlerinin türetilmesini içermektedir. Bölüm 4 de sayısal algoritmalar ve bilgisayar programının düzenlenmesi tanıtılmıştır. Bu bölümde aynı zamanda bilgisayar programı ile ilgili bir akış diyagramı verilmiştir. İki ana parçadan oluşan bölüm 5 de; ilk kısımda önceki sonuçlarla karşılaştırmalar sunulmuştur, ikinci kısımda ise sonuçlar ve tartışmalar verilmiştir.
-
ÖgeTungsten, Titanyum, Bor İçeren Bazı Malzemelerin Gama Ve Nötron Radyasyonu Karşısındaki Davranışının İncelenmesi, Xcom Bilgisayar Programı İle İrdelenmesi Ve Yeni Bir Radyasyon Zırh Malzeme Önerisi(Enerji Enstitüsü, ) Büyük, Bülent ; Tuğrul, A. Beril ; 354573 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesBu doktora tez çalışmasında, nükleer teknolojide önemli bir konu olan radyasyon zırhlamasına yönelik olarak tungsten, titanyum ve bor içeren malzemelerle nükleer uygulamalarda üzerinde önemle durulan gama ve nötronlarla transmisyon tekniği kullanılarak çalışılması hedeflenmiştir. Son dönemlerde, gama zırhlamasına ilişkin günümüze kadar yaygın kullanılmış olan kurşunun toksisitesi ve yaratabileceği çevre sorunları ile ilişkili olarak kullanılmaması gündeme gelmiş bulunmaktadır. Nitekim, AB?nin direktifleri arasında yer alan ve bazı zararlı maddelerin kullanımının teknolojide kısıtlayan RoHS uygulamaları içerisinde kurşun da yer almakta olup, kurşun kullanımının terk edilmesine çalışılmaktadır. Bu çerçevede, bu doktora çalışmasında, gama radyasyon zırhlamasında kurşuna alternatif olabilecek tungsten ve titanyum malzemeler ile çalışılması benimsenmiştir. Öte yandan, nükleer reaktör teknolojisinde nötronlar da büyük önem taşımaktadır ve nötron zırhlaması da üzerinde durulması gereken bir konudur. Nötron yutuculuğu açısından ise bor yadsınamaz öneme sahip bir malzemedir. Tüm bu hususlar göz önüne alınarak, bu doktora tez çalışmasında tungsten, titanyum ve bor içeren malzemelerle çalışılması yoluna gidilmiştir. Gama radyasyonu ile çalışma için nükleer teknolojide önemli iki gama radyoizotop kaynak olan Cs-137 ve Co-60 radyoizotop kaynaklarıyla çalışılmıştır. Böylelikle, nükleer uygulamalarda sıkça kullanılan monokromatik enerjili bir kaynak (Cs-137) ile enerji seviyesi yüksek ve iki pikli (Co-60) gama radyoizotop kaynakları ile deneyler gerçekleştirilmiştir. Çalışılması hedeflenen tungsten, titanyum ve bor içeren malzemeleri bileşik halinde bulmak her zaman mümkün olamayabilmektedir. Bu bağlamda, tungsten, titanyum ve bor içeren malzemeler olarak, (son dönemlerde önemli gelişmeler kaydeden) kompozit malzeme teknolojisi ile üretilen kompozit malzemeler seçilmiştir. Söz konusu kompozit mazemelerin her biri için gama ve nötron karşısındaki davranışları ayrı ayrı deneysel olarak incelenmiştir. Çalışılan kompozit malzemelerin bir çoğu için deneylerimiz ilk olma özelliğini taşımaktadır. Bu husus, bu doktora tezinin malzeme seçimi konusundaki özgünlüğünü oluşturmaktadır. Ayrıca, aynı kompozit malzemenin, üretimi esnasında farklı ortalama parçacık boyutlarına sahip olacak şekilde oluşturulmuş olanları ile malzemenin radyasyon davranışına etkisi üzerinde de çalışılmıştır. Ortalama parçacık boyutu mertebesi olarak nano ve mikron altı boyutlar seçilmiş olup, nanoteknoloji açısından da irdeleme yapılması hedeflenmiştir. Bu husus ta, doktora tezinin özgünlüğü çerçevesindedir. Cs-137 ve Co-60 gama radyoizotop kaynakları ile yapılan deneylerle, çalışılan malzemelere ilişkin elde edilen sonuçlardan hareketle çizilen zayıflatma eğrileri birbirine paralel sonuçlar vermiştir. Ancak, Co-60 gama radyoizotop kaynak için elde edilen değerler, zayıflatma katsayıları açısından Cs-137 gama radyoizotop kaynak için daha düşük buna karşın daha YDK değerleri daha yüksek olmuştur. Bu sonuç beklenti doğrultusundadır. Zira, Co-60 gama radyoizotop kaynağın ortalama enerji seviyesi 1.25 MeV iken Cs-137 gama radyoizotop kaynağın enerjisi 0,662 MeV?dir. Dolayısı ile enerjisi yüksek olan gama radyoizotop kaynağa ilişkin olarak malzemelerin zayıflatma katsayıları daha düşük, ancak YDK?ları daha yüksek olmaktadır. Öte yandan, Pu-Be nötron Howitzer (NH-3) nötron kaynağı ile yapılan deneylerle çalışılan malzemelere ilişkin elde edilen sonuçlardan hareketle nötronlara karşı zayıflatma eğrileri çizilmiştir. Cs-137, Co-60 ve Pu-Be nötron Howitzer (NH-3) nötron kaynağına ilişkin olarak çalışılan tüm malzememelerin yapılan deneylerinden hareketle lineer zayıflatma katsayısı, yarıdeğer kalınlığı (YDK) ve ondabir değer kalınlık (ODK) değerleri hesaplanmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, deneysel olarak gama ışınları karşısındaki davranışları incelenen tungsten, titanyum ve bor içeren bazı özel kompozit malzemeler için teorik bazda inceleme yapılmak üzere XCOM bilgisayar programı ile de hesaplamalar yapılmıştır. XCOM Bilgisayar programı kullanılarak hesaplanan kütle zayıflatma katsayıları ile deneysel çalışmalardan hareketle hesaplanan kütle zayıflatma katsayılarının bibirine uyumlu olduğu ve aradaki farkın çoğu kez % 7?nin, hemen daima % 10?un altında kaldığı gözlenmiştir. Aradaki farkın imalattan kaynaklandığı söylenebilir. Zira, XCOM bilgisayar programı, malzemenin pür olduğunu ve mükemmel şekilde imal edildiğini kabul etmektedir. Çalışılan malzemelerin teorik deneysel kütle zayıflatma katsayılarının birbirine uyumluluğunun görülmesi, aynı zamanda deneylerimizin de güvenilirliğinin kanıtının bir göstergesidir. Yarı-değer kalınlık değerinin (YDK), malzemelerin zırhlama özelliğini betimleyen önemli parametre olduğundan hareketle malzemelerin radyasyon zırhlama etkinliğinin değerlendirilmesi için esas itibariyle YDK değerleri göz önüne alınmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde, çalışılan kompozit malzemeler ile ilgili elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Yapılan gama ve nötron deneyleri sonucunda gözlenmiştir ki; çalışılan malzemelerin bir kısmı gama zırhlaması için etkin bri kısmı da nötron zırhlaması için etkindir. Bu bağlamda, çalışılan mazlzemelerle yapılan deneysel çalışmalardan hareketle hesapanan YDK değerleri çerçevesinde hangi malzemelerin gama radyasyonu ve hangi malzemelerin nötron radyasonu için daha uygun olacağına ilişkin sonuçlara ulaşılmıştır. Öte yandan, hem gama radyasyonu için ve hem de nötronlar için katkı malzemelerinin ortalama parçacık boyutunun azaltılmasının, YDK değerlerinin azalmasına neden olduğu tespit edilmiştir. Başka bir deyişle, ortalama parçacık boyutunun azaltılması, o malzemenin radyasyon zırhlama kabiliyetini arttırmaktadır. Bu husus, nanoteknolojinin önemini vurgulayan bir sonuç olarak nitelenmiştir. Bu doktora tezi çerçevesinde hem gama radyasyonu ve hem de nötronlar karşısında iyi bir zırh malzemesi olabilecek bir malzemenin belirlenerek önerilmesi bu doktora tezinin özgünlüğü çerçevesinde hedeflenmiştir. Bu bağlamda, çalışılan malzemelere ilişkin deneylerden hareketle Cs-137, Co-60 gama radyoizotop kaynakları ve Pu-Be Nötron Howitzer (NH-3) nötron kaynağı için tayin edilen YDK değerleri topluca incelenerek değerlendirilmiştir . Bu değerlendirme sonucunda tungsten diborürün hem gama radyasyonu ve hem de nötronlar karşısında uygun bir radyasyon zırh malzemesi olabileceği düşünülerek ilgili bir dizi deney gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, Cs-137 ve Co-60 gama radyoizotop kaynakları ile Pu-Be Nötron Howitzer (NH-3) nötron kaynağı için, gama ve nötronlara karşı zırh malzemesi olarak kullanılabileceği önerilen WB2 kompozit malzemenin gama kaynakları ve nötron kaynağı karşısındaki YDK değerleri tayin edilmiştir. WB2 kompozit malzeme için ulaşılan YDK değerlerinin diğer malzemelere ilişkin YDK değerleri ile karşılaştırıldığında WB2 kompozit malzemenin hem gama ve hem de nötron zırhlaması için suygun bir radyasyon zırh malzemesi olduğu gösterilmiştir. Öz olarak, belirtmek istenirse, bu doktora tezi ile, tungsten, titanyum ve bor içeren malzemelerin gama ve nötron radyasyonu karşısındaki davranışları özgünlük çerçevesinde incelenmiş, zayıflatma katsayıları, YDK, ODK değerleri tayin edilmiş ve mukayeseli olarak değerlendirilmiştir. Kütle zayıflatma katsayıları, XCOM bilgisayar programı ile hesaplanmış ve deneysel sonuçlarla uyumluluğu ortaya konmuştur. Yine bu doktora tezinin özgünlüğü çerçevesinde önerilen tungten borürün etkin bir radyasyon zırh malzemesi olarak uygunluğu gösterilmiştir. Böylelikle, farklı yönlerden özgün ve uygulamada sadece nükleer teknolojide değil, nano teknoloji, uzay teknolojisi vb. gibi ileri teknolojilerde de kullanılabilir bir çalışma gerçeklenmeye çalışılmıştır.
-
ÖgeTürkiye'de Biyoetanol Üretimi İçin Öngörü(Enerji Enstitüsü, 2017-08-28) Ateş, Ezgi Bayrakdar ; Karaosmanoğlu, Filiz ; 301112004 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesBiyoyakıtlar, fosil yakıtlara alternatif olarak artan enerji ihtiyacını karşılamak ve yüksek fosil yakıt fiyatlarına alternatif olarak, giderek artan oranlarda kullanılmaktadır. Günümüzde yenilenebilir enerji teknolojileri kapsamında hem ülkemiz hem de dünyada biyoyakıtlar üzerine yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları giderek artmaktadır. Biyorafineri teknolojilerinin bir sonucu olarak biyoyakıtların hayatımızda artarak yer alacağı öngörülmektedir. Biyorafineriler petrol rafinerilerinden farklı olarak biyoyakıtlar üretmekte ve hammadde olarak petrol yerine biyokütle kullanmaktadır. Biyorafineri ve biyoyakıt teknolojileri sürdürülebilirlik ve yeşil ekonomi açısından değerlendirildiğinde bu alanda gerçekleştirilecek öngörü ve çevresel değerlendirme çalışmaları büyük önem arz etmektedir. Biyoyakıtlar üretim şekli ve hammadde türüne göre birinci, ikinci, üçüncü ve dördüncü kuşak biyoyakıt olarak sınıflandırılmaktadır. Günümüzde halen birinci kuşak motor biyoyakıtları olan biyodizel ve biyoetanol ticari olarak kullanılmaktadır. İçten yanmalı motorlarda tasarımda değişikliğe gerek duyulmadan kullanılabilecek yağ asidi metil esteri olarak tanımlanan biyodizel ile şekerli ve nişastalı kaynaklardan üretilen biyoetanol birinci nesil biyoyakıtlar içerisinde yer almaktadır. Biyoyakıtların önemli bir türü olan biyoetanol şekerli ve nişastalı bikilerin fermantasyonu veya selülozik kaynakların asidik hidrolizi ile üretilebilen bir yakıttır. Antitoksik özelliğe sahip olan ve önemli bir alternatif motor yakıtı olan biyoetanol benzinin yerine geçerek doğrudan yakıt olarak kullanıldığı gibi yakıt katkısı olarak da kullanılabilmektedir. Biyoetanol, konvansiyonel benzinin oktan sayısını artırmada ve bununla birlikte yapısında bulunan oksijen ile benzinin daha verimli ve temiz yanmasına yardımcı olması nedeniyle sıklıkla tercih edilmektedir. İthal edilen petrole önemli bir yerel alternatif olan yakıt etanolü petrol kökenli ürünlere olan bağımlılığı büyük ölçüde azaltarak ekonomik, politik, çevresel ve bilimsel alanlarda önemli konuma gelmektedir. Biyoetanolün yenilenebilir hammadde kaynaklarından elde edilmesi ve bu kaynakların da sürdürülebilirliğinin sağlanması etanol üretiminin sürdürülebilir olarak gerçekleştirilmesini sağlayacaktır. Dünya ve Türkiye'de biyoetanol kullanımına dair yürürlüğe konulan yasal düzenlemeler ile biyoetanol kullanımının yaygınlaşması ve biyorafineri üretim kapasitelerinin artması beklenmektedir. Biyorafinerilerin artan üretim miktarlarıyla doğru orantılı olarak artış gösteren hammadde gereksinimleri ve üretim proseslerinin iyileştirilmesi teknik, ekonomik, tarımsal ve enerji açısından büyük bir önem taşımaktadır. Tarımsal kökenli hammadde kullanılarak üretilen biyoetanolün yakıt alternatifi ve katkı şeklinde artan kullanımının sonucu olarak tarım sektöründeki etkisi son yıllarda dikkat çekici boyuta ulaşmıştır. Hem kaynaklar hem de üretilen etanol açısından sürdürülebilirlik politikaları göz önüne alındığında hammadde üretim ve kullanım süreci ile etanol üretim süreci üzerinde teknik ve ekonomik öngörüler ile çevresel değerlendirmelerin doğru ve etkin bir şekilde yapılması gerekmektedir. Bu aşamada kaynak yönetimi kavramı ön plana çıkmaktadır. Hammadde aşamasından biyoetanolün kullanımının son aşamasına kadar olan süreçteki tüm üretim ve tüketim aşamaları başta kaynak yönetimi olmak üzere yeşil ekonomi, tarımsal ekonomi ve enerji ekonomisi açısından değerlendirilmelidir. Özellikle tarımsal ekonomi ve kaynak yönetimi alanında biyoetanol ile ilgili gerçekleştirilen tüm öngörü, modelleme ve optimizasyon çalışmaları ülkelerin ve kurumların yakıt etanolü ile ilgili gelecek stratejilerini belirlemede büyük rol oynamaktadır. Biyoetanol sektöründeki gelişme ve ilerlemeler başta tarım ve enerji sektörlerini de içine alarak etanolün uzun dönemli sosyo ekonomik ve diğer ekonomik etkileri üzerine yapılan çalışmaların artmasına neden olmaktadır. Biyoetanol ile ilgili yapılan birçok ekonomik temelli çalışma, giderek genişleyen biyoetanol endüstrisinin makro ekonomik performans üzerindeki global ve ulusal etkilerinin kısmi ve genel denge modelleri gibi ekonomik teoriler, tarımsal ekonomik modeller ya da simulasyon yöntemleri kullanılarak tespit edilmesi üzerine olmaktadır. Bunun yanısıra önemli bir ekonomik girdi olan ve biyoetanolün üretim süreci ve sonrasındaki tüm ekonomik sonuçları etkileyen hammadde miktarının belirlenmesi ve bununla ilgili yapılan tüm öngörü çalışmaları için farklı öngörü yöntemleri kullanılmıştır. Kaynak yönetiminin başarılı bir şekilde gerçekleşmesi ve biyoetanol üretim sürecinin sürdürülebilir olarak yapılabilmesi için öngörü çalışmaları ve modelleri büyük bir önem taşımaktadır. Gerçekleştirilen öngörü çalışmaları ile yalnızca hammadde miktarının belirlenmesi değil, kaynak kullanımının tarım ve enerji sektörü ile diğer ilişkili olduğu tüm sektörlerdeki etkileri de yorumlanabilmektedir. Öngörü için kullanılan yöntemlerin her biri öngörünün doğruluk derecesine göre farklı avantaj ve dezavantajlara sahip olsa da hammadde ve gıda arzını düzenlemek ile enerji üretim planlamalarını gerçekleştirmek için kullanılmaktadırlar. Bu amaçla, öz bağlanımlı model, öz bağlanımlı hareketli model ortalama hareketli model, yapay sinir ağları, tarımsal kaynaklı hammadde üretimi öngörüsü ile enerji kaynaklarının üretimi öngörüsü için kullanılabilir. Bu modellerin bir kısmı tek başına, farklı model ya da ilavelerle yeniden düzenlenerek biyoetanol ile ilgili farklı çalışmalar için uygun olacaktır. Bu tez çalışması kapsamında biyoyakıtların önemli bir türü olan birinci nesil biyoetanolün Türkiye'deki üretimi için öngörü çalışması yapılması amaçlanmaktadır. Mevcut biyoetanol üretiminde kullanılan ve olası yeni kaynakların tarımsal üretim potansiyelleri ve gelecekteki durumu değerlendirilerek, birinci nesil biyoetanol üretimi Türkiye öngörüsü ortaya konulmuştur. Hammadde üretim değerleri üzerinde yapılan öngörünün yanısıra Türkiye yıllık benzin tüketim değerleri üzerinde de tahmin yapılarak mevcut yasal düzenlemeler ve alternatif katkı yüzdeleri doğrultusunda gerekli olabilecek biyoetanol miktarı öngörülmüştür. Çalışmada tarım, enerji teknolojileri ve düşük karbon ekonomisi üçgeninde, yapılan öngörü çalışmalarının biyoetanol üretimi politikası için yol haritası olması hedeflenmiştir. Hammadde ve biyoetanol üretimi ile ilgili yapılan öngörülerin sonuçları incelendiğinde Türkiye'nin sürdürülebilirlik politikaları açısından tarım ülkesi olmasının da bir sonucu olarak önemli avantajlara sahip olduğu ve kaynaktan tüketimin son aşamasına kadar doğru bir biyoetanol üretim politikası ile bu kazanımların daha da artacağı görülmektedir. Bu tez çalışmasının ilk aşamasında birinci nesil biyoetanol üretiminde kullanılan hammaddeler, buğday, mısır, arpa ve şeker pancarı için lineer ve lineer olmayan modellerle yıllık potansiyel üretim arzı öngörülmüştür. Lineer model olarak öz bağlanımlı (Auto-Regressive: AR) model kullanılırken, lineer olmayan model olarak öz bağlanımlı ekzojen (Auto-Regressive eXogeneous: ARX) model, öz bağlanımlı ortalama hareketli ekzojen (Auto-Regressive Moving Average eXogeneous: ARMAX) model, özyinelemeli method (Recursive Method) ve yapay sinir ağları (Artificial Neural Networks: ANN) kullanılmıştır. Bu modeller arasından özyinelemeli model öngörü yapmak için değil yalnızca model başarımlarını iyileştirmek için kullanılmıştır. Öngörünün ilk aşamasında model mertebesi belirlenmiş ve bu model mertebesi değerleri ile her bir hammadde üretim arzına ait zaman serileri modellenmiştir. Güvenilir, doğru sonuçlar veren bir model oluşturabilmek için model mertebesinin doğru tespit edilmesi gerekmektedir. Model mertebesi belirleme öz bağlanımlı model başta olmak üzere tüm modeller için en önemli aşamadır. Literatürde öz bağlanımlı modeller için olan bu tür model seçim kriterlerinin en yaygın kullanılanları ʺAkaike Bilgi Kriteriʺ (Akaike Information Criteria: AIC), ʺSchwarz Bilgi Kriteriʺ (Schwarz Information Criteria: SIC) ve ʺSon Öngörü Hatasıʺ'dır (Final Prediction Error: FPE). Tez çalışmasında AIC ve FPE kullanılarak en uygun model mertebeleri tespit edilmiştir. Öz bağlanımlı modelde buğday ve arpa yıllık üretim miktarı verileri için model mertebeleri 2 iken, mısır ve şeker pancarı için 1 olarak tespit edilmiştir. Aynı model mertebeleri karşılaştırma yapabilmek ve diğer modellerde de kullanıldığında kabul edilebilir sınırlar dahilinde modelleme sonuçları iyi olması nedenleriyle öz bağlanımlı model için bulunan model mertebeleri öz bağlanımlı ekzojen modelle öngörü yapılırken de kullanılmıştır. Öz bağlanımlı ortalama hareketli ekzojen model için ise model performansları göz önüne alınarak en uygun model mertebeleri seçilmiştir. Öz bağlanımlı ortalama hareketli ekzojen modelde buğday ve arpa için model mertebeleri {6,5} iken, mısır için {4,3} ve şeker pancarı için {3,2} olarak bulunmuştur. Öz bağlanımlı model, öz bağlanımlı ortalama hareketli ekzojen model ve öz bağlanımlı ekzojen model için belirlenen model parametreleri bu modeller özyinelemeli modelle kullanılırken de aynı değerleriyle kullanılmıştır. Yalnızca ARMAX model için özyinelemeli model kullanılırken modelin performansına göre model mertebesi kullanılmıştır. Yapay sinir ağlarında da ilk aşamada giriş tabakası nod sayısı belirlenmeye çalışılmıştır. Her hammadde değeri için diğer modellerle özellikle öz bağlanımlı modelle uyumlu olacak şekilde aynı mertebe seçilmiş ve buna ek olarak farklı nod sayıları da denenmiştir. Belirlenen model mertebeleri ve nod sayıları ile her hammaddeye ait veri serisi için modeller çalıştırılmış ve farklı öngörü ufku değerleri için (1, 5, 10, 15, 20 yıl gibi) performans testleri yapılmıştır. Model performanslarını değerlendirmek için en çok bilinen başarım kriterleri olan Kare kök ortalama (Root Mean Square: RMS), R-Kare (R2) ve Ki-Kare (Chi-Square: χ2) kullanılmıştır. R2 sonuçları yaklaşık olarak 1'e yakın olmuş, RMS ve χ2 ise kabul edilebilir sınırlar dahilindedir. Model performanslarının değerlendirilmesi aşamasında veri serisi ve model üzerinde etkili olan faktörler açıklanmıştır. Veri serisi kısa olduğunda bile uygulanan modelin başarımının yüksek olması bu modellerin kullanılan veri serileri için uygun olduğunu göstermektedir. Tez kapsamında kullanılan modellerde özyinelemeli model ise öngörü yapmak yerine, diğer modeller ile tahmin edilen sonuçlarıyla oluşturulan serilerin düzeltme terimleriyle düzeltilmesini gerçekleştirmektedir. Oluşturulan yeni serilerle model başarımlarını incelenmiş ve eğer başarımda küçük de olsa bir artış var ise özyinelemeli modelin kullanılmasının uygun olduğu belirtilmiştir. Özyinelemeli model öngördüğümüz dataları gerçeğe daha yakınlaştırmak için kullanılmıştır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlarda öz bağlanımlı modelde tüm data serilerinde özyinelemeli model uygulanabilirken, mısır dataları için ki-kare ile özyinelemeli ortalama hareketli ekzojen modelin başarımı değerlendirildiğinde ve şeker pancarı dataları için R-kare ile özyinelemeli modelin başarımı değerlendirildiğinde beklenen artışlar sağlanamamıştır. Bu bölüm içerisinde model başarım hesaplamalarını takiben her veri serisi için farklı öngörü ufku değerleri ile öngörü yapılmış ve Türkiye'nin biyoetanol hammadde üretim değerleri ile ilgili olarak gelecekteki durumu ortaya konulmuştur. Sonuçlar incelendiğinde öngörü ufku değeri arttıkça model başarımlarında olan düşüşe bağlı olarak ve modelin karakteristiği nedeniyle hammadde üretim değerleri tahminlerinde azalma görülmüştür. Bunun nedeni kullanılan modellerin bir adım sonrasını öngörmek için oluşturulan modeller olması ve daha uzun süreli öngörülerde başarımda azalma olmasıdır. Yapay sinir ağları sonuçlarındaki azalmanın daha düşük olduğu gözlenmemiştir. Hammadde üretim arzı ile ilgili yapılan çalışmaların aynıları Türkiye yıllık benzin tüketimi için de gerçekleştirilmiştir. Özbağlanımlı ve özbağlanımlı ekzojen model için model mertebesi 8 olarak belirlenirken, yapay sinir ağları için giriş tabakası nod sayısı 4 olarak tespit edilmiştir. Ayrıca yapay sinir ağlarıyla seçilen nod sayısı değerinde bulunan öngörü sonuçlarının değişen öngörü ufku değerlerine rağmen yakın olduğu tespit edilmiştir. Model mertebesini takiben her bir model için model performansları değerlendirilmiş ve benzin datalarının uzunluğu kısa olmasına rağmen iyi bir başarımla seçilen modellerin bu datalara uygulanabildiği tespit edilmiştir. Bunlardan sonra üretilmesi öngörülen hammadde miktarlarına bağlı olarak ton başına üretilebilecek biyoetanol miktarları hesaplanmıştır. Diğer taraftan tüketilmesi öngörülen benzin miktarı hesaplanarak bugün yasal olarak benzine katılması zorunlu olan biyoetanol yüzdesi ve diğer etanol harmanlama yüzdeleri üzerinden hesaplama yapılarak farklı öngörü ufku değerleri için gerekli olabilecek biyoetanol miktarları tespit edilmiştir. Bu iki sonuç karşılaştırılarak öngörülen biyoetanol arzının öngörülen biyoetanol gereksinimini karşılayabildiği ortaya konmuştur. Bu karşılaştırma yapılırken, her hammadde için iki farklı durum dikkate alınabileceği öngörülerek her ikisi için de hesaplama yapılmıştır. İlk durumda seçilen her hammaddenin gıda, yemlik ve tohum olarak kullanma gibi öncelikli kullanım alanları dışındaki öngörülen miktarları üzerinden ton başına kaç litre biyoetanol üretilebileceği belirlenmiştir. İkinci durumda ise ilk durumdaki öncelikli alanlara ilave olarak ihracat değerleri de hesaba katılmadan üretilebilecek biyoetanol miktarları belirlenmiştir. Her model için (AR, ARX ve ANN) ayrı ayrı belirlenen bu değerler incelendiğinde benzin tüketimine bağlı olarak %1, %2, %3, %5, %10 biyoetanol harmanlaması durumundaki biyoetanol talebinin farklı öngörü ufku değerleri için (1, 5, 10, 15 yıl) karşılanabildiği görülmüştür. Öz bağlanımlı ortalama hareketli ekzojen model benzin tüketimi öngörüsü için sürdürülebilir sonuçlar vermediğinden bu model sonuçları için gerekecek biyoetanol miktarı verilmemiştir. Yapay sinir ağları kullanıldığında mısır ve şeker pancarı için iki farklı durumun yanı sıra iki farklı giriş tabakası nod sayısı değeri için ayrı ayrı hesaplama yapılmıştır. Ayrıca; yapay sinir ağlarıyla hesaplanan her hammaddeden elde edilebilecek biyoetanolün toplam arzdaki payının değişimi lineer olmamıştır. Türkiye'de biyoetanol üretimi ağırlıklı olarak şeker pancarı ve sonrasında mısırdan gerçekleştiriliyor olmasına karşın, biyoetanol arz grafikleri incelendiğinde buğdayın ve arpanın en büyük paylara sahip olabileceği tespit edilmiştir. Buğday için öngörülen biyoetanol arzındaki payının %70'lere kadar çıktığı tespit edilmiştir. Her iki durum için de elde edilen tüm model sonuçlarına göre gıda, tohumluk ve yem sektörlerindeki kullanımını etkilemeden, Türkiye'de üretimi yüksek seviyelerde olan bu iki hammaddenin de biyoetanol talebini karşılamada önemli bir paya sahip olacak olması ülkemiz açısından önemli bir avantajdır. Çalışmanın son bölümünde öngörü yöntemleriyle belirlenen gelecekteki potansiyeli göz önüne alınarak biyoetanolün farklı harmanlama oranları ile (%1, %2, %3, %5, %10) benzine katkılandığında benzin tüketimine bağlı CO2 emisyonu değerleri hesaplanmıştır. Bu emisyon değerlerinin hesaplanması için üç farklı yaklaşım dikkate alınarak yakıt başına (L) yandığında oluşabilecek CO2 emisyonu değeri hesaplanmıştır. Artan biyoetanol kullanımı ve Türkiye'nin gelecekte de önemli bir biyoetanol üreticisi olacağının öngörüldüğü bu çalışmada çevreci bir yakıt olan biyoetanolün kullanımının motor yakıtı kaynaklı emisyon değerlerinde düşüş sağlayacağı öngörülmektedir. Emisyon hesaplamaları çevresel değerlendirme açısından; çalışmanın da amacı olan biyoetanol öngörüsü doğrultusunda, enerji kaynak üretimi ve düşük karbon ekonomisi perspektifinden ülkemiz için sürdürülebilir ve çevre dostu bir yakıt olduğunu göstermektedir. Öngörülerin tutarlılığı ve öngörülen arz potansiyelinin biyoetanol ihtiyacını karşılayabildiğinin ortaya konması biyoetanol üretiminin Türkiye açısından sürdürülebilir olduğunu göstermektedir.
-
ÖgeYakıt Pili Isı Makinası Hibrit Sistemleri(Enerji Enstitüsü, ) Süslü, Osman Sinan ; Becerik, İpek ; 333049 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesTaşıtlarda depolanmış hidrojen yakıtıyla çalıştırılan yakıt pillerinin piyasaya sunulabilmesi için gelişmiş hidrojen altyapısı gereklidir. Hidrojenin araçta depolanması dışında bir seçenekse, hidrokarbonların, taşıtta su buharıyla reformlanarak, yakıt ve sudan elde edilen hidrojenin, yakıt pilinde yükseltgenmesidir. Ancak bu tepkime hidrokarbonun su buharıyla yükseltgenmesini gerektirdiğinden endotermik olup tepkime için ilave ısı gerektirir. Tepkime ısısının bir ısı makinasının egzoz gazının hissedilir ısısından geri kazanılabilir. Isı geri kazanımı sayesinde, ısıl verim artırılırken üretilen kilovat saat (kWh) başına salınımlar azalacaktır. Önerilen hibrit sistem, membran reformer, yakıt pili ve öteleme pistonlu içten yanmalı motor (Isı Makinası) içeren bir tasarımdan oluşmaktadır. Yakıt, membran reformerde su buharıyla reformlanarak, oluşan H2 membran içine seçimli sızdırmayla saflaştırılır. H2'in membrandan sızmayan kısmı, reformerin kalan gazıyla motora akarak, burada içten yanmayla ilave güç üretimi için değerlendirilerek ısıl verim arttırılır. Membran içine sızan saflaştırılmış H2, yakıt pilinin anodunda yükseltgenerek, elektrik gücü üretilir. Paladyum membranlı katalitik reformerler, paladyumun hidrojene karşı sonsuz seçiciliğe sahip olması sebebiyle, membranın hidrojeni 100% saflıkla süzmesini sağlar. Bu saflıktaki hidrojen yakıt pilinin ömrünü ve verimini arttırır. Ayrıca, yakıt pili anoduyla membran arasında bulunan saf hidrojen döngüsü, yakıt pilinin, yakıt yararlanım oranını 100%'e çıkararak, verime ilave bir katkıda bulunmaktadır. Metanol, incelenmiş yakıtlar arasında, buharlı reformlama için en düşük egzoz gazı sıcaklığını ve üretilen hidrojen miktarına oranla en düşük enerjiyi gerektirir. İçten yanmalı motora gönderilen kalan gazın içinde, metanoldeki karbonun yükseltgenmesiyle oluşan CO2'in yanında, membrandan geçmeyen H2, biraz reformlanmamış metanol ve az miktarda da CO gibi yakılabilecek bulunur. Bu gazların içerdiği kimyasal enerji, içten yanmalı motorda (İYM) mekanik güç üretilerek değerlendirilir. Metanolün reformlanması için gereken ısıysa, membran refomerin dış kabuğunda bulunan eşanjörün içinden geçen, motorun egzoz gazından geri kazanılır. Böylece çift taraflı bir ısı ve gaz geri kazanımı sağlanarak, ısıl verim arttırılır. Yakıt pili ve motorun kalan gazdan ürettiği güç anlık yükü karşılamada yetersiz kalırsa, motorda yakılan dolguya ilave sıvı yakıt da karıştırılabilir. Literatürde paladyum temelli bir membran reformerde bir yakıt pili için saf hidrojen üretilmesi önerilmiştir. Bu kaynakça tepkenlerin buharlaştırılması ve metanolün reformlanması için gereken ısının, reformerin dış kabuğunda bulunan bir katalitik yakıcıda, membran reformerin kalan gazının yakılmasıyla geri kazanılabileceğini öne sürmüştür. Ancak reformerin ısıl ataleti, soğuk kalkış sürecinde buharlaştırma ve tepkime ısısının gereken çalışma sıcaklığında üretilmesinin sağlanması için gereken süreyi uzattığından, bu tür bir sistemin çabuk bir kalkış için gereken gücü üretmesi gecikir. Kaynakçadaki düzeneğe karşın bu tez çalışmasında, kalan gazın direk yakılması yerine, İYM'da yakılarak yakıt pilinin ürettiği elektrik gücüne yanında mekanik güç de üretilmesi ve metanolün reformlanması için gereken ısının motorun egzoz gazından geri kazanılması önerilmiştir. Mevcut otomotiv endüstrisinde kullanılan İYM sayesinde, soğuk kalkışta yakıtın motorda direk yakılarak mekanik güç üretilebilmesi, soğuk kalkış için reformerin ısınmasının beklenmesi gerekmez. Ayrıca böyle bir hibrit sistem İYM'un kullanılmadığı sadece reformer/yakıt pili içeren bir düzeneğe oranla ani yük değişimleriyle daha iyi başa çıkabilmektedir, çünkü reformerdeki ısı ve kütle geçişindeki değişim yavaş olduğundan, reformerde üretilen hidrojen ve bundan yakıt pilinde üretilen elektrik gücü istenilen hızda değiştirilemeyebilir. Motorda direk yakılan sıvı yakıtla, kalan gazın enerjisinin toplamı, dolgunun toplam enerjisidir. Buna karşın, reformerin kalan gazının enerjisinin, motorda yakılan toplam yakıt enerjisine oranı olan önkarışım oranının, dolguya enjekte edilen sıvı yakıt oranının arttırılarak düşürülmesi, üretilen gücün ani yük artışıyla baş edebilecek hızda artmasını sağlar. Bir diğer kaynakçadaysa, etanolün bir İYM'un egzoz gazından geri kazanılan ısıyla reformlanması önerilmiştir. Üretilen tüm hidrojeni içeren reformatın bir PEM yakıt pilinin anodunda yükseltgenmesinden önce bir su gazı reaktöründe CO'den temizlenmelidir. Yakıt pilinin anodundan çıkan gazın motorun dolgusuna karıştırılarak İYM'da yakılması önerilmiştir. Üretilen gücün yüke yetişmemesi halindeyse, dolguya ilave etanol karıştırılabilecektir. Böylece gerek soğuk kalkış, gerekse hızlı değişken yükler, etanolün motor dolgusuna uygun önkarışım oranında karıştırılmasıyla karşılanabilecektir. Ancak su gazı reaktörü, kalan gazdaki CO miktarını, yakıt pilinin elektrokatalizörünü zehirlemeyeceği seviyeye düşürmede yeteri kadar aktif olmamıştır. Bu tez çalışmasında önerilen modelse, reformerin bir membran bulundurması ve membrana sızan saf hidrojenin yakıt pilinin anoduna gönderilmesi açısından kaynakçadan farklılık göstermektedir. Yoğun paladyum membran sayesinde yakıt pilinin anot çevriminde saf hidrojen akmaktadır. Ayrıca yakıt pilinin kalan gazı yerine reformerin kalan gazı İYM'da yakılırken, yakıt pilinin anodundan çıkan yükseltgenmemiş saf H2 tekrar anod girişine yönlendirilip tamamen geri kazanıldığından, yakıt pilinin yakıt yararlanım oranı 100%'e ulaşmaktadır. Literatürdeki 2 farklı düzeneğin olumlu yanlarının yeni bir tasarımda sentezi, bu çalışmanın bilimsel katkısını oluşturmaktadır. Önerilen yakıt pili ? ısı makinası sisteminin orijinal modelinin yanında, bu modelin hesaplanması sırasında kullanılan yöntemler de bazı yenilikler içermektedir. Yakıtın bir yakıt pilinde kullanılmak için öncelikle hidrojene dönüştürülmesi söz konusuysa, yakıtların sadece enerji yoğunluğu açısından değerlendirilmesi uygun görülmemiştir. Literatürden farklı olarak üretilen hidrojen miktarının maksimize edilmesi için, yakıtın enerji yoğunluğunun, bunun H2'e dönüşümü için gereken enerjiyle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma, çalışma sürecinde sayısal örneklerle irdelenmiştir. Ayrıca, kimyasal proseslerin kimyasal denge varsayılarak hesaplanmasında kullanılan Lagrange çarpanlar yöntemi de, için radikalleri de içeren kimyasal dengeye bağlı yanma ürünlerinin belirlenmesi için uygulanmıştır. Gerek tepkenler, gerekse ürünler, vektörlerle tanımlanarak, parametrelerin farklı değerleri için daha çabuk ve esnek hesaplama mümkün olmuştur. Yakıt pilinin İYM'a göre bir avantajı da, kısmi yüklerdeki ısıl veriminin maksimum yükteki ısıl veriminden yüksek olmasıdır. Bir PEM yakıt pilinin maksimum güçte ısıl verimi takriben % 40 olup, yükün düşmesiyle ısıl verim %50'ye kadar artış gösterir. Daha yüksek bir verimse ancak çok düşük yüklerde mümkündür. Dıştan ateşlemeli bir içten yanmalı motorunsa, maksimum yüke yakın değerlerdeki maksimum ısıl verim %35 civarında olup, yükün azalmasıyla bu değer düşer. Önerilen hibrit sistem, yakıt pilinin yüksek verimiyle, İYM'un esnekliğini birleştirir. Yakıt pilinin verimi yükle düşerken, İYM'un veriminin yükle artması, sistemin ısıl veriminin, bunun parçalarına oranla, yükten daha bağımsız olmasını sağlar. İYM metanolden elde edilen hidrojence bol sentez gazıyla çalıştırıldığında, gerek benzin gerekse metanole oranla adyabatik alev sıcaklığını düşürür. Bunun sonucunda eksik yanma ürünleri olan CO ve NOx gibi salınımların egzoz gazındaki oranı azalır. Ayrıca, sentez gazında bulunan hidrojen sayesinde, motorda daha fakir karışımların ateşlenebilmesi de kısmi yüklerde adyabatik alev sıcaklığında ilave bir düşüşün yanında motorun kısmi yük veriminin artmasının da sağlar. Metanol üretiminde son yıllarda sağlanan teknolojik gelişmenin yanında, hampetrol fiyatlarındaki devamlı artış, metanolün kilovat saat fiyatının, benzinin kilovat saat fiyatına oranla ucuzlamasını sağlamıştır. Bu sayede ısıl verim artışının yanında işletme maliyetinde düşüş sağlanarak, metanol temelli sentez gazının motorda kullanımı için yapılacak ilave yatırım maliyetinin daha kısa sürede amortize etmesi sağlanabilecektir.