Akademik Veri Yönetim Sistemi
25th International Istanbul Scientific Research Congress on Life, Engineering, Architecture, and Mathematical Sciences, İstanbul, Türkiye, 23 - 25 Mayıs 2026, ss.1320-1329, (Tam Metin Bildiri)
Küresel ölçekte enerji talebinin hızla artması ve fosil yakıt kaynaklı çevresel dezenformasyonun kritik seviyelere ulaşması, sürdürülebilir enerji dönüşüm sistemlerine olan ihtiyacı her geçen gün daha da belirgin hale getirmektedir. Bu bağlamda, geleneksel güç çevrimlerinin düşük ısıl verim gösterdiği veya teknik olarak yetersiz kaldığı düşük ve orta sıcaklıklı ısı kaynaklarını verimli bir şekilde elektrik enerjisine dönüştürebilen Organik Rankine Çevrimleri (ORÇ) üzerine yapılan bilimsel çalışmalar büyük bir ivme kazanmıştır. ORÇ teknolojisi, özellikle düşük sıcaklıklı jeotermal enerji santralleri, endüstriyel proseslerin atık ısı geri kazanımı, güneş termal uygulamaları ve biyokütle tabanlı güç üretimi gibi oldukça geniş bir uygulama yelpazesinde yüksek termodinamik verimlilik ve operasyonel esneklik sunmaktadır. Düşük kaliteli ısıl kaynakların ekonomize edilmesinde ve primer enerji kaynaklarının optimize edilmesindeki bu kritik rolü nedeniyle ORÇ sistemleri, yenilenebilir enerji literatüründe stratejik bir öneme sahip hale gelmiş ve sürdürülebilir enerji politikalarının merkezine yerleşmiştir. Bir ORÇ sisteminin termodinamik ve ekonomik performansı, doğrudan sistemde kullanılan çalışma akışkanının termofiziksel özelliklerine bağlıdır. Bu çalışmada, çevrim performansını en üst düzeye çıkarmak amacıyla, literatürde ve ticari uygulamalarda yaygın olarak kullanılan saf akışkanlar ile alternatif zeotropik karışımların performans karakteristikleri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu amaçla, mühendislik analizlerinde güvenilirlikleri kanıtlanmış olan EES (Engineering Equation Solver) ve REFPROP (Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties) yazılımlarının akışkan kütüphanelerinde ortak olarak yer alan ve çevre dostu kriterleri karşılayan 13 adet saf çalışma akışkanı belirlenmiştir. Belirlenen bu saf akışkanlar, GWP ve ODP gibi kritik çevresel kısıtlamalar ile termal kararlılık sınırları altında filtrelenmiş ve REFPROP yazılımı arayüzü kullanılarak alternatif yeni ikili zeotropik karışım kombinasyonları türetilmiştir. Zeotropik karışımların faz değişimi esnasında gösterdiği sıcaklık kayması sayesinde, ısı değiştiricilerindeki ekserji yıkımlarının azaltılması hedeflenmiştir. Çalışmanın optimizasyon ve analiz aşamasında, belirlenen spesifik çalışma şartları altında en yüksek termodinamik performansı sergileyen alternatif zeotropik karışımlar ile sistem kısıtlarını en iyi karşılayan ilk 3 saf akışkanın termodinamik analiz sonuçları parametrik olarak karşılaştırılmıştır. Simülasyon modellemelerinde, pratik saha uygulamalarını temsilen 140 ºC jeotermal kaynak sıcaklığı ve 30 ºC kondenser sıcaklığı referans çalışma şartları olarak kabul edilmiştir. Yapılan birinci ve ikinci kanun analizleri neticesinde; ısıl verim, net güç çıktısı ve ekserji verimliliği gibi temel performans indikatörleri açısından en ideal çalışma akışkanı kombinasyonu, kütlesel olarak 0.9/0.1 oranına sahip olan mx1(R601/R1233zd(E)) zeotropik karışımı olarak tespit edilmiştir. Elde edilen bulgular, optimize edilmiş zeotropik karışımların, geleneksel saf akışkanlara kıyasla ısı kaynakları ile daha iyi bir termal uyum yakaladığını ve düşük sıcaklıklı jeotermal kaynakların güç üretimine dönüştürülmesinde daha yüksek bir potansiyele sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Anahtar Kelimeler: Alternatif karışım, jeotermal enerji, organik akışkan.
The rapid increase in global energy demand and the critical levels of environmental degradation caused by fossil fuels are making the need for sustainable energy transition systems increasingly evident. In this context, scientific studies on Organic Rankine Cycles (ORCs), which can efficiently convert low and medium-temperature heat sources—where conventional power cycles exhibit low thermal efficiency or are technically inadequate—into electrical energy, have gained significant momentum. ORC technology offers high thermodynamic efficiency and operational flexibility across a wide range of applications, particularly in low-temperature geothermal power plants, industrial process waste heat recovery, solar thermal applications, and biomass-based power generation. Due to its critical role in economizing low-quality heat sources and optimizing primary energy sources, ORC systems have become strategically important in the renewable energy literature and are central to sustainable energy policies. The thermodynamic and economic performance of an ORC system directly depends on the thermophysical properties of the working fluid used in the system. In this study, the performance characteristics of pure fluids and alternative zeotropic mixtures, commonly used in the literature and commercial applications, were comprehensively investigated to maximize cycle performance. For this purpose, 13 pure working fluids, commonly found in the fluid libraries of EES (Engineering Equation Solver) and REFPROP (Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties) software, which have proven reliability in engineering analyses and meet environmentally friendly criteria, were selected. These selected pure fluids were filtered under critical environmental constraints such as GWP and ODP, and thermal stability limits. New alternative binary zeotropic mixture combinations were derived using the REFPROP software interface. The aim was to reduce exergy destruction in heat exchangers by observing the temperature shift during the phase change of the zeotropic mixtures.
In the optimization and analysis phase of the study, the thermodynamic analysis results of the alternative zeotropic mixtures exhibiting the highest thermodynamic performance under the specified operating conditions were parametrically compared with the top 3 pure fluids that best met the system constraints. In simulation models, a geothermal source temperature of 140 ºC and a condenser temperature of 30 ºC were accepted as reference operating conditions to represent practical field applications. As a result of the first and second law analyses performed, the most ideal working fluid combination in terms of basic performance indicators such as thermal efficiency, net power output, and exergy efficiency was determined to be the mx1(R601/R1233zd(E)) zeotropic mixture with a mass ratio of 0.9/0.1. The findings reveal that optimized zeotropic mixtures achieve better thermal compatibility with heat sources compared to conventional pure fluids and have a higher potential in converting low-temperature geothermal resources into power generation.
Keywords: Alternative mixture, geothermal energy, organic fluid.