Energy Systems Engineering

ÖZET Jeotermal ısı pompaları (JIP'ları) olarak da bilinen toprak (yer) kaynaklı ısı pompaları (TKIP veya YKIP), geleneksel ısıtma ve soğutma sistemleriyle karşılaştırıldığı zaman, enerji kullanım verimlerinin daha yüksek olması nedeniyle, binaların ısıtılması ve soğutulması için, uzun yıllardır gelişmiş ülkelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra, 1977 yılından beri Türk piyasasında da kullanılmakta olup, son zamanlarda kullanımı artmaktadır. Bu çalışmada, öncelikle, TKIP' larının çalışma şekli, sistemleri, yararları, sakıncaları, uygulamaları ve dünya çapındaki konumu verilmektedir. Daha sonra, toprak ısı değiştiricisi üzerine yoğunlaşarak, bir TKIP sisteminin güneş enerjisi ile kombinasyonu ve asfalt ısıtılması-soğutulması konusu sunulmaktadır. Anahtar Kelimeler: Toprak kaynaklı ısı pompası, jeotermal ısı pompası, ısı pompası, toprak ısı değiştiricisi, güneş enerjisi, asfalt ısıtılması soğutulması.

An experimental study was conducted to determine the effects of adding copper oxide (CuO) with 50 nm diameter into neat methanol (CH 3 OH) on the energetic and exergetic analysis of a concentrated air collector with vacuum tube heat pipe at different air velocities (1, 2 and 3 m/s). The experimental results clearly indicated that the nanofluid application enhanced the thermal properties and provided better performance for heat pipe applications. Considering all air velocities together, the average efficiency for neat methanol and CuO-Methanol nanofluid was achieved by 65% and 64%, respectively. Additionally, the average specific exergy outlet values for neat methanol and CuO-Methanol nanofluid were calculated as 206 J/kg and 298 J/kg, respectively. In the experiments, it is seen that the efficiency values of the system using the CuO-Methanol nanofluid reached higher values, as the solar radiation values were higher. In conclusions, this paper distinctly suggests that the presence of copper oxide in the base fluid can be used in a concentrated air collector with vacuum tube heat pipe particularly at the high radiation conditions and positively affects the performance of the system.

Ekserji, sisteme giren enerjinin ne kadarının işe veya sistemden çıkan işin ne kadarının enerjiye dönüştürüldüğünü ve o sistemden ne kadar yararlanılacağını gösteren yararlı iş potansiyelidir. İleri ekserji analizi ise, sistemde meydana gelen ekserji yıkımını sistemi oluşturan bileşenler arasındaki etkileşime bağlar ve sistemde yer alan sorunların tespitini yapmada kolaylık sağlar. Ayrıca yapılacak yatırım, iyileştirme vs. uygulamalarda ise mali ve zaman tasarrufu sağlar. Bu çalışmada; bir Demir Çelik fabrikasının “Hava Ayrıştırma Tesisi” üretim sürecinin başlangıcında yer alan 3 kademeli Turbo/Santrifüj Tip Ana Hava Kompresöründe ekserji ve ileri ekserji analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler, kompresörün 210.000 Nm3/h ve 240.000 Nm3/h olmak üzere iki farklı debi değeri için yapılmıştır. Analize başlamadan önce sistemin ölçüm noktaları belirlenmiştir. Geleneksel ekserji analizi yapılırken sistemde yer alan bu ölçüm noktalarının işletme şartlarındaki değerleri, ileri ekserji analizinde ise işletme şartları altındaki değerlerin yanı sıra ölçüm noktalarının teorik ve kaçınılmaz değerleri de belirlenmiştir.
210.000 Nm3/h debide çalıştırılan kompresör için yapılan geleneksel ekserji analizi sonucunda ekserji yıkımının en fazla gerçekleştiği sistem bileşenlerinin kompresör kademeleri olduğu, en verimli bileşenlerin ise sıkışırken sıcaklığı artan havayı soğutmak amacıyla kullanılan soğutucuların olduğu tespit edilmiştir. Sistemde en verimsiz bileşenlerin ise kompresör kademeleri ve soğutuculara basınçlı su sağlayan pompanın olduğu tespit edilmiştir. Sistem veriminin ise %21,27 olduğu hesaplanmıştır. İleri ekserji analizinde, kompresörlerde ve pompada iyileştirmeler yapılırsa sistem verimliliğinin %40,83'e yükseleceği belirlenmiştir.
240.000 Nm3/h debide çalıştırılan kompresör için yapılan geleneksel ekserji analizi sonucunda ekserji yıkımının en fazla gerçekleştiği sistem bileşenlerinin de kompresör kademeleri olduğu, en verimli bileşenlerin ise sıkışırken sıcaklığı artan havayı soğutmak amacıyla kullanılan soğutucuların olduğu tespit edilmiştir. Sistemde en verimsiz bileşenlerin ise kompresör kademleri ve soğutuculara basınçlı su sağlayan pompanın olduğu tespit edilmiştir. Sistem veriminin ise %25,02 olduğu hesaplanmıştır. İleri ekserji analizinde, kompresörlerde ve pompada iyileştirmeler yapılırsa sistem verimliliğinin %80,67'ye yükseleceği belirlenmiştir.

In this study, the thermodynamic performance of a real operating three-stage turbo/centrifugal type main air compressor for the air separation unit in an iron-steel industry was evaluated using both conventional and enhanced exergy analyses. Furthermore, the interaction and the potential for improvement of system components at two different airflow rates, 210,000 Nm 3 h −1 and 240,000 Nm 3 h −1 , were investigated under real operating conditions. The results indicated that the conventional exergy analysis of the system yields efficiency rates of approximately 21.3% and 25.0% for these airflow rates, respectively. It was found that implementing operating conditions proposed by the enhanced exergy analysis could increase the system's exergy efficiency to about 40.8% and 80.7%, respectively. The primary causes of exergy destruction in the compressor are generally attributed to frictions occurring in the impeller, diffuser, and volute, as well as shock waves and air circulation during the compression process. It was observed that system efficiency could potentially increase to 80.7% with improvements in compressors and pump. The study also determined that enhanced exergy analysis is beneficial for identifying losses in system components and is seen as a tool that complements conventional exergy analysis. Keywords Air separation unit • Enhanced exergy analysis • Iron-steel industry • Thermal energy storage • Thermodynamic performance • Turbo/centrifugal compressor Abbreviations Symbolṡ E Exergy rate, (kW) h Specific enthalpy, (kJ kg −1) ṁ Mass flow rate, (kg s −1) P Pressure, (bar) s Specific entropy, (kJ kg −1 K −1) T Temperature, (°C or K) V Nominal volumetric flow rate, (Nm 3 h −1) Ẇ Work rate, (kW) Greek letters ε Exergy efficiency, (%) η Energy efficiency, (%) ψ Specific exergy, (kJ kg −1) Ω Resistance, (ohm)

Bu çalışmada viskoz, sıkıştırılamaz özelliğe sahip nanoakışkanın silindirik bir boruda laminer Hidrodinamik (HD) akışı sayısal olarak incelenmiştir. 
16 mm çap ve 1500 mm uzunluğa sahip silindirik boruda akışkan olarak farklı hacimsel konsantrasyon oranlarına (0.01≤φ≤0.04) sahip  〖Fe〗_3 O_4 –su nanoakışkanı kullanılmıştır.  Silindirik düz bir kanal içerisinde sabit duvar ısı akısı (7500 W/m2) uygulanmış olup, sayısal çalışmada temel akışkan su ve 〖Fe〗_3 O_4  için sonlu hacimler tekniğine dayalı çözümleme yapabilen ANSYS  2019 R3 programı FLUENT kodu kullanılmıştır.
〖Fe〗_3 O_4 – su nanoakışkanı için 293 K giriş sıcaklığında fiziksel özellikler gerekli formüllerden hesaplanmıştır ve temel akışkan su için 293 K de sahip olduğu fiziksel özellikler bulunmuştur.
Daha sonra su ve özellikleri baz alınarak uygun mesh çalışması yapılmıştır. Çalışma sonucunda 16x1000 mesh yapısının uygun olduğuna karar verilmiştir. Farklı hacimsel konsantrasyon oranlarında 0.01≤φ≤0.04  〖Fe〗_3 O_4  ve suyun analizi yapılmış olup toplamda 54 analiz sonucunda her bir analiz için  T_(wall,) T_(out,) P_in değerleri okunmuştur. Analizlerden elde edilen çıktılar Origin programı 2018 sürümü kullanılarak Re-Nu, Re-h, Re-f, Re-ΔP grafiklerine dönüştürülmüştür. Nanoakışkanın farklı hacimsel konsantrasyon değerlerindeki (0.01≤φ≤0.04) Re-Nu, Re-h, Re-f, Re-ΔP değişimleri grafikler çizilerek karşılaştırılmış olup gerekli yorumlamalar yapılmıştır. Daha sonra ise literatürde nanoakışkanların Re-Nu değişimiyle ilgili yapılan çalışmalar ile Origin programında çizilen su ve 0.01≤φ≤0.04 aralığında hacimsel konsantrasyon oranlarına sahip 〖Fe〗_3 O_4 ‘ün Re-Nu grafiği mukayese edilmiştir.
Sonuç olarak yapılan bu tez çalışmasının literatürde yapılmış olan birçok çalışma ile birbirini destekler nitelik ve nicelikte olduğu tespit edilmiştir.

Bu yazıda İklimlendirme Sistemlerinde Kullanılan Kompresör Çeşitleri ve Frekans Inverterli Kompresör'ün çalışması anlatılmaya çalışılmıştır. HVAC sistemlerin kalbi olan kompresörler sizlere birer tez alanı olabilir. Mühendis adaylarının ödevlerinde yardımcı olması dileğimle.

The use of wind energy over Turkey is very important in the sense that it reduces the dependence on conventional energy sources and import dependence . Blowing time, speed, and direction of wind can not be determined. Wind power plants (WPP) in the planning of electricit y generation depends on the meteorological data of wind at established in the region and time-bound. Studies on detecting the change in wind energy, and studies on production planning with real and highly reliable models are still going on. Modeling of the wind data with probability distribution functions is one of the studies in this area. Places to be invested with the technical potential of wind data shall be determined by modeling and production planning is performed. In this study, probability distribution functions, which are widely used in the field of wind power, are briefly summarized. Which probability distribution function is available in Karabük wind data has also been examined

Estimating wind energy potential and wind speed frequency are important for planning wind energy conversion plants. Probability distribution functions are utilized to model wind speed distributions. In this study, an estimation was model designed by using the least squares method to predict the wind speed density with the Burr distribution, which has not been studied before. To confirm this model, the annual data of eight different weather stations were analysed, and the results were compared with the Weibull distribution model, which is the most popular one in the literature. For predicting the parameters of both models least square method and maximum likely methods were used. Regarding the comparison results, the performance of designed estimation model (Burr LSM) is higher than the Weibull distribution models, especially for the locations with higher average wind speeds. The results show that the Burr LSM is better than the others for seven of eight weather stations in terms of the power density. Keywords: Burr probability distribution function, forecasting, modelling, probability distribution functions, wind energy potential, wind speed distribution. Highlights:  Formulas to determine the Burr distribution parameters of a and b based on the least squares method with increasing values of k were given for the first time in the literature.  Frequencies obtained from Burr.pdf LSM (Burr probability density function-Least Squares Method) were compared with the measured wind speed frequencies and Weibull model.  Wind power densities obtained from Burr.pdf and W.pdf were compared with the measured wind power densities.

In this study, wind characteristics and wind energy potential of seven cities from The West of Black Sea Region in Turkey were analyzed. The wind data were obtained by National State Meteorological Service. It was measured at 10 meters' height in the date range 2010-2014. Weibull probability density function was calculated and estimated Weibull shape parameter k and scale parameter c, with the data for those locations. According to the power calculations of the region, annual mean power densities of Zonguldak, Bartın, Kastamonu, Bolu, Karabük, Düzce and Sinop were calculated as 105 W/m 2 , 37,4 W/m 2 , 40 W/m 2 , 27,15 W/m 2 , 27 W/m 2 , 26,3 W/m 2 and 209 W/m 2 at the height of 50 m, respectively. The results show that, the region has not enough wind energy potential considering investment on wind power energy except Sinop.

Gelişen ve büyüyen ülkemizin enerji ihtiyacı katlanarak artmaktadır. Ülkemiz, enerji pazarında bağımlılıklardan kurtulmak için yenilenebilir enerji payını artırmak istemektedir. Bu alanda rüzgâr enerjisi ciddi potansiyele sahiptir. Yatırım için rüzgâr ölçümlerinin alınması ve rüzgâr türbinini etkileyecek faktörlerin tespit edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, Karabük iline bağlı Kâhyalar Köyü’nde, rüzgâr ölçüm istasyonu tarafından 10’ar dakikalık periyotlarla elde edilen verilerle, bölgenin rüzgâr enerjisi potansiyeli ve hakim rüzgâr yönü belirlenmiştir. Rüzgâr hız ve güç yoğunluklarının istatistiksel analizi yapılmıştır. Farklı firmalara ait 8 farklı model türbin için kapasite faktörleri hesaplanmıştır. Yapılan araştırma sonucunda bölgenin rüzgâr enerji potansiyelinin elektrik enerjisi üretimi bakımından uygun olup olmadığı değerlendirilmiştir.

Wind known as a movement of air masses and an energy source, with regard to providing the energy requirement has a great importance economically and environmentally. Air movements fundamentally result from thermal differences and pressure differences while the sun heats the earth. It is difficult to investigate the wind analytically due to turbulences in its structure. It has a big importance for estimating the wind speed in the planning of the energy generation and The Wind Energy Systems (WES). In this study, the stochastic autoregresif-moving average ARMA (p, q) approach was applied to estimate the time series of the wind speed of Karabük the province of Turkey. The future wind speeds has been estimated with the models created in this study by using prior data.The studies were conducted on various models to estimate the wind speed in the province Karabük. The actual data and the models' have been compared with each other by calculating the error computation of the data produced by the models.

Wind speed estimations methods are indispensable to calculate potential of wind energy, energy production plans, operation and turbine maintenance. Numerous methods are applied in for these process. In this study, wind speed was estimated as a daily and hourly average by artificial neural networks (ANN) and proposed another new analytical method. So the results of ANN and the simulation of proposed method was compared. Comparison showed that proposed method is reliable. Then next year's average daily wind speed was simulated by using previous year's average daily wind speed data to prove completing missing data .

In this study, the province of Karabuk’s Eskipazar district’s frequencies of wind speed data was modeled by mathematical probability density functions. To model the wind speed distribution Rayleigh, lognormal and Weibull distribution are used. The parameters of the probability distribution functions recalculated using least squares method, the method of moments and maximum likelihood methods. Wind energy is calculated with the power density probability distribution functions used in order to determine the estimated potential is compared with the actual power density. To determine whether the model's performance is better than the square root of the sum of the mean square error(RMSE) and coefficient of determination(R2)was used. Produced frequency by the selected probability distribution with the actual wind frequency compliance is investigated.

Bu çalışmada, hibrit mühendislik bölümlerinden biri olan,
Türkiye'deki üniversiteler bünyesinde 2006 yılından itibaren
açılmaya başlanan, Enerji Sistemleri Mühendisliği
Bölümü(ESMB) ve 2010 yılında eğitim kurumlarımız arasında
yerini alan Teknoloji Fakültelerinin(TF) tarihsel gelişim süreci
ve eğitim programlarından bahsedilmiştir. Bu fakülteler için özel
kontenjan ayrılan Mesleki ve Teknik Orta Öğretim Kurumları
(MTOK) öğrencileri ve bu öğrencilerin eğitim süreçleri ele
alınmış, TF ve özelde ESMB öğrencilerinin genel problemleri ve
çözüm önerileri değerlendirilmiştir.

In this study, wind characteristics and wind energy potential of seven cities from The West of Black Sea Region in Turkey were analyzed. The wind data were obtained by National State Meteorological Service. It was measured at 10 meters' height in the date range 2010-2014. Weibull probability density function was calculated and estimated Weibull shape parameter k and scale parameter c, with the data for those locations. According to the power calculations of the region, annual mean power densities of Zonguldak,

In this paper, we apply the Fourier transform method with the Adomian decomposition method to solve Riccati equations. Proposed method is based on the Fourier transform and Adomian decomposition methods. The solutions obtained using FADMs are compared with the numerical solutions obtained using the Rung Kutta2 and Euler method.