Antalya ili için güneş enerjisi destekli desalinasyon sisteminin termoekonomik analizi

Abstract

Bu çalışmada, Antalya ili koşullarına uygun olarak tasarlanan 5 efektli bir MED-TVC (Multi Effect Distillation – Thermal Vapour Compression) desalinasyon sistemi, vakum tüplü ve parabolik oluklu güneş kolektörleriyle entegre edilerek sistem enerji, ekserji ve termoekonomik analiz yöntemleri ile detaylı bir şekilde incelenmiştir. Sistem, deniz suyunu çok aşamalı buharlaştırma ve yoğunlaştırma prensibiyle saf suya dönüştürmekte, buhar sıkıştırma ünitesi (TVC) ile düşük basınçlı buharı yeniden değerlendirerek termal verimliliği artırmaktadır. Isı kaynağı olarak doğal gaz yerine vakum tüplü güneş kolektörleri kullanılarak, sistem hem çevre dostu hem de uzun vadede ekonomik bir yapıya kavuşturulmuştur. Sistemin termodinamik analizi, ikinci yasa (ekserji) analizi ile desteklenmiştir. Sistemde her noktanın sıcaklık, basınç, entalpi, entropi, kütlesel debi verileri kullanılarak her bileşenin ekserji verimliliği ve ekserji yıkımı hesaplanmıştır. Ayrıca sistemin toplam yıllık maliyeti, yatırım ve işletme maliyetleri dikkate alınarak bir termoekonomik analiz gerçekleştirilmiştir. Güneş kolektörleriyle entegrasyonun işletme ve yatırım maliyetine etkisi değerlendirilmiştir. Antalya ili gibi yüksek güneş potansiyeline sahip bölgelerde güneş enerjisinin uzun vadede ekonomik bir çözüm olabileceği analiz sonuçlarına göre gösterilmiştir. Ayrıca sistemde vakum tüplü güneş kolektörleri yerine parabolik oluklu güneş kolektörlerinin kullanılması durumda sistemin performansı karşılaştırılmıştır ve her ne kadar sistem performansını artırdığı düşünülse de ekonomik yönden parabolik oluklu güneş kolektörlerin yatırım maliyetini artırdığı görülmüştür. Sonuç olarak, vakum tüplü güneş kolektörleriyle desteklenmiş MED-TVC sistemi, Antalya ili koşullarında sürdürülebilir, ekonomik ve çevresel açıdan uygulanabilir bir yapıdır. Bu sistem, özellikle turizm bölgeleri, adalar ve kıyı yerleşimlerinde su temini için pilot tesis olarak kurulabilir. İyileştirme önerileri arasında 1. efekt ısı eşanjörü optimizasyonu, TVC ünitesi tahrik buhar basıncının ayarlanması, atık tuzlu sudan mineral geri kazanımı ve sistem performans izleme sistemi yer almaktadır.In this study, the energy, exergy, and thermo-economic performances of a 5-effect MED-TVC (Multi-Effect Distillation – Thermal Vapour Compression) desalination system, integrated with vacuum tube solar collectors and designed for the climatic conditions of Antalya, Turkey, were analyzed in detail. The system converts seawater into fresh water through a multi-stage evaporation and condensation process, while the thermal vapour compression (TVC) unit enhances thermal efficiency by recompressing low-pressure vapour for reuse in the first effect. By replacing natural gas with vacuum tube solar collectors as the primary heat source, the system has been transformed into an environmentally friendly and economically viable solution in the long term. The thermodynamic analysis of the system was supported by second-law (exergy) analysis. Using the temperature, pressure, enthalpy, entropy, and mass flow rate data at each point of the system, the exergy efficiency and exergy destruction of each component were calculated. In the thermo-economic analysis, the system’s total annual cost was determined by considering both capital investment and operating & maintenance (O&M) costs. The impact of integrating solar collectors on the overall cost was evaluated, demonstrating that solar energy represents a cost-effective solution in the long run, particularly in regions like Antalya with high solar potential. Furthermore, the thermo-economic analysis of the system was investigated using parabolic trough collectors instead of vacuum tube collectors. Although the system performance is expected to improve with parabolic trough collectors, it was observed that they increase the overall system cost, making them less economically favorable despite their higher thermal performance. As a result, the MED-TVC system supported by vacuum tube solar collectors proves to be a sustainable, economically feasible, and environmentally applicable solution under Antalya’s climatic conditions. This system can be implemented as a pilot plant for water supply in coastal settlements, tourist areas, and island communities. Key improvement recommendations include optimization of the first-effect heat exchanger, adjustment of the TVC unit’s motive steam pressure, mineral recovery from brine waste, and implementation of a real-time system performance monitoring system.