Sıkıştırılmış doğal gaz depolama ve dağıtım teknolojileri

Abstract

Bu tezde, sıkıştırılmış doğal gaz (CNG) dolum istasyonlarının termodinamik davranışı, sistem bileşenlerinin dinamik etkileşimi ve tasarım parametrelerinin optimizasyonu çok disiplinli ve bütüncül bir yaklaşımla analiz edilmiştir. İlk olarak, farklı doğal gaz karışımları için sıcaklık ve basınca bağlı olarak özgül hacim, entalpi, entropi, sıkıştırılabilirlik faktörü ve ses hızı gibi termodinamik özellikler hesaplanmış, bu kapsamda doğrulama amacıyla AGA8-DC92 denklemi uygulanmış, esas modelleme sürecinde ise CoolProp kütüphanesi ile daha esnek ve kapsamlı hesaplamalar yapılmıştır. Hesaplanan veriler, Simulink ortamında geliştirilen fiziksel modele aktarılmış ve çok kademeli kompresör, ara soğutucular, üç seviyeli depolama tankları ile dispenser birimi ayrıntılı biçimde temsil edilmiştir. Model, araç dolum süreci boyunca sıcaklık, basınç ve debi değişimlerinin zamana bağlı olarak izlenmesini sağlamaktadır. Araç tankı, hortum ve depo bileşenleri arasındaki akış ve ısı transferi ilişkileri incelenmiş; farklı gaz özellikleri, ortam koşulları ve dolum senaryoları karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Sistem performansı üzerindeki etkisi nedeniyle kademeli depolama sistemine ait hem basınçların hem tank hacim oranlarının optimizasyonu gerçekleştirilmiş; bu kapsamda Taguchi deneysel tasarımı uygulanmış ve çoklu performans kriterleri Gri İlişki Analizi (GRA) yöntemiyle birlikte değerlendirilmiştir. Geliştirilen model ve elde edilen optimizasyon çıktıları, CNG istasyonlarının tasarımı ve işletilmesi için uygulanabilir mühendislik kararları sunmakta, literatüre hem bilimsel hem de pratik katkılar sağlamaktadır.

In this dissertation, the thermodynamic behavior of compressed natural gas (CNG) refueling stations, the dynamic interaction among system components, and the optimization of design parameters are analyzed through a multidisciplinary and integrated approach. Initially, thermodynamic properties such as specific volume, enthalpy, entropy, compressibility factor, and speed of sound were calculated depending on temperature and pressure for various natural gas mixtures. For validation purposes, the AGA8 DC92 equation of state was used, while the main modeling was carried out using the CoolProp library to enable more flexible and comprehensive calculations. The computed data were transferred into a physical model developed in the Simulink environment, which includes a compressor with multiple stages, intercoolers, a storage tank system with three pressure levels, and a dispenser unit. The model allows time-based monitoring of temperature, pressure, and mass flow variations during the vehicle filling process. The flow and heat transfer interactions between the vehicle tank, hose, and storage units were examined, and different gas compositions, environmental conditions, and filling scenarios were comparatively analyzed. Due to their significant impact on system performance, both reservoir pressures and volume ratios of the storage tanks were optimized. In this context, the Taguchi experimental design was applied, and multiple performance indicators were evaluated using the Grey Relational Analysis (GRA) method. The developed model and the resulting optimization outcomes provide practical engineering recommendations for improving the design and operation of CNG refueling systems and contribute original insights to the scientific literature.