Thermodynamic Performance Analysis of the MESMA System Used as an Air-Independent Propulsion System in Submarines

Abstract

Worldwide, the underwater strategic power of the seas is becoming more and more important day by day. Therefore, the place and importance of submarines in the strategic thinking of the navies are getting bigger and bigger. Submarines are considered as the most advanced and powerful combat vehicles. Due to the emergence of new power centers and threats on the seas, countries' interest in underwater warfare platforms has increased. For this reason, big investments are made in advanced, high-capability submarines. In this study, thermodynamic performance analysis of the MESMA system, which is used as an air-independent propulsion system in submarines, was made. First, the working principle of the MESMA system was shown. Energy and exergy calculations of the components that make up the MESMA system were made. A detailed combustion analysis was carried out in the part where the combustion, which is the primary and most important part of the MESMA system, takes place. Combustion products and combustion exergy of actively used methanol and ethanol fuels in the system were compared with their results in combustion with 21% and 25% oxygen ratios. The net power values of the whole system are presented by the combustion of ethanol and methanol fuels according to three different oxygen ratios, the variation of the equivalence ratio, and the combustion chamber inlet temperature. It has been found that the combustion of ethanol and methanol results in a difference between 10 and 50 kW in terms of net power. It has been shown that the power obtained increases with the increase of the oxygen ratio in the combustion. In addition, the system power increased as the combustion chamber inlet temperature increased. Although the obtained powers are close, it was concluded that methanol combustion has a significant excess of ethanol combustion when examined in terms of efficiency. There was a difference of 5 points between the two fuels in terms of efficiency. In addition, it has been examined in terms of ecological performance coefficient (ECOP) and it has been shown under which conditions a more environmentally friendly performance will be achieved. It has been demonstrated that methanol fuel is more advantageous in terms of ECOP.Dünya genelinde, denizlerin sualtı stratejik gücü, gün geçtikçe daha da önemli bir hale gelmektedir. Bu nedenle deniz kuvvetlerinin stratejik düşüncesinde denizaltıların yeri ve önemi gün geçtikçe artmaktadır. Denizaltılar birçok kişi tarafından en gelişmiş ve güçlü savaş araçları olarak kabul edilir. Denizlerde yeni güç odakları ve tehditlerin oluşması nedeni ile ülkelerin sualtı savaş platformlarına ilgileri artmıştır. Bu yüzden günümüzde gelişmiş, yüksek kabiliyetli denizaltılar için büyük yatırımlar yapılmaktadır. Bu çalışmada, denizaltılarında havadan bağımsız tahrik sistemi olarak kullanılan MESMA sisteminin termodinamik performans analizi yapılmıştır. İlk olarak MESMA sisteminin çalışma prensibi gösterilmiştir. MESMA sistemini oluşturan bileşenlerin enerji ve ekserji hesaplamaları yapılmıştır. MESMA sisteminin birincil ve en önemli bölümü olan yanmanın olduğu kısımda detaylı yanma analizi yapılmıştır. Sistemde aktif olarak kullanılmış metanol ve etanol yakıtlarının yanma ürünleri ve yanma ekserjisi, %21 ve %25 oksijen oranlı yanmalardaki sonuçları ile kıyaslanmıştır. Tüm sistemin elde edilen net güç değerleri etanol ve metanol yakıtlarının üç farklı oksijen oranına göre yanması, ekivalans oranı ve yanma odası giriş sıcaklığının değişimi ile sunulmuştur. Net güç bakımından etanol ile metanol yanmasının 10 ile 50 kW arasında bir farkla sonuçlandığı tespit edilmiştir. Yanmadaki oksijen oranının artması ile elde edilen gücün arttığı gösterilmiştir. Ayrıca yanma odası giriş sıcaklığı arttıkça sistem gücü artmıştır. Elde edilen güçler yakın olmasına rağmen verim bakımından incelendiğinde, metanol yanmasının etanol yanmasından belirgin bir fazlalığı olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Verim açısından iki yakıt arasında 5 puanlık fark oluşmuştur. Ayrıca ekolojik performans katsayısı (Ecological coefficient of performance/ECOP) yönünden incelenerek hangi şartlarda daha çevre dostu performans elde edileceği gösterilmiştir. Ekolojik performans katsayısı (ECOP) ekivalans oranın 0,3’den 1’e kadar artması ile azalarak artan bir grafik çizmiştir. Ekivalans oranın 1’den 1,5’e bir miktar azaldıktan sonra yatay olarak devam etmiştir. Ekolojik performans katsayısı (ECOP) bakımından metanol yakıtının daha avantajlı olduğu ortaya koyulmuştur.