ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ Hidrolik enerji Giriş Hidrolik analiz Türbinlerde Enerji Transferi Hidrolik enerjisiyle çalışan makineler

Giriş Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan hidrolik enerji bugün en çok kullanılan yenilenebilir enerji kaynağıdır. En eski enerji kaynaklarından biridir. İlk olarak binlerce yıl önce insanlar akan sudan faydalanarak tahta bir tekeri çevirip tahıl öğütmüşlerdir. Hidrolik enerjinin kaynağı isminde de anlaşılabileceği gibi sudur. Elektriği uzun mesafelere ileten teknoloji bulunduktan sonra hidrolik enerji daha da çok kullanılır olmuştur.

Giriş Enerji biçimi olarak; barajda biriken su Yerçekimi Potansiyel Enerjisi içermektedir. Su belli bir yükseklikten düşerken, enerjinin dönüşümü prensibine göre Yerçekimi Potansiyel Enerjisi önce kinetik enerji (mekanik enerji) ye daha sonra da Türbin çarkına bağlı jeneratör motorunun dönmesi vasıtasıyla Elektrik Enerjisi ne dönüşür. Üstünlükler 2004 yılı itibariyle Türkiye'nin ekonomik hidroelektrik enerji potansiyeli 127,6 Milyar kWh/yıl'dır. Hidroelektrik Santraller; yenilenebilir olmaları, yerli doğal kaynak kullanmaları, işletme ve bakım giderlerinin düşük olması, fiziki ömürlerinin uzun oluşu, en az düzeyde olumsuz çevresel etki yaratmaları, kırsal kesimlerde ekonomik ve sosyal yapıyı canlandırması gibi nedenlerle diğer enerji üretim tesislerine göre üstünlük arz etmektedir.

Giriş Türkiye'deki hidrolik enerji santrallerinin durumu

Bir Hidroelektrik santralin baraj kısmının görünüşü Giriş Hidroelektrik santrallerin ilk yatırım maliyetleri fazladır. Ayrıca büyük kapasiteli bir baraj yapımı için uzun bir süreye ve çok iyi bir fizibilite çalışmasına gerek vardır. Bir Hidroelektrik santralin baraj kısmının görünüşü Ancak baraj ve santral tamamlanıp işletmeye alındıktan sonra en ucuz elektrik üretim amaçlı enerji kaynağı hidroelektrik güçtür. Toplam yakıt, yatırım ve işletme maliyetleri dikkate alınarak farklı kaynaklardan elektrik üretiminin elde edilmesi karşılaştırılmıştır.

Hidrolik analiz Bir hidrolik barajın incelenmesinde, santrali oluşturan iki bileşen ayrı ayı analiz edilir. Bunlardan birisi (a) barajda tutulan suyu türbinlere taşıyan cebri boruların hidrolik analizi, (b) Farklı akış kombinasyonları için türbinlerin genel karakteristiklerinin incelenmesidir. Genel olarak bir hidroelektrik tesiste baraj seviyesinden başlayarak giriş bölümü, cebri boru, bir veya daha fazla türbin ve suyun tahliye edildiği boşalma kanalı bulunur. Ayrıca suyun kontrolünün yapıldığı çeşitli vana ve bağlantı elemanları da bulunmaktadır. Hidrolik analiz için ele alınan barajın şematik resmi

Hidrolik analiz Cebri borunun hidrolik analizi yapılırken enerjinin korunumu denklemi sisteme uygulanmasıyla başlanır. A ve B noktaları arasına enerji denklemi :   P : Basınç V : hız D: çap γ : özgül ağırlık f: sürtünme faktörü fT: tamamen pürüzlü sürtünme faktörü N: toplam boru sayısı K: yerel kayıp katsayısı Z: yükseklik L: boru uzunluğu C: minör kayıp katsayısı WT: türbin yükü Enerji denkleminin uygulandığı A ve B yüzeyleri atmosfere açık olduğu için basınçları atmosfer basıncına eşittir. Ayrıca her iki yüzeyde çok geniş olduğu için akış hızları çok düşüktür. türbini geçerken oluşan yükteki değişim;   PA=PB ve VA=VB

Hidrolik analiz V=Q/A Bir türbinden elde edilen maksimum güç; Hidrolik uygulamalarda boru çapı değiştiği zaman hızda değişeceği için süreklilik denkleminden yararlanarak hız yerine hacimsel debiyi yazarak matematiksel ifadeler çıkarmak daha kullanışlı olmaktadır.   Burada Q=V.A, V=Q/A Bir türbinden elde edilen maksimum güç;  

Türbin Özgül Hızı Bir türbin her zaman tek bir güçte çalışmaz. Beslenen makinanın çektiği yüke göre çeşitli güçlerde çalışır. Hidrolik türbinlerin tiplerinin seçimi için bazı özel karakteristik büyüklükler kullanılmaktadır. Bunlardan biri boyut analizi ve boyutsuzlaştırma işlemleri sonucu ortaya çıkan ve ns ile gösterilen özgül hızdır. “Bir türbinin özgül hızı bu türbine benzer olarak çalışan ve 1 m. net düşü altında 1BG güç veren türbinin devir sayısıdır” Özgül hız, türbin, jeneratör ve santral boyutlandırması için en önemli parametredir.   n=devir sayısı (dev/dak) P= Güç (BG) Q= debi (m3/sn) H=yük (m)

Türbin Özgül Hızı Özgül hız arttıkça türbin tipi aksiyon türbininden reaksiyon türbinine doğru değişir. Pelton türbinlerinin özgül hızları 8-30 arasındayken Francis türbinlerinin özgül hızları 60-400 civarında ve kaplan türbinlerinin özgül hızları 400-1100 arasında değişmektedir. Özgül hıza (ns) bağlı olarak bir türbinin devir sayısı (n) da artacaktır. Devir sayısının artması türbin-jenaratör grubunun ebatlarının, santral binasının boyutlarının ve elektromekanik cihazın fiyatlarını azaltır. Ancak kavitasyon tehlikesinden dolayı tesisin daha derine yerleştirilmesi gerekir. Buda inşaat ve hafriyat maliyetini artırır. Bu nedenle ns ve n uygun seçilmelidir.

Türbinlerde enerji transferi Pelton Türbini: Aksiyon türbini olduğu için su, hızı ile etkir. Türbinin girişi ile çıkışı arasındaki enerji farkı esas olarak kinetik enerji farkına tekabül eder. Türbinin giriş ve çıkış basınçları pratik olarak birbirine eşittir. Bu bakımdan reaksiyon derecesi sıfırdır. Bu türbinlerin özgül hızları küçük olup reaksiyon türbinlerine oranla yüksek düşülerde kullanılmaya uygundurlar. Modern su türbinleri arasında bugün endüstriyel anlamda önemi olan tek aksiyon türbini Pelton türbinidir. Bir Pelton türbini Pelton türbinleri tarihi Amerika'da «Altına hücum çağı» ile ilgilidir. 1848 senesinde Kaliforniya'da Altın bulunuşu üzerine büyük çapta göç başlamıştır. Maden ocakları için lüzumlu olan tahrik gücünün elde edilişinde buhar makinalarının çok hantal olması yüzünden su makinası kullanılması tercih edilmiştir.

Pelton türbini Pelton türbini düşük özgül hızlar (ns) için en uygun türbin tipidir. Pelton türbininde cebri boru ile taşınan su bir lüleden geçerek çarkın kepçelerine hızlı bir şekilde çarptırılır. (büyük kapasiteli türbinlerde daha fazla lüle kullanılmaktadır). Bir Pelton türbininin lülesi ve 6 lüleli bir düzenleme Lester Pelton ismindeki mühendis bu arada yaptığı çabalarla huzmeyi ikiye ayıran ve çarpma kaybını yok eden yırtmaçlı kepçe ile 1880 yılında bugün kendi adı verilen türbinin çok basit şeklinin patentini almıştır.

Pelton türbininin analizi (hız üçgenleri) Lüleden çıkan su jeti kepçelere aynı radyal bölgeden girip çıktığı için U1=U2=U’ dur. Pelton çarkı korumasız, impulsif bir makinedir ve reaksiyon derecesi sıfırdır. (Reaksiyon derecesinin sıfır ve teğesel hızların eşit olması için turbomakinaların temelleri Vr1=Vr2 olmalıdır) Hız üçgeninden de girişteki mutlak hız V1 teğetsel doğrultuda ve çarkın teğetsel hızıyla aynı yöndedir. Çıkıştaki ayırıcı giriş mutlak hızıyla β<180o lik bir açı yapar. (kepçe döndürme açısı) kepçenin giriş ve çıkış hız üçgeni U1 Akışkandan alınan güç;   Hız üçgenlerinden;           Maksimum güce karşılık gelen çark hızı U;       Pelton çarkından elde edilecek maksimum güç   durumunda olur ve;

Francis Türbinleri Francis türbini Peltonların aksine reaksiyon (tepki) türbinlerindendir. Bu türbinler impulsif türbinlerin tersine suyum hem kinetik hem de potansiyel enerjisinden faydalanırlar. Bu nedenle, çarka girişteki basınç çarktan çıkıştaki basınçtan çok büyük olur ve bu yüzden suyun kapalı kanallar içinde akması zorunluluğu vardır. . Francis türbini Bir Francis türbini. 6.19 m çapında ve 17 kanada sahip (Çengel ve Cimbala, 2007). (İsmini 1840’lı yıllarda onu geliştiren B. Francis’ten almıştır. https://www.youtube.com/watch?v=3BCiFeykRzo

Kaplan türbinleri ve Uskur Çarkları 100 m’den daha küçük düşülerde çalışan çok büyük debili reaksiyon türbinleridir. Devir sayılar dakikada 50’ye kadar inebilmekle birlikte, özgül hızları en yüksek değerlere çıkan türbinlerdir. En iyi verimli Uskur çark ve Kaplan türbinlerinin özgül hızları 400/900 d/dak arasındadır. Kaplan türbinlerinde çarkın kanatlarına “pala” ismi verilir. Francis türbinlerden en önemli farkı su Francis türbinlerine radyal doğrultuda girerken Uskur ve Kaplan türbinlerde eksenel doğrultuda girmektedir. Ayrıca Francis türbinlerde çarktaki kanat sayısı genellikle 16-24 arasında değişirken ve bu kanatlar çarka sabit biçimde bağlı iken, Kaplan türbinlerde pala sayısı 3 ile 8 arasında değişir ve Kaplan türbinlerde bu palaların yerleştirilme açıları işletme sırasında değiştirilebilmektedir. Tesise yerleştirilmiş bir kaplan türbini

Örnek 1. r= 1,83 m do=0,1 m V1= 102 m/s Q= V.A V1=Vjet olduğundan   r= 1,83 m do=0,1 m V1= 102 m/s   Q= V.A V1=Vjet olduğundan Q=Vj.A Q=102.((π.do2)/4) =0,801 m3/s do=10 cm

Örnek 1. b) Gücün maksimum olması için teğetsel hızın akışkan hızının yarısı kadar olması gerekir.  

Pelton, Francis ve Kaplan Türbinlerinin Karşılaştırılması https://www.youtube.com/watch?v=k0BLOKEZ3KU

Hidrolik enerjisiyle çalışan bazı makineler

Hidrolik enerjisiyle çalışan bazı makineler