MAK 486 ENERJİ YÖNETİMİ BÖLÜM 3 -II (Devamı)

Bölüm-3, devam Enerji üretimi, deyince, bazı Termodinamik prensiplerin hatırlanmasında gerek vardır. Termodinamik kanunları, elde mevcut enerjinin verimli kullanılması, enerji kalitesi, entropi kavramı önem taşımaktadır.

Tekrar Sınıfta tartıştığımız gibi Bölüm 3, termodinamik dersinde okuduğunuz esas kavramları açıklamakla başlıyor. Sistem ile çevresi arasında ısı ve iş alışverişini ve sistemin toplam enerjisini, ve enerji değişimini açıkladık. Bunun devamı olarak termodinamiğin birinci kanununu yazdık.

Tekrar Termodinamiğin Birinci Kanunu

Tekrar İşlem dt zaman aralığında oluyorsa, yani sistem bu zaman aralığında durum değiştiriyorsa, o zaman birim zamanda ifade edilir.

Tekrar Sonra Clasius eşitsizliğini inceledik. Bu ifade termodinamiğin ikinci kanununun da ifadesidir. Tersinir bir termodinamik işlem için yazılır.

Tekrar Diğer taraftan cP ve cV özgül ısı tariflerini yaptık, h (entalpi) tarif edildi. Dikkat edilirse, entalpi özellikler cinsinden tarif edilen bir özelliktir. h=u+pv

Sürekli Akım Termodinamiğin birinci kanununu açık bir sistem için, ΔKE= ΔPE=0 için yazılırsa, el

Isı Makinası (Heat Engine) Isı makinasının tarifi önemlidir ve hiç noksansız, yani tek kelime kaçırmadan ifade etmek gerekir: Çevrimsel bir olay İki rezervuar ile ısı alışverişi var Net miktarda, çevresine iş üretiyor.

Önemli Çevrimler Carnot Çevrimi bir ideal çevrimdir. Bu çevrimi tam anlamak gerekir. Isı makinelerinin mümkün olan maksimum ısıl verimini ifade eder ve ısı makinesini çeviren akışkanın cinsine değil, ısının alındığı ısı kaynağının (sıcak rezervuar) mutlak sıcaklığı, Th, ile ısının verildiği soğuk rezervuarın, Tc, mutlak sıcaklığına bağlıdır. Carnot verimi:

Carnot verimi Carnot verimi, termodinamik bir çevrimin erişebileceği en yüksek verim olup, iki rezervuar arasındaki sıcaklık farkının artması ile artar. Isıl verim: Wnet/Qh Olarak tarif edilir, yani elde edilen net işin, sarf edilen ısı miktarına oranıdır.

Carnot Çevrimi

Rankine Çevrimi Rankine çevrimi, fosil yakıt kullanan ve su buhar ile çalışan ısı makineleri için birinci derecede önemlidir.İskoçyalı, mühendis J.M. Rankine tarafından 1859 yılında geliştirilmiştir. Kitabınızda, Şekil 3.3, basit bir Rankine çevrimini göstermektedir. T-S diyagram!

Rankine Çevrimi

Rankine Çevrimi Isıl verim: Wnet/ Qh Diyagramdan: Üretilen ısı, ve yapılan iş Entalpi farklarından Termodinamik tabloları kullanarak elde edilir. Pompalama gücü ise yine entalpi farklarından veya Wp= vdp

Rankine Çevrimi Verimi

Örnek Problem: Rankine İdeal bir Rankine çevrimine göre çalışan bir buharlı güç santralinde, kızgın su buharı türbine 8 MPa basınç ve ve 480°C sıcaklıkta girmektedir. Yoğuşturucu basıncı 7.5 kPa’dır (Konderserdeki soğutma suyu için Cp, avg=4.18 kj/kg.K olarak alınacaktır). Çevrimi T-s diyagramı üzerinde gösteriniz. Üretilen net gücü, kazanda alınan ısıyı ve kondenserde atılan ısıyı hesaplayınız. (kj/kg). Çevrimin ısıl verimini hesaplayınız. 80 kg/s su debisi olduğunu düşünerek çevrimden elde edilen net gücü MW olarak hesaplayınız. Yoğuşturucuda kullanılan soğutma suyu yoğuşturucuya 15°C sıcaklıkta girip 35°C sıcaklıkta çıkmakta, basınç yaklaşık aynı kalmaktadır. Soğutma suyunun debisini hesaplayınız. İdeal Rankine çevrimi yerine, türbin ve pompa izantropik verimleri sırası ile %85 ve %70 olsaydı, çevrimin ısıl veriminin ne olacağını hesaplayınız. Sonuçla ilgili yorum yapınız.

Örnek Problem: Rankine

Örnek Problem: Rankine

Örnek Problem: Rankine c) d)

Örnek Problem: Rankine f)

Rankine Çevrimi Rankine Çevrimi: Kitabınızda ideal Rankine çevrimi ve verim ifadesi verilmektedir. Pratikte ısı marinaları (buharlı kuvvet santralleri) Rankine çevrimine göre çalışır. Termodinamik derslerinde gördüğünüz gibi, türbin ve pompada ısı transferi ve tersinmez (irreversible process) işlemlerden dolayı, ideal Rankine çevrimi yerine, reel (hakiki) Rankine çevriminden bahsedilir ve ısı makinesinin termik verimi ona göre hesaplanır.

Carnot Verimi Bunları termodinamik dersinde gördüğünüz gibi, sınıfta da izah etmiş bulunuyoruz. Eğer, kazan sıcaklığı (rezervuar) örneğin 1000ºC ve kondenser sıcaklığı da 15 ºC ise Carnot vrimini

Rankine Çevrimi Bu sıcaklıklar arasında çalışan bir fosil yakıt santralinin verimi pratikte bu sınırın oldukça altındadır. Pratikte fosil yakıt santrallerinin verimi 30-40 arasındadır. Bu verimi artırmak için, pratikte, Rankine çevriminde ne değişiklikler yapıldığını, (basınç, sıcaklık, kızgın buhar, tekrar ısıtma) hem izah ettim, hem de termodinamikte okudunuz.

Rankine çevrimi Örnek problem: İdeal Rankine çevrimine göre çalışan bir buhar santrelinin buhar basıncı 3 MPa ve sıcaklığı 350 C, kondenserde 75 kPa basıncında yoğuşmaktadır. Santrelin Isıl verimi nedir?

Rankine Çevrimi Bir termik santral türbininden elde edilen enerjinin bir kısmı, kondenser soğutma suyu pompasını (kondenserden yoğuşan suyu kazana basan pompayı) çevirmede ve kullanılan vantilatör gibi cihazlarda kullanılır ve dolayısı ile türbinden elde edilen net iş azalır. Buhar türbini hakkında kısa bilgi kitaptan!

Otto Çevrimi Otto Çevrimi: İçten yanmalı motorlar (ICE) Otto(1876-Almanya) çevrimine göre çalışır. Bilindiği gibi, bir açık çevrimdir. Bu çevrim iki adet izontropik sıkıştırma ve genişleme ile, iki adet sabit hacimde ısıtma ve soğuma işlemlerinden ibarettir. Kitabınızdaki Şekil 3.5 önemlidir, tekrar inceleyiniz.

Otto Çevrimi Verimi

İçten Yanmalı Motor sıkıştırma oranı ~9 özgül ısı oranı ~1.26 Benzin motorları için r=7-10 arası normal bir değerdir.

Örnek-ICE Yunus’un kitabından: Example 8-2 (4.editon)Bu bir örnek. Bu ve buna benzer bir örneği anlamak yeterlidir, Eğer K= 1.4 ve içten yanmalı motorun sıkıştırma oranıda 8 kabul edilirse, yuarıda verilen ifadeden, verimi % 56.5 olarak bulunur. Pratik ısıl verim bu gün %30-35

Dizel Çevrimi Dizel motorlarında, bujiler, yakıt enjektörleri ile değiştirilmiştir, sıkıştırma işleminde, yalnız hava sıkıştırılmaktadır: Compression-Ignition (CI), ilk defa Rudolph Diesel tarafından 1890 tarihinde teklif edilmiştir. Benzin motorundan farkı, yanmanın nasıl başlatıldığıdır.

Diezel Dizel motorlarında, yanma,sıkıştırılmış sıcak havaya, dizel yakıtının püskürtülmesi ile başlar, ve bujiler ve karbüratör yoktur. Benzin motorlarında, sıkıştırma oranı sınırlıdır, aksi halde “knocking” olur, çünki yakıt hava karışımı sıkıştırılıyor!

Dizel Motoru İdeal Dizel Çevrimi:

Dizel Motoru Verimi

Dizel Motoru- Örnek Yunus’un kitabında örnekler gördünüz: Eğer sıkıştırma oranı r=18 ve rc=2 ise motorun verimini hesap ediniz:

Gaz Türbini Brayton Çevrimi: İdeal termodinamik bir çevrimdir. George Brayton 1870 yıllarında geliştirmiş olup, bugün, gaz türbinlerinde kullanılmaktadır. Yanmanın meydana geldiği kompresör-türbin olarak aynı şaftta dönen makine sistemi bu çevrime göre çalışır. Gaz türbini çevrimi açık veya kapalı bir çevrim olabilir. (Termodinamik kitabınıza bakınız.)

Gaz Türbini Çevrimi

İdeal Brayton çevrimi

İdeal Brayton çevrimi İlk defa, George Brayton tarafından teklif edilmiş ve bu gün Gaz türbinleri için kullanılmaktadır. Yukarıda belirtmiş olduğumuz gibi, genellikle açık bir çevrim boyunca çalışır, kapalı çevrim de vardır.

Gaz Türbini ve yanma ürünleri ve havanın fiziksel özelliklerine bağlıdır. Kitabınızda verilmiş olan Şekil 3.6’yı iyice tetkik ediniz.

Gaz Türbin Verimi alınırsa olmaktadır.

Örnek Yunus beyin kitabında Örnek 7.4 ‘e bakınız: Basınç oranı=8 ve k= 1.4 ise verimi hesaplayınız. = % 44.8

Kombine Çevrim Kombine Çevrim (Brayton+Rankine): Türbinden çıkan sıcak gazlar, bir kazanda buhar üretiminde kullanılabilir; dolayısı ile ekstra yakıt yakmadan, ek iş elde edilir. Gaz türbini ile buhar santrali birleştirilmiş olur, ve kombine sistem olarak adlandırılır. Kombine sistemin termik verimi, gaz türbini ve buhar çevrimi termik verimlerinin fonksiyonu olarak elde edilir. Sistemin, şeması:

Kombine Sistem Şeması

sayısal örnek 5.1?

Kombine Çevrim Dikkat edilirse iki türbin teknolojisi: Gaz türbini Buhar Türbini Kombine gaz-buhar çevrimidir! Her iki türbinde elektrik enerjisi üretiyor,dolayısı ile tek yakıt, fosil yakıt, birden fazla uygulama ,enerji üretimi,için kullanılıyor!

Kombine Çevrim Stepler: 1- Gaz-hava karışımı kompresörde sıkıştırılır ve yanma odasından gazlar, gaz türbininde Brayton çevrimine göre genişleyerek, iş üretilir, Ekzosdan sıcak gazlar, bir ısı değiştirgecinden geçirilerek, buhar, buhar türbininde genleşip iş yaparken, gazlar atmosfere atılır.

Kombine Çevrim Örnek Problem: Çengel Termodinamik, 5. edition. 9-9 consider combined gas- steam power cycle Shown in Figs 9-24 and 9-25 4. Edition da da benzer örnekler var.

Kombine Çevrim Verimi wg: Gaz türbininden elde edilen iş qf: Yakıt ısısı ise, türbin işi için wg= ηg qf Buhar için verilen ısı qf-wg=qf (1-ηg) Buhar çevriminden elde edilen iş: ws=ηs qf (1-ηg)

Kombine Çevrim Verimi Eğer ηg=% 30, ve ηs=% 25, ise ηth,c=% 47.8 elde edilir. Bu şekilde verim yükseltilmiş olur.

Kombine Çevrim Verimi Dikkat edilirse, buhar kuvvet santralinin verimi, normal olarak Rankine çevrimine göre çalışan kuvvet santralinden düşük alınmıştır, sebebi de türbinden çıkan gaz sıcaklığının, normal bir buhar santralinin yanma odası sıcaklığının çok altında olmasıdır. Bununla beraber, birleşik sistemin verimi, tek başına buhar kuvvet santralinin termik veriminin üstündedir.

Kombine Çevrim Carnot çevriminde belirtmiş olduğumuz gibi, bir ısı makinesinin verimi,ısı kaynağının sıcaklığı yükseltmek ve ısının atıldığı ortamın sıcaklığını azaltmak ile elde edilir, işte, kombine sistemde elde edilen budur. Kombine sistemde elde edilen budur, yani Termodinamiğin ikinci kanunu! %60 verimler elde edilmektedir.

Kombine Isı ve Güç-Kojenerasyon Kombine çevrimin başka bir şekli olup, ısı ve güç kaynağı olarak çalışır. Yani, çevrimde dolaşan akışkan, elektrik üretir ve ekzost buhar başka bir maksat için kullanılır; örneğin,bölge ısıtma, santral civarında bulunan binaların ıstılmasında, veya endüstriyel maksatlar için ısıl işlemde kullanılır.

Kojenerasyon Çevrimi

Kojenerasyon Alışılmış olan, kazan, türbin, kondense ve pompaya ek olarak, ek bileşenleri vardır: 1-Bir adet gerekli işlem için ısıtıcı 2-Bir adet genişleme vanası 3-Karıştırma odası, iki pompadan gelen su burada karışır ve buhar kazanına gider.

Kojenerasyon Bazen, elektrik ihtiyacı az olabilir, veya ısı ihtiyacı fazla olabilir veya tersi. İyi bir mühendis olarak, ekonomik hesabını yaparak, elektrik enerjisi-ısı enerjisi ihtiyacına göre sistemi çalıştıracaksın! Isı ihtiyacı az ise, veya hiç ihtiyaç yoksa, buhar tamamen Rankine çevrimine göre elektrik enerjisi üretir.

Kojenerasyon-Faydalanma faktörü Böyle bir sistemde, sistemin veriminden ziyade, faydalanma faktörü tarif edilir: Wnet=Türbinden net elde edilen iş yani Wt-Wp, kWh Qp= İşlem için kullanılan ısı miktarı,kWh Qin= Kazanda yakıttan verilen ısı enerjisi, kWh

Kojenerasyon-CHP Qp= İşlem için kullanılan ısı miktarı,kWh, Herhangi bir iş için, örneğin,ısıtmada, bir üniversite kampusun ısıtılmasında,bir fabrikada kullanılabilir.

Faydalanma Faktörü Faydalanma faktörünü şu şekilde tarir edebiliriz: Sistemin faydalanma faktörü(EUF): εu=(Wnet+Qp)/Qin

Faydalanma Faktörü Neden faydalanma faktörü diyoruz da termik verim demiyoruz? Bu faktör sistemi çalıştırma amacına göre, % 100 ‘e yakın olabilir, veya % 70- 90 olabilir veya % 30-40 olabilir. Bunu iyi düşününüz!

Örnek Problem Örnek: Isı gücü ve Elektrik güç elde edilen bir kombine sistem: Bu santralın çalışma doneleri: kullanılan yakıt, mF= 12 kg/s, Yakıt ısınma ısısı LHV=40MJ/kg, Santralin elektrik enerjisi verimi 33% Faydalı ısı üretim verimi 58% Hesapla:

Çözüm Sayfa 209! Kopyası var

Cogeneration İdeal bir cogeneration analizi için Termodinamik (Yunus-4.Ed.) Örnek 9.8’e bakmanızı tavsiye ederim. Kombine çevrim için Örnek. 9.9 çözümü takip edilerek, bu çevrim analizi, çok güzel anlaşılabilinir!

Isı Pompası Sıkıştırılmış buhar ile çalışan soğutma ve ısı pompası çevrimi ve sistemin bileşenleri Şekil 3.8’de verilmektedir. Bunu inceleyerek, termodinamik bilginizi tazelemek gerekir, zira bu mühendislik uygulamalarında fevkalade önemlidir.

Soğutma Performans Katsayısı qc = Soğutucu akışkan tarafından bulunduğu ortamdan çekilen ısıdır. w = Soğutucuya buharı, alçak sıcaklıktan, yüksek sıcaklığa sıkıştırmak için verilen iş miktarıdır. COP > 1

Örnek: Soğutma Çevrimi Soğutucu akışkan R-134a, binalarda kullanılan bir ısı pompasının yoğuşturucusuna 800 kPa basınç, 0.018 kg/s kütlesel debi ve 55 ͦC sıcaklıkta girmektedir ve aşırı soğutulmuş sıvı olarak 750 kPa basınç, 3 ͦC sıcaklıkta terk etmektedir. Akışkan, kompresöre 200 kPa basınç, 4 ͦC sıcaklıkta kızgın buhar olarak girmektedir. Aşağıda şematik olarak verilen bu çevrimin, a) T-s diyagramını çiziniz. b) Bu çevrimi ideal bir çevrim kabul ederek kondenserden verilen ısı ve kompresörde yapılan işi hesaplayınız. c) İdeal çevrimin COP değerini bulunuz. d) Gerçek çevrim için kompresörün isentropik verimini elde ediniz. e) Gerçek çevrimin COP değerini hesaplayıp ideal çevrim ile kıyaslayınız.

Örnek: Soğutma Çevrimi

Örnek: Soğutma Çevrimi İdeal çevrim Gerçek Çevrim

Örnek: Soğutma Çevrimi b-c)

Örnek: Soğutma Çevrimi d)

Örnek: Soğutma Çevrimi

Isı Pompası Performans Katsayısı Isı pompası (heat pump), soğutucuların (refrigerator) tersine, çevreden aldığı ısıyı, istenilen ortamlara vererek ısıtmada kullanılır. Genellikle kış aylarında, ısıtma için kullanılır. Aynı soğutma sistemi hem yaz hem de kış aylarında kullanılabilir. Birinci kanuna göre

Bölüm-3 Bölüm 3’te , şimdiye kadar çeşitli ısı makinelerinin çalışma ve çevrimlerini inceledik; bu makinelerde, yakıt hava ile karışıp yakılmakta ve yanma ürünleri atmosfere verilmektedir. Isı makinelerinin verimlerini de inceledik ve %25-%50 aralığında ısıl verim elde edilebildiğini öğrenmiş bulunuyoruz. Yine gördük ki, elde edilebilecek iş için bir üst limit vardır ve bu limit Gibbs’in serbest enerji (elde mevcut enerji) kanunu ile sınırlandırılmış olup, elde edilen maksimum iş, serbest enerjideki (3.16 ifadesi) azalmaya eşittir.

Bölüm 3- Özet Dikkat edilecek olursa (bak Tablo 3.1), bir yakıtın elde mevcut enerjisi, serbest enerjiye eşittir. Pratikte mevcut ısı makinalarından üretilen iş, yakıtta mevcut enerjinin (free enerji) çok altındadır. Yakıt pilleri, yakıt enerjisini daha verimli olarak iş enerjisine dönüştüren bir sistem olup, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.

Yakıt Isıl Verimi Yakıt verimi ηf, üretilen işin, yakıtın yanma ısısına (LHV) oranı olarak tarif edilir. Genel olarak, yanma ısısının düşük değeri kullanılır, zira elde mevcut yakıt enerjisi düşük (LHV) yakıt enerjisidir. Yakıt ısıl verimi bilinirse, belli bir güç elde etmek için gerekli olan yakıt ihtiyacı hesap edilir. P nedir?

Yakıt Verimi Mevcut teknolojilerin yakıt ısıl verimleri, ηf, kitabınızda Tablo 3.2’de verilmektedir. (ηf < 50) 3.54 ifadesinde P makinenin gücüdür. Termik bir santralde, santralin termik gücüdür. Bu tabloda verilen değerler, türbinden alınan güce göre hesaplanmıştır. Termik güç, yani, bir kuvvet santralında türbinden alınan güç bilinirse, seçilmiş bir yakıt için, yakıt miktarı hesap edilir.

Termik( Isıl) Verim

Sentetik Yakıtlar Başka yakıtlardan elde edilen “yapay” yakıtlardır. Kömürden gaz üretimi, hidrojen üretimi gibi. Çok çeşitli sentetik yakıtlar mevcuttur, üretilmektedir. Sentetik yakıtların üretilmesinde, ısıl verimler Tablo 3.3’te verilmektedir; bu verim, sentetik yakıtın yanma ısısının, ana yakıtın yanma ısısına oranıdır.

Sentetik Yakıtlar Tablo 3.3 de görüldüğü gibi, ısıl verim % 60-90 arasında değişir. Sentetik yakıt üretimi, yüksek sıcaklık ve basınçları gerektirir ve ek mekanik iş sarfını gerektirir. Dolayısı ile ekonomik bakımdan gerekli olduğunun gösterilmesi gerekir. Şu öerneğe bakınız:

Örnek-Sentetik Yakıt Kömürden sentetik gaz üretimi: Kimyasal reaksiyon (3.55)

Sentetik Yakitlar

Sentetik Yakıt Tablodan görüldüğü gibi sentetik yakıt ısıl verimi, genel olarak %60-%90 arasında değişir. Sentetik yakıt, kullanılacaksa, ekonomik açıdan ve enerji fiyatı bakımından, sentetik yakıt imalatının geçerliliğinin gösterilmesi gerekir; zira sentetik yakıt imalatı pahalıdır, çünkü Çevirme işlemi yüksek basınç ve sıcaklık altında yapılır, bu da ek enerji sarfını, gerektirir. Problem 3.6 çözünüz.

Sentetik Yakıt verimi Sentetik yakıtın yanma ısısının, ana yakıtın ısınma ısısına oranıdır: SHTV/AYHV Tablo: 3.3 Örnek kömür den metan üretmiş isen, Metan(HV)/ Kömür(HV) % 61-78

Problemler Kitabınızda sayfa 66 ve 67 de şu problemleri çözünüz! Tarih: Ocak 21, 2015 Problemler: 3.1- 3.6 (dahil). Çözümleri toplamıyoruz, fakat kendiniz çözeceksiniz! Özel bir “oturumda” Çağın sizin sorularınızı cevaplayacaktır.

Bölüm 3-Sonuçlar 1- Dünyanın enerji ihtiyacının yaklşık % 80 fosil yakıtlardan temin edilmektedir. 2- Bu bölümde enerji üreten çeşitli teknolojileri gördük; hepsi, termodinamiğin 1. ve 2. kanunlarına göre çalışır. Her birisi, belirli bir ısıl verim ile, ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür, yani faydalı işe dönüştürür.

Sonuçlar 3- Yakıt hava ile karışarak yanar ve ısı enerjisinin bir kısmı faydalı işe dönüşür ve bir kısmı Birinci kanuna göre çevreye atılır. İkinci kanuna göre, ısı enerjisinin ancak bir kısmı faydalı işe dönüşebilir, ve bu kullanılan teknolojiye bağlıdır. Gördük ki, yanma ısısının, % 50 den fazlasını faydalı işe dönüştürmek olanak dışı.

Sonuçlar 4- Elektrik enerjisi bir konvansiyonel fosil yakıt santralinden üretiliyorsa, ısıl verimi ~% 35-36, gaz türbininde % 30, içten yanmalı bir motorda % 30(ignition)-35(diz.) 5- Eğer yakıt pilleri ile mekanik enerji üretiliyorsa verim % 45 Tablo 3.2 ye bakınız.

Sonuçlar Isı makinelerinin verimlerini artırmak için, geliştirilen, KOMBİNE ve CO-GENERATİON sistemlerini inceledik, ve bu sistemlerin verimlerini ve etkinlik faktörlerini yazarak, faydalarını öğrenmiş olduk.

Yakıt Pilleri Öğrenciler, yakıt pilleri ile ilgili dağıtmış olduğum Bölüm 1 ve Bölüm 2 içeriğinden sorumludurlar.

Yakıt Pilleri Figure 1.1 The electrolysis of water

Figure 1.2 Fuel cell sandwich. Yakıt Pilleri Figure 1.2 Fuel cell sandwich.

reactions and charge flow for an acid electrolyte fuel cell. Yakıt Pilleri Figure 1.3 Basic cathode – electrolyte – anode construction of a fuel cell. Electrode reactions and charge flow for an acid electrolyte fuel cell.

Figure 1.4 A mathematical model of fuel cell. PEMfc Figure 1.4 A mathematical model of fuel cell.