GAZ TÜRBİNLERİ TERMODİNAMİĞİ

... konulu sunumlar: "GAZ TÜRBİNLERİ TERMODİNAMİĞİ"— Sunum transkripti:

1 GAZ TÜRBİNLERİ TERMODİNAMİĞİ
HAKAN TAŞ NİYAZİ PALA

2 Bir gaz türbini basit olarak 5 bölümden oluşur:
Gaz türbini nedir ? Yanma ile açığa çıkan ısı enerjisini mekanik enerjiye çevirmeye yarayan  makinelerdir. Bir gaz türbini basit olarak 5 bölümden oluşur: 1-Hava alığı 2-Kompresör 3-Yanma odası 4-Türbin 5-Nozul

3 Emiş ucundan emilen hava, kompresör tarafından basıncı artırıldıktan sonra, yanma odasında, içine yakıt püskürtülmek suretiyle yakılır. Yanma sonucu yüksek basınç ve sıcaklığa (entalpi’ye) kavuşan hava, türbin kanatlarına çarparak türbini döndürür. Uçak motoru olarak kullanılan gaz türbinlerinde türbin yalnızca kompresörü çalıştıracak kadar enerji üretir ve yüksek enerjili hava (ve yanma sonucu açığa çıkan diğer gazlar) türbinden büyük bir basınç ve hızla atmosfere çıkarak uçak için gereken itme etkisini oluşturur.

4 Gaz türbinlerinin kuruluş süreleri kısa ve yatırım maliyetleri diğer sistemlere göre düşüktür. Ayrıca çok kısa sürede devreye girip çıkabilirler. Bu nedenle; özellikle son yıllarda elektrik enerjisi üretiminde ve kojenerasyon sistemlerinde gaz türbinlerinin kullanımı her geçen gün hızla artmaktadır Kojenerasyon:Tercihen ısı tüketimi olan yerlerde kullanılan ve aynı zamanda bölge ısıtma ağını yararlı ısıyla besleyebilen elektrik enerjisi ve ısı üretebilen modüler yapılı bir sistemdir. Gaz türbinlerinin üç uygulama sahası vardır: Sadece güç üreten açık çevrimli gaz türbin sistemleri, ısı ve gücün birlikte üretildiği kojenerasyon sistemleri ve gaz türbinleri ile buhar türbinlerinin birlikte kullanıldığı kombine çevrim sistemleri. Açık çevrimli gaz türbin sistemlerinin termik verimleri oldukça düşük olmasına rağmen, hızlı devreye girebilmeleri ve yatırım maliyetlerinin diğer sistemlere göre düşük olması nedeniyle, pik yüklerin karşılanmasında tercih edilmektedir

5 Gaz türbini çevrimi açık veya kapalı bir çevrim olabilir.
Brayton Çevrimi: İdeal termodinamik bir çevrimdir. George Brayton 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.

6

7  Brayton makinesinde çevre havası, kompresör pistonuna girer, burada basınçlandırılır. (Teorik olarak izoentropik bir işlemdir.) Sıkıştırılmış hava daha sonra karışım odacığı boyunca ilerler, yakıt ilave olur. (Bu da sabit basıçta olan bir prosesdir.) Isıtılmış, basınçlandırılmış hava ve yakıt karışımı daha sonra genişleme silindiri içinde alev alır ve enerjisini verir, piston/silindir boyunca genişler. (Teorik olarak yine izentropik bir prosestir.) Piston/silindir ile elde edilen işin bir bölümü kompresöre güç sağlamak için bir mil düzeneği aracılığı ile kullanılır.

8 ηth,Brayton= wnet/qg = 1-(qç/qg) =1-[( Cp *(T4-T1)/ Cp *(T3-T2)]
qç=-q41= h4-h1= Cp(T4-T1) ηth,Brayton= wnet/qg = (qç/qg) =1-[( Cp *(T4-T1)/ Cp *(T3-T2)]

9

10

11 RANKİNE ÇEVRİMİ Rankine çevrimi buhar kullanılan enerji santralleri için ideal çevrimdir. Bu çevrimde yapılan suyun kızgın buhar haline getirilmesi ve tekrar kondenserde doymuş sıvı haline getirilmesi Carnot çevriminde uygulamada karşılaşılan pek çok zorluğu da ortadan kaldırır. Rankine çevriminin adımları dört aşama ile gösterilir, her adımda çalışma akışkanının hal değişimleri ifade edilir. Burada çevrimin ideal şartlarda olduğu varsayılır. Ama gerçek şartlarda çevrimin pompa ile sıkıştırma ve türbinde genişleme aşamaları izentropik değildir. Bu aşamalarda izentropide artış meydana gelir. Bundan dolayı gerçekte pompa için gereken güç ihtiyacı artar ve türbinden elde edilen iş azalır.

12 1-2 Önce çalışma akışkanı, düşük basıçtan, yüksek basınca pompalanır
1-2 Önce çalışma akışkanı, düşük basıçtan, yüksek basınca pompalanır. (İdeal şartlarda izoentropik olarak ) Pompalama için güç girişine ihtiyaç vardır. (Örneğin mekanik veya elektirk gücü) 2-3 Yüksek basınçlı sıvı bir ısıtıcıya girer, bir dış ısı kaynağı ile sabit basınçta kızdırılmış buhar halini alana dek ısıtılır. Genelde ısı kaynağı olarak , kömür, doğal gaz veya nükleer güç kullanılır. 3-4 Kızgın buhar, türbin boyunca genişler ve güç çıkışı oluşturur. İdeal şartlarda, bu genişleme izoentropiktir. Bu olay buharın basınç ve sıcaklık kaybetmesine sebep olur. 4-1 Buhar daha sonra kondensere girer, doymuş sıvı halini alana kadar soğutulur. Bu sıvı daha sonra tekrar pompaya girer ve çevrim tekrar eder.

13

14 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:

15 Kombine Sistem Şeması

16 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! 1- Gaz-hava karışımı kompresörde sıkıştırılır ve yanma odasından gazlar, gaz türbininde Brayton çevrimine göre genişleyerek, iş üretilir, Ekzoz dan sıcak gazlar, bir ısı değiştirgecinden geçirilerek, buhar türbininde genleşip iş yaparken, gazlar atmosfere atılır.

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

18 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 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.

19

20 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.

21

22 Örnek: Soğutma Çevrimi
Soğutucu akışkan R-134a, binalarda kullanılan bir ısı pompasının yoğuşturucusuna 800 kPa basınç, 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.

23 Soğutma Çevrimi

24 a) İdeal çevrim Gerçek Çevrim

25 b-c)

26 d)

27 e)

28 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.