termodinamik akışkanlı güç çevrimleri, Lecture notes of Thermodynamics

Download termodinamik akışkanlı güç çevrimleri and more Lecture notes Thermodynamics in PDF only on Docsity!

Bölüm 9

GAZ AKIŞKANLI GÜÇ

ÇEVRİMLERİ

Amaçlar

• (^) Tüm çevrim boyunca iş akışkanının gaz fazında kaldığı gaz akışkanlı güç çevrimlerinin performanslarını değerlendirmek.
• (^) Gaz akışkanlı güç çevrimlerine uygulanabilir basitleştirici kabuller geliştirmek.
• (^) Pistonlu motorların çalışmalarını gözden geçirmek.
• (^) Kapalı ve açık gaz akışkanlı güç çevrimlerini çözümlemek.
• (^) Otto, Diesel, Stirling ve Ericsson çevrimlerine ilişkin değerlendirmelerde bulunmak.
• (^) Brayton çevrimine; rejenerasyonlu Brayton çevrimine ve ara soğutmalı, ara ısıtmalı ve rejenerasyonlu Brayton çevrimine ilişkin değerlendirmelerde bulunmak.
• (^) Tepkili çevrimleri çözümlemek.
• (^) Gaz akışkanlı güç çevrimlerinin ikinci-yasa çözümlemesine ilişkin basitleştirici kabuller belirlemek.
• (^) Gaz akışkanlı güç çevrimlerinin ikinci-yasa çözümlemesini yapmak.

İdeal çevrimlerden elde edilen sonuçlar yorumlanırken dikkatli olunmalıdır. P-v ve T-s diyagramlarında, hal değişim eğrilerinin çevrelediği alan net işi gösterir. T-s diyagramında çevrimin hal değişimi eğrileri içinde kalan alanın, sisteme ısı girişini gösteren hal değişimi eğrisi altında kalan alana oranı, çevrimin ısıl verimini ifade eder. Bu iki alanın oranını artıracak herhangi bir değişiklik, çevrimin ısıl verimini de artıracaktır. Güç çevrimlerinin çözümlemesinde yaygın olarak yapılan kabuller ve basitleştirmeler: 1- Çevrimde sürtünme yoktur. Bu nedenle, iş akışkanının borulardan veya ısı değiştiricisi gibi elemanlardan geçişi sırasında basınç düşüşü oluşmaz.

2. Bütün sıkıştırma ve genişleme işlemleri sanki-dengeli bir biçimde gerçekleşir. 3. Sistemin çeşitli elemanlarını birleştiren borular çok iyi yalıtılmış olup, bu borulardan olan ısı geçişi gözardı edilebilir.

CARNOT ÇEVRİMİ VE MÜHENDİSLİKTEKİ ÖNEMİ Carnot çevriminin P-v ve T-s diyagramları. Carnot çevrimi tümden tersinir dört hal değişiminden oluşur. Bunlar, sabit sıcaklıkta (izotermal) sisteme ısı girişi, sabit entropide (izantropik) genişleme, sabit sıcaklıkta sistemden ısı çıkışı ve sabit entropide sıkıştırmadır. İdeal ve Gerçek Çevrimler İçin: Sisteme ısının sağlandığı ortamın ortalama sıcaklığı yükseldikçe veya sistemden ısının atıldığı ortamın ortalama sıcaklığı düştükçe, ısıl verim artmaktadır. Sürekli- akışlı bir Carnot makinesi.

PİSTONLU MOTORLARA GENEL BİR BAKIŞ Motorlar İçin Şekiller Buji-ateşlemeli (SI) motorlar Sıkıştırmalı ateşlemeli (CI) motorlar Sıkıştırma oranı Ortalama Efektif Basınç

OTTO ÇEVRİMİ: BUJİ-ATEŞLEMELİ MOTORLARIN İDEAL ÇEVRİMİ Buji-ateşlemeli motorların ideal ve gerçek çevrimleriyle P-v diyagramları

İdeal Otto çevriminin ısıl veriminin sıkıştırma oranıyla değişimi ( k = 1.4). İş akışkanının özgül ısılarının oranı k b üyüdükçe ideal Otto çevriminin ısıl verimi artar. SI motorlarında sıkıştırma oranı, kendiliğinden tutuşma ve motor vuruntusu nedeniyle sınırlandırılır.

DİESEL ÇEVRİMİ: SIKIŞTIRMA-ATEŞLEMELİ MOTORLARIN İDEAL ÇEVRİMİ Diesel motorlarında bujinin yerini yakıt enjektörü almış olup, sıkıştırma stroku süresince yalnızca hava sıkıştırılır. Diesel motorlarında , sıkıştırma stroku süresince yalnızca hava sıkıştırıldığından, kendiliğinden tutuşma olasılığı yoktur. Bu yüzden diesel motorları, çok daha yüksek sıkıştırma oranlarında (tipik olarak 12 ile 24 aralığında) çalışacak şekilde tasarlanırlar.

• (^) 1-2 İzantropik sıkıştırma
• (^) 2-3 Sabit basınçta ısı geçişi
• (^) 3-4 İzantropik genişleme
• (^) 4-1 Sabit hacimde ısı atılması

İdeal karma (ikili) çevrimin P-v diyagramı. Karma çevrim: Sıkıştırma ateşlemeli yüksek hızlı motorlar için daha gerçekçi ideal çevrim

SORULAR

Dizel motorları benzin motorlarından daha yüksek hava- yakıt oranlarında çalışır.Niçin? Yüksek güç/ağırlık oranlarına rağmen iki zamanlı motorlar otomobillerde kullanılmaz.Niçin? Dizel motorları neden yüksek güç üreten motorlar arasındadır (% civarında)? Turboşarjedici nedir? Benzin motorlarıyla karşılaştırıldığında niçin çoğunlukla dizel motorlarında kullanılır.

STIRLING VE ERICSSON ÇEVRİMLERİ Rejeneratör, iş akışkanından çevrimin bir bölümünde enerji alıp, diğer bir bölümünde bu enerjiyi iş akışkanına (faizsiz olarak) tekrar geri veren bir ısı değiştiricisidir. Stirling çevrimi 1-2 T = sabit , genişleme (dış kaynaktan sisteme ısı girişi) 2-3 v = sabit , rejenerasyon (iş akışkanından rejeneratöre sistem içi ısı geçişi) 3-4 T = sabit , sıkıştırma (sistemden dış ortamdaki kuyuya ısı atılışı) 4-1 v = sabit , rejenerasyon (rejeneratörden iş akışkanına sistem içi ısı geçişi)

Stirling ve Ericsson çevrimlerinin uygulamada gerçekleştirilmesi zordur. Çünkü rejeneratör de dahil olmak üzere, tüm elemanlardan ısı geçişli diferansiyel bir sıcaklık farkında gerçekleşmektedir. Isı geçişlerinin gerçekleşmesi için sonsuz büyüklükte yüzey alanları veya sonsuz uzunlukta süre gerekmektedir. Bu sınırlamalar nedeniyle Stirling ve Ericsson çevrimleri uzun süredir yalnızca kuramsal açıdan ilgi çekmiştir. Fakat daha yüksek verime sahip olmaları ve emisyon kontrolünün daha kolay yapılabilir olması, son zamanlarda bu çevrimlere olan ilgiyi giderek artırmaktadır. Ford Motor şirketi, General Motors şirketi ve Hollanda’daki Phillips Araştırma Laboratuvarlarında, kamyonlar, otobüsler ve hatta otomobiller için uygun Stirling motorları başarıyla gerçekleştirilmiştir. Fakat bu motorların benzin ve diesel motorlarıyla rekabet edebilmesi için henüz daha çok araştırma ve geliştirmeye gerek vardır.

Stirling ve Ericsson motorlarının her ikisi de dıştan yanmalı motorlardır.

**1. Dıştan yanmanın sağladığı bazı üstünlükler vardır.

2. Isıl enerji kaynağı olarak çok çeşitli yakıtlar kullanılabilir.
3. Yanma için daha uzun süre harcanabilir. Böylece yanma daha iyi** tamamlanabilir ve buna bağlı olarak hem havayı kirletme oranı azaltılırken **hem de yakıtın enerjisinden daha iyi yararlanılır.
4. Bu motorlar kapalı bir çevrime göre çalışabilirler. Böylece kararlılık,** kimyasal reaksiyona girmeme, ısıl iletkenlik gibi özellikler bakımından en **uygun iş akışkanı çevrimde kullanılabilir.
5. Hidrojen ve helyum gazları, bu motorlarda yaygın olarak kullanlan iş** **akışkanlarıdır.
6. Uygulamadaki fiziksel sınırlamalar ve zorluklara karşın, Stirling ve Ericsson** çevrimleri tasarım mühendislerine, rejenerasyonun verimi artırabileceğine **ilişkin güçlü bir mesaj vermektedir.
7. Günümüz gaz türbinlerinde ve buharlı güç santrallerinde rejenerasyondan** yaygın olarak yararlanılması bir rastlantı değildir. Brayton çevrimi, Ericsson çevrimine oldukça benzemektedir.

İdeal Brayton çevriminin T-s ve P-v diyagramları. Basınç oranı İdeal Brayton çevriminin ısıl veriminin basınç oranına göre değişimi.

Belirli Tmin ve Tmaks için Brayton çevriminin net işi artan basınç oranıyla önce artar,rp= [ ( T max/ T min) k /[2( k - 1)], basınç oranında en yüksek değerine ulaşır ve sonra tekrar azalır. Kompresörü çalıştırmak için kullanılan işin türbin işine oranına, geri iş oranı denir. Gaz türbinleri günümüzde yaygın olarak uçaklarda ve elektriksel güç üretiminde kullanılmaktadır. Çevrimdeki en yüksek sıcaklık yanma sonunda ( halinde) oluşmaktadır ve türbin kanat malzemesinin dayanabileceği en yüksek sıcaklıkla sınırlıdır. Bu kısıtlama çevrimin basınç oranını da sınırlamaktadır. Gaz türbinlerinde hava, yakıtın yanması için gerekli oksitleyiciyi sağlar ve çeşitli elemanlardaki sıcaklıkları güvenli sınırlar içinde tutabilmek için soğutucu görevi yapar. İkinci işlevin yerine getirilebilmesi için, gaz türbinlerinde tam yanma için gerekenden daha fazla hava kullanılır.Kütlesel hava-yakıt oranının 50 veya üzerinde olması olağandır.