Buhar Çevrimleri

Buhar Çevrimleri
Buhar makinasının gerçekleştirilmesi termodinamik ve ilgili bilim dallarının hızla gelişmesine
yol açmıştır.
Buhar üretimi buhar kazanlarında yapılmaktadır. Yüksek basınç ve sıcaklıktaki buhar, bir buhar
makinası ya da türbine gönderilerek mekanik iş üretilmektedir.
Buhar çevrimlerinde akışkan olarak ucuzluğu, her yerde kolaylıkla bulunabilmesi ve
buharlaşma entalpisinin yüksek olması nedeniyle su alınmaktadır.
Carnot Çevrimi
Sıcaklıkları 𝑇2 ve 𝑇1 < 𝑇2 olan iki ısı deposu arasında dışarıya iş vermek üzere çalışan ve iş
makinası da denilen Carnot makinası şematik olarak aşağıda gösterilmiştir.
İş makinası ile ters yönde çalışan Carnot makinasına ısı pompası denir.
Başka bir deyişle, Carnot makinası ısıtıcı ya da soğutucu olarak kullanılabilmektedir.
Kapalı bir sistem olarak çalışan ideal bir Carnot çevrimindeki iş ve ısı alışverişleri ile diğer
nicelikler için sırayla aşağıdaki eşitlikler yazılır.
1 → 2 𝑦𝑜𝑙𝑢 ∶ 𝑖𝑧𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑘 𝑖ş𝑙𝑒𝑚
,
𝑤𝑘 ≡ 𝑤1 2 = ∆ℎ1 2 = ℎ2 − ℎ1
Çevrimdeki 1 → 2 yolunda yoğuşturucudan alınan kalitesi çok düşük olan 𝑇1 sıcaklığındaki
çürük buhar 𝑤𝑘 kompresör işi ile 𝑝1 basıncından 𝑝2 basıncına izentropik sıkıştırılarak
𝑇2 sıcaklığındaki doygun sıvı olarak buharlaştırıcıya gönderilmektedir.
2 → 3 𝑦𝑜𝑙𝑢 ∶ 𝑖𝑧𝑜𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 − 𝑖𝑧𝑜𝑏𝑎𝑟𝑖𝑘 𝑖ş𝑙𝑒𝑚
,
𝑞2 ≡ 𝑞2 3 = ∆ℎ2 3 = ℎ3 − ℎ2
Çevrimdeki 2 → 3 yolunda buharlaştırıcıya gelen doygun sıvı ya yüksek kaliteli ıslak buhar ya
da doygun buhar haline getirilmektedir. Sıcaklığı sabit tutarak kızgın buhara ulaşmak çok zor
olduğundan kızgın buhar ile çalışan Carnot çevrimi yapılamamaktadır.
3 → 4 𝑦𝑜𝑙𝑢 ∶ 𝑖𝑧𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑘 𝑖ş𝑙𝑒𝑚
,
𝑤𝑡 ≡ 𝑤3 4 = ∆ℎ3 4 = ℎ4 − ℎ3
Çevrimdeki 3 → 4 yolunda doygun buhar türbine girmekte ve izentropik genleşerek türbinden
çıkarken ortama 𝑤𝑡 işini vermektedir.
4 → 1 𝑦𝑜𝑙𝑢 ∶ 𝑖𝑧𝑜𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 − 𝑖𝑧𝑜𝑏𝑎𝑟𝑖𝑘 𝑖ş𝑙𝑒𝑚
,
𝑞1 ≡ 𝑞4 1 = ∆ℎ4 1 = ℎ1 − ℎ4
Çevrimdeki 4 → 1 yolunda türbinden çıkan yüksek kaliteli ıslak buhar yoğuşturucuya girerek
büyük oranda sıvılaştırılır ve çürük buhar haline gelir.
Net özgül iş;
𝑤 = 𝑤𝑡 + 𝑤𝑘 = (ℎ4 − ℎ3 ) + (ℎ2 − ℎ1 )
İş oranı;
𝑟=
(|𝑤𝑡 | − |𝑤𝑘 |)
|𝑤𝑡 |
Özgül buhar debisi;
𝐷=
1
𝑤
Buhar ile yapılan Carnot çevriminin güçlükleri
1. Buharlaştırıcıya giren doygun sıvının sabit sıcaklıkta kızgın buhar haline getirilebilmesi
için basıncın düşürülmesi gerekmektedir. Bu işlem zor olduğundan verimi daha yüksek
olan kızgın buhar ile çalışan Carnot çevrimi yapılamamaktadır.
2. Türbinden geçiş gerçekte izentropik yoldan sapmakta ve çevrimin gücü azalmaktadır.
Türbinden geçen buharın kalitesinin gittikçe düşmesi su damlacıkları oluşmasına ve su
damlacıkları da türbin kanatlarını yıpratmaktadır. Bu nedenle, türbinden çıkan ıslak
buharın kalitesinin 0.9’un altına düşmemelidir.
3. Bir fazlı gazların sıkıştırılması için tasarlanmış bir kompresör ile sıvı oranı çok yüksek
olan çürük buharın doygun sıvı olana dek izokorik yoldan sıkıştırılması gerçekte çok
zordur. Bu nedenle, kompresör yerine pompa da kullanılmaktadır.
Rankine Çevrimi
Carnot çevriminde verimin düşmesine yol açan nedenlerin üstesinden gelmek amacı ile yapılan
değişiklikler sonucunda Rankine çevrimi ortaya çıkmıştır.
Ters yönde çalışan Rankine çevrimi soğutucu ya da ısı pompası olarak kullanılabilmektedir.
Bir Rankine çevrimindeki iş ve ısı alışverişleri ile diğer nicelikler için sırayla aşağıdaki
eşitlikler yazılır.
1 → 2 𝑦𝑜𝑙𝑢 ∶ 𝑖𝑧𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑘 𝑖ş𝑙𝑒𝑚
Çevrimdeki 1 → 2 yolunda
,
𝑤𝑝 ≡ 𝑤1 2 = ∆ℎ1 2 = ℎ2 − ℎ1 = 𝑣(𝑝2 − 𝑝1 )
yoğuşturucudan
çıkan doygun
sıvı
izentropik
olarak
buharlaştırıcıya pompalanmaktadır.
2 → 5 𝑦𝑜𝑙𝑢 ∶ 𝑖𝑧𝑜𝑏𝑎𝑟𝑖𝑘 𝑖ş𝑙𝑒𝑚
,
𝑞2 ≡ 𝑞2 5 = ∆ℎ2 5 = ℎ5 − ℎ2
Çevrimdeki 2 → 5 yolunda, sabit tutulan 𝑝2 basıncı altında çalışan buharlaştırıcıda 2 →
3 yolunda kazana gelen soğuk sıvı izobarik ısıtma ile doygun sıvı, 3 → 4 yolunda doygun sıvı
izobarik – izotermal işlemle doygun buhar ve 4 → 5 yolu boyunca doygun buhar izobarik
işlemle kızgın buhar haline getirilmektedir
5 → 6 𝑦𝑜𝑙𝑢 ∶ 𝑖𝑧𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑘 𝑖ş𝑙𝑒𝑚
,
𝑤𝑡 ≡ 𝑤5 6 = ∆ℎ5 6 = ℎ6 − ℎ5
Çevrimdeki 5 → 6 yolunda kızgın buhar türbine girmekte ve izentropik genleşerek türbinden
çıkarken ortama 𝑤𝑡 işini vermektedir.
6 → 1 𝑦𝑜𝑙𝑢 ∶ 𝑖𝑧𝑜𝑏𝑎𝑟𝑖𝑘 − 𝑖𝑧𝑜𝑘𝑜𝑟𝑖𝑘 𝑖ş𝑙𝑒𝑚
,
𝑞1 ≡ 𝑞6 1 = ∆ℎ6 1 = ℎ1 − ℎ6
Çevrimdeki 6 → 1 yolunda türbinden çıkan 𝑝1 basıncındaki yüksek kaliteli ıslak buhar
yoğuşturucuya girerek doygun sıvı haline gelir.
Net özgül iş;
𝑤 = 𝑤𝑡 + 𝑤𝑝 = (ℎ6 − ℎ5 ) + (ℎ2 − ℎ1 ) = (ℎ6 − ℎ5 ) + 𝑣(𝑝2 − 𝑝1 ) ≈ ℎ6 − ℎ5
İş oranı;
𝑟=
(|𝑤𝑡 | − |𝑤𝑝 |)
|𝑤𝑡 |
Verimi;
𝜂=
|𝑤|
|𝑞2 |
Özgül buhar debisi;
𝐷=
1
𝑤
Rankine çevriminde verimin yükseltilmesi
1. Yoğuşturucu basıncının düşürülmesi
Basınç düştüğünde çevrimin net işi artmaktadır. Basınç ancak ortam sıcaklığında
çevrimdeki akışkanın sahip olduğu doygun buhar basıncına kadar düşürülebilmektedir.
Aksi halde, yoğuşturucudan ortama ısı aktarımı olmaz.
2. Kızdırma derecesinin yükseltilmesi
Kazan basıncı sabit tutularak kızgın buharın sıcaklığı daha da yükseltildiğinde çevrimin
ne işi artmaktadır. Kazan ve türbindeki sıcaklık malzeme dayanımına bağlı olarak
600 °C’ye kadar çıkarılabilmektedir.
3. Buharlaştırıcı basıncının yüseltilmesi
Buharlaştırıcı basıncı yükseltildiğinde çevrimdeki iş artışı azalmasından daha büyük
olduğundan çevrimin net işi artmaktadır. Kazan, türbin ve bağlantı elemanlarının
dayanımına bağlı olarak kazan basıncı 300 bar’ın üzerine çıkarılabilmektedir.
Soğutucu ve Isı Pompası Çevrimleri
Bir sistemin sıcaklığını içinde bulunduğu ortamın sıcaklığına göre daha düşük tutmak için
yapılan işlemlere soğutma denir. Sıcaklık düşmesi ile sonuçlanan her olay soğutma işleminde
kullanılabilir. Soğutma işlemi için kullanılan düzeneklere soğutucu denir. Isıtma amacı ile
kullanılan soğutucuya ise ısı pompası denir.
Daha önce de belirtildiği gibi ters Carnot çevrimi ve ters Rankine çevrimi soğutma işleminde
kullanılabilir. Ancak bu çevrimler maksimum iş üretmek için tasarlanmış olduklarından ısıtma
ve soğutma amaçlı kullanılmaları verimli değildir. Bu nedenle soğutma işlemi için daha
ekonomik buhar ve gaz çevrimleri geliştirilmiştir.
Soğutucuya verilen birim iş başına düşük sıcaklıktaki ısı deposundan uzaklaştırılan ısıya
soğutucunun çevirme katsayısı denir.
𝑘𝑠 =
|𝑞1 |
|𝑤|
Isı pompasına verilen birim iş başına yüksek sıcaklıktaki ısı deposuna aktarılan ısıya ısıtıcının
çevirme katsayısı denir.
𝑘𝚤 =
|𝑞2 |
= 𝑘𝑠 + 1
|𝑤|
Soğutucu ve ısı pompasında kullanılacak olan akışkanın özellikleri aşağıdaki gibi olmalıdır.
 Buharlaşma entalpisi büyük, ısınma ısısı küçük olmalıdır.
 Kritik sıcaklık çalışma sıcaklığından çok yüksekte olmalıdır.
 Küçük basınçlarda yoğunlaştırılabilmelidir.
 Çalışma sıcaklığındaki buhar basıncı atmosfer basıncından düşük olmalıdır.
 Doygun buharın entropisi basınçla fazla değişmemelidir.
 Isı aktarım katsayısı yüksek olmalıdır.
 Ucuz olmalıdır.
 Zehirli, korozif ve patlayıcı olmamalıdır.
Kullanılan akışkanlara örnek olarak; metil klorür, Freon-12, Freon-21, karbon dioksit, amonyak,
kükürt dioksit verilebilir.
Soğutucu ve ısı pompası çevrimleri ders kitabının 186-194 sayfalarında daha detaylı olarak ele
alınmıştır.