Слайд 1 - WordPress.com
advertisement
Donetsk Milli Mikhail Tugan Baranovskogo Ekonomi ve Ticaret Üniversitesi (DETÜ) Soğutma ve ticari makineleri bölümü Dersin konusu: Termodinamiğin İkinci Yasası ve onu uygulaması Öğt. Doç. Karnaukh Viktoriia Donetsk-Adana 2015 PLAN: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Termodinamiğin ikinci yasasının ifadeleri; Cadi Carnot çevrimi – ısı makinelerinin ideal çevrimidir; Düzensizlik ve Entropi; Carnot soğutma çevrimi nedir? Pistonlu motorların teoretik çevrimleri; Soğutma makineleri ve ısı pompası çevrimleri. ÖNERİLEN KAYNAKLAR: 1. Çetinkaya Selim “Termodinamik”.2. Basım. NobelKitap. Ankara, 2011. 2. Akdağ Mustafa “Temel kavramları ile mühendislik termodinamiği”. Kafqaz Üniversitesi yayınları, Bakü, 2009. 1. Termodinamiğin ikinci yasasının ifadeleri 19. yy’ın başlarında buhar makinesini geliştirme calışmalarında az yakıt kullanılarak daha cok iş elde etme, hatta hic yakıt kullanmadan, cevreden ısı almak amacıyla, surekli calışan makine yapma denemeleri yapılıyordu. İlk defa Sadi Carnot, makine ve akışkan cinsine bağlı olmaksızın, ısıdan faydalı iş elde etme fikrini, en genel şekilde ele aldı ve calışmalarının sonucunda Termodinamiğin ikinci yasasının temelini oluşturacak şekilde, • Isının ağırlığı olmayan bir madde olduğu , • Isının ancak sıcak olan kaynaktan, soğuk olan kaynağa doğru kendiliğinden gectiği, • İki kaynak arasında sıcaklık farkı varsa, orada mekanik iş elde edilebileceği, buna karşılık mekanik iş tuketme karşılığında orada sıcaklık farkının oluşturulabileceği, • Termik makinelerin calıştırılabilmesi icin mutlaka sıcaklıkları birbirinden farklı iki kaynağa ihtiyac olduğu… fikirleri ile tersinir makine kavramını ilk defa ortaya koyuyordu Termodinamiğin 2. yasası çeşitli biçimlerde ifade edilmiştir. İngiliz bilim adamı Lord Kelvin şöyle bir ifade sunmuş: Periodik olarak çalışan ve bir tek ısı kaynağı ile ısı alış verişi yaparak sürekli olarak iş üreten bir makinenin yapılması mümkün değildir. Kaynaklardan çoğunda yükardaki ifade Kelvin-Plank olarak bilinir, onun anlamına göre hiçbir ısı makinesinin ısıl verimi % 100 olamaz. Bu suretle, «ikinci türü ‘perpetuum mobile’nin» yapılması mümkün değildir. Bir ısı makinesinin sürekli çalışabilmesi için sıcak kaynaktan ısı alınmasının yanısıra soğuk kaynağa da belirli miktarda ısı vermesi gerekir. Clausius ifadesi ise, Çerede hiçbir etki bırakmaksızın ısıyı soğuk ısı kaynagından sıcak ısı kaynağına ileten bir ısı pompası (veya soğuk makinesi) yapmak mümkün değildir ya da bir başka ifadeyle Isı enerjisi kendiliğinden soğuk ortamdan sıcak ortama doğru akamaz, biçimindedir. Yasanın en önemli sonuçlarından biri ise, Kapalı sistemlerde ısı enerjisi hiçbir zaman tümüyle diğer bir enerji formuna (örneğin mekanik enerjiye) dönüşmez. Isı enerjisi, sıcaklığı yüksek olan cisimlerden düşük olanlara doğru akar. Bu süreç tersinmezdir. Yani dışardan yardım olmadan ısı, düşük sıcaklıktaki cisimden yüksek sıcaklıktaki cisme ısı aktarmak mümkün olmaz. 2. Cadi Carnot çevrimi – ısı makinelerinin ideal çevrimidir 1824 yılında Fransız bilim adamı Cadi Carnot tarafından ısı makinelerinin IDEAL Çevrimi olarak ortaya konmuş ve Emile Clapeyron tarafından 1830 ve 1840’lı yıllarda geliştirilmiştir. Carnot çevriminin p-v ve T-s diyagramı, Şekil 1’de görüldüğü gibi. Carnot, ideal içten yanmalı motorun konseptini geliştirdiği sırada izotermik dönüşümün ideal ısı alması dönüşümü olduğunu ortaya koydu. Bu sırada tün verildiği ısı tam işe dönüşür (1. Şek). Nicolas Léonard Sadi Carnot (1 Haziran 1796 – 24 Ağustos 1832) Fransız fizikçi ve matamatikçi р T 2 q1 q1 3 T1=const 2 dq=0 3 T1=const l0 q0=q1-q2 T2=const dq=0 1 q2 4 T2=const v 1 4 q2 s1 s2 s Şekil 1. Carnot çevriminin p-v ve T-s diyagramları: 1-2 – Adyabatik Sıkışma (s=c), 2-3 – İzotermik Genleşme (Т=с), 3-4 –Adyabatik Genleşme (s=c), 4-1 – İzotermik Sıkışma (T=c). Termik faydalı çalışma katsayısı: lçev qçev q1 - q2 q2 T2 t 1 1 q1 q1 q1 q1 T1 (2.1) 3 Düzensizlik ve Entropi (2.1) no’lu formüle göre çevreye verilen ısı miktarı q2 q1 q2 T2 T1 İfade edilebilir, şöyle ki q1/T1 ve q2 doğru orantılı niceliklerdir. İlk defa 1865 yılında Alman bilimadamı Clausius’un tarafından q/T oranı Entropi olarak adlandırılmış, ilk defa bu terimi ortaya koyulmuş. Entropi, bir sistemdeki enerjinin değersizleşme düzeyini gösteren bir büyüklüktür. Entropinin fiziksel bir açıklamasını yapmak oldukça zor olmakla birlikte ‘Entropi, sistemdeki düzensizliğin bir ölçüsüdür’, biçiminde bir tanımlama yapılabilir. Düzensizlik arttıkça entropi de artmaktadır. Bütün tersinir çevrimler için entropi değişimi sıfıra eşittir: dq 0 ds T (3.1a) ster sinir 0 (3.1b) Ama eğer dq sabit ise tersinmez çevrimlerde tersinir çevrimlere göre entropi değişimi sabit değil, yani artıyor ve: dq ds T (3.2a) dqTds (3.2b) Yani tersinir durumlarda entropi 0'a eşitken tersinmez durumlarda entropi 0'dan büyüktür. Ancak gerçek hayatta tersinir sistem yoktur, gerçek olan tersinmez işlemlerin ideallikten ne kadar uzak olduğunu refere etmek için oluşturulmuş hayali bir işlemdir.) Termodinamik işlem surasında cisim 1 durumundan 2 durumuna geçiyor ve sonra ilk haline dönüyorsa bu sistem için entropi değişimi integral formül biçimde yazılır: 2 ( 1 q T 2 ) ds s2 s1 s 1 (3.3) Herhangi termodinamik işlem sırasında verilen (alınan) ısı miktarı ısı diyagramı sayesinde hesaplanabilir (T-s diyagramı). Isı diyagramında dikey eksen sıcaklık, yatay dikey ise entropidir. Bunu unutmamak lazım, ideal gazlar için entropi ile özgül ısı arasında bağıntı var olduğunun yanı sıra her gazın özel özgün ısısı da vardır. Bu yüzden her gaz için ayrı T-s diyagramı kullanılmalıdır. Şekil 2’de bir termodinamik işlem sıcaklık-entropi diyagramı üzerinde gösterilmiştir Т 2 2 Fa12b q Tds 1 1 df a (3.4) ds Şekil 2. Bir termodinamik işlem T-s diyagramı üzerindedir b s Adyabatik sıkıştırma Adyabatik genleşme Şekil 3. Oksijen gazı için T-s diyagramının parçası İdeal gazlar için entropi değişimi Bildiğiniz gibi Teknik Termodinamikte hesaplamalar mutlak entropi değil entropi değişimi sayesinde yapılmaktadır. Normal koşullardaki (T273,15K, p-101,325 kPa) gazlar için entropi sıfıra eşittir (s=0). Eğer özgül ısının sabit olduğunu varsayılırsa T2 p2 s2 s1 c p ln R ln T1 p1 p2 v2 s2 s1 cv ln c p ln p1 v1 (3.5a) (3.5b) T2 v2 s2 s1 cv ln R ln T1 v1 (3.5c) Her termodinamik işlem için durum değişimi sırasında entropi değişimini hesaplamak mümkündür. T-sabit sT s2 s1 R ln T2 T1 V-sabit sv s2 s1 cv ln p-sabit s p s2 s1 c p ln T2 T1 p2 p1 v2 v1 p sv s2 s1 cv ln 2 p1 sT s2 s1 R ln s p s2 s1 c p ln v2 v1 4. Carnot soğutma çevrimi nedir? Termodinamiğin önemli uygulama alanlarından biri de soğutmadır. Soğutma, soğutma makineleri veya ısı pompaları ile gerçekleştirilmektedir. Soğutma makinesi, ısı makinesinin aksine, düşük sıcaklık kaynağından ısı alarak yüksek sıcaklık kaynağına ısı transferini gerçekleştiren bir sistemdir. Soğutma çevriminde kullanılan çalışma maddesine ‘soğutucu akışkan’ denir. Eğer soğutma çevriminde soğutucu akışkanın hali değişir ise ‘buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi’ denmektedir. Eğer soğutma çevriminde hava soğutucu akışkan olarak kullanılır ise ‘hava soğutma makinesi’ denmektedir. İdeal olan soğutma makinesinin çevrimi olarak ters Karnot çevrimi kabul edilmektedir. Ters Karnot çevrimi iki adet izotermik ve iki adet adyobatik olmak üzere tam dört kademeden oluşmaktadır (şekil 4). T р 3 q1 3 dq=0 q1 4 l0 T1=const l0 2 q2 1 dq=0 T2=const v а 4 T1=const T2=const 2 1 q2 s1 b s2 s Şekil 4. Ters Carnot çevriminin p-v ve T-s diyagramları: 1-4 – Adyabatik Sıkışma (s=c), 4-3 – İzotermik Sıkışma (Т=с), 3-2 –Adyabatik Genleşme (s=c), 2-1 – İzotermik Genleşme (T=c). Ters Karnot çevriminin katsayısı (soğutma katsayısı) karnot q aln lharcanan q2 T2 1 q1 q2 T1 T2 (4.1) 5. Pistonlu motorların teoretik çevrimleri Isı makinenin çevrimi altı gruba ayırabilir Sabit hacimli çevrim – Otto çevrimi Stirling çevrimi Gaz türbinlerin çevrimi – Brayton çevrimi Sabit basınçlı çevrim – Dizel çevrimi Karma çevrim – Trinkler çevremi Buhar türbinlerin çevrimi – Renkin çevrimi b) Şekil 5 - Pistonlu içten yanmalı motor: a) ve b) kesitleri a) OTTO ÇEVRİMİLİ MOTOR (1887 yılında icat adilmiş) р 3 Т 3 q1 v q1v 2 l0 2 4 1 q2v q2 v 1 AÖN UÖN a) 4 Otto Nikolaus Avgust 1832-1891 Alman mühendisi v ÜÖN AÖN s b) Şekil 6 – Otto çevrimi: a) çalışma diyagramında, b) termal diyagramda Otto Çevrimi Safhaları : 1-2 – Adyabatik sıkıştırma: Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket eder. Bu sırada emme ve egzos valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava+yakıt karışımı sıkışır ve basıncı grafikte görüldüğü gibi artar. 2-3 – Sabit Hacimde Yanma: Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada bujiden kıvılcım çaktırılarak sıkışarak ısınmış hava+yakıt karışımı yanmaya başlar, bunun sonucunda basınç p2'den p3 değerine sıçrama yapar. 3-4 – Genleşme: Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar. Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder. Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar. 4-1 – Egzoz: Sistem 4 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır. Silindir egzoz sistemi ile dışarıya açıldığından silindirdeki basınç atmosferik basınca düşer. Sistemden ısının atılması bu safhada gösterilmiştir. DİZEL ÇEVRİMİLİ MOTOR (1897 yılında icat adilmiş) q1 p p 2 3 Т q1 p 3 l0 4 2 4 q2v 1 q2v Rudolf Kristian Dizel 1858-1913 alman mühendisi 1 ÜÖN AÖN a) v ÜÖN AÖN s b) Şekil 7 – Dizel çevrimi: a) çalışma diyagramında, b) termal diyagramda Dizel Çevrimi Safhaları : 1-2 – Adyabatik sıkıştırma: Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket ederek havayı sıkıştırıyor. Bu sırada emme ve egzos valfleri kapalıdır. 2-3 – Sabit Basınçta Yanma. Bu safhada sıkıştırılan havanın sıcaklığı 700-900°C'a ulaşır. Piston hareketinin en tepe noktasında, dizel yakıt yüksek basınçla (atomizer memeden geçerek) yanma odasının içerisine püskürtülür; burada sıcak ve yüksek basınçlı hava ile karışır. Bu karışım hızla tutuşur ve yanar. 3-4 – Genleşme: Bu safhada yanma odası içindeki gaz genleşirerek piston aşağı doğru hareketine başlatırır. Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder. Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar. 4-1 – Egzoz: Egzoz gazını silindirin dışına atma ve taze hava çekme işlemi. TRİNKLER ÇEVRİMİLİ MOTOR (karma çevrimli motor) (1904 yılında icat adilmiş) qp р 3 qp Т 4 qv 2 qv l0 3 4 5 Gustav Trinkler 1876-1957 rus mühendisi 2 5 1 qv 1 ÜÖN AÖN a) v ÜÖN AÖN s b) Şekil 8 – Karma çevrim: a) çalışma diyagramında, b) termal diyagramda Karma Çevrim Kademeleri : 1-2 Sıkıştırma: Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket eder. Bu sırada emme ve egzos valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava sıkışır ve basıncı artar. 2-3 Sabit Hacimde Yanma: Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada silindire enjektör tarafından yakıt püskürtülmeye başlar. Sıkışarak ısınmış havayla karşılaşan yakıt yanmaya başlar, bunun sonucunda basınç P2'den P3 değerine sıçrama yapar. Sisteme ısı girişinin olduğu ilk safha bu safhadır. 3-4 Sabit Basınçta Yanma: Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar fakat yanma devam ettiğinden basınç düşmez. Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder. Böylece bu safhada da sisteme ısı girişi devam etmiş olur. 4-5 Genleşme: Artık silindire yakıt üskürtülmemektedir ve yanma durmuştur. Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar. 5-6 Egzoz: Sistem 5 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır. Silindir egzoz sisitemi ile dışarıya açıldığından silindirdeki basınç atmosferik basınca düşer. Sistemden ısının atılması bu safhada gösterilmiştir. Motor Formül Çalışma maddesi Sıkıştırma katsayısı Basınç artması katsayısı Ön genleşme katsayısı Termik faydalı çalışma katsayısı v1 v2 Otto çevrimli Dizel çevrimli motor motor Yakıt+hava karışımı Yakıt+hava karışımı (silindir dışında (silindir içinde yapılmaktadır) yapılmaktadır) 6...12 14...25 Trinkler çevrimli motor Yakıt+hava karışımı 13...20 р 3 р2 1,3...1,7 - 2 v3 v2 - 1,5...2,5 1,1...1,9 t 1 1 k 1 k 1 t 1 k 1 k ( 1 ) ητ 1 1 к 1 к 1 ( 1) к ( 1) Buhar türbinlerin çevrimi – Rankin çevrimi (1859 yılı) Egzoz gazları Türbin William John Macquorn Rankine 1820-1872 İngiliz bilim adamı Elektro Jeneratör yoğunlaştırıcı Su kazanı Buhar Soğuk su Sıcak su Kaynamış su Su pompası Şekil 9 – Buhar türbinin prensip şeması Bütün çağdaş buhar türbinlerin çalışmasının temelinde teoretik Rankin çevrimi yer almaktadır. Bu çevrimde ne sürtünme kaybıları, ne ısı kaybıları var, üstelik bütün işlemler tersinmez işlemdir. Buna ek olarak, türbindeki buharın genleşmesi izentropik sayılmaktadır. T Su kaynaması ve buharın oluşturması Pompa çalışması х=0 Tkızgın T2 1 2 1' 2' х=1 5 4 3 T1 İzentropik buharın genleşmesi 2" Buharın yoğunlaşması 6 4' 6' s Şekil 10 –Rankin çevriminin T-s diyagramı Buhar türbininin çevriminin kademeleri: 2-3 – Çalışma akışkanı, düşük basıçtan, yüksek basınca pompalanır. (İdeal şartlarda adyobatik olarak, yani ısı değişimi sıfır, yani entropi değişimi sıfır) Pompalama için iş girişine ihtiyaç vardır. (Örneğin mekanik veya elektirik işi). 3-4-5 – Yüksek basınçlı sıvı bir ısıtıcıya girer, bir ısı kaynağı ile sabit basınçta kızdırılmış buhar halini alana dek ısıtılır.Genelde ısı kaynağı olarak, kömür, doğal gaz veya nükleer güç kullanılır. 5-6 – Kızgın buhar, türbin boyunca genişler ve iş üretimine vesile olur. İdeal şartlarda, bu genişleme izentropiktir. Bu olay buharın basınç ve sıcaklık kaybetmesine sebep olur. 6-1-2 – Buhar daha sonra kondensere girer, doymuş sıvı halini alana kadar soğutulur. Bu sıvı daha sonra tekrar pompaya girer ve çevrim tekrar eder. Termik faydalı çalışma katsayısı: h5 h6 Rankin qharcanan h5 h1 lalıl 6. Soğutma makineleri ve ısı pompası çevrimleri Soğutma makinesinin çalışma prensip şeması şekil 11’de gösterilmektedir. Çevredeki ortam Qк 3 4 рyoğ, tyoğ yoğuşturucu 3 4 kısılma vanası pbuh, tem. 2 1 evaporatör 2 Q0 pbuh, tbuh 1 Soğutulan ortam Şekil 11 – Soğutma makinesinin prensip şeması kompresör Çalışma maddesi (ısı taşıyıcı akışkan) olarak özel özelliğe sahip olan, örneğin R134a, R600a, R22 maddeleri kullanılabilmektedir. Bu maddelerin buharlaşması için sabit atmosfer basınçta ortam sıcıklığı düşük olmalı (-15...-5oC), ama bu maddelerin buhar halinden sıvı haline geçmesi için ortam sıcaklığı yüksek olmalıdır. Çevrim kısaca, aşağıdaki kademeleri ihtiva etmektedir: 1. KADEME (2-1): taşıyıcı akışkanın buharlaşması - soğutulan ortamdaki bulunan Qo ısısı, basınç ve sıcaklığı düşük olan taşıyıcı akışkana transfer edilmektedir; 2. KADEME (1-4): taşıyıcı akışkanın sıkıştırılması - kompresör ünitesinde taşıyıcı akışkan üzerine dışarıdan iş tatbik edilerek taşıyıcı akışkan yoğunlaşma basıncına sıkıştırılmaktadır; 3. KADEME (4-3): taşıyıcı akışkanın yoğunlaştırması - basıncı ve sıcaklığı yüksek olan taşıyıcı akışkanın, kondansatörde (yoğunlaştırıcıda) bünyesindeki Qk ısısı ayrılmaktadır; 4. KADEME (3-2): taşıyıcı akışkanın genleşmesi - taşıyıcı akışkan capilary tube (kısılma vanası)den geçerken onun basıncı ve sıcaklığı büyük ölçüde düşürülmekte ve buharlaştırma kısmına geri döndürülmektedir. Soğutma makineleri ve ısı pompaları aynı çevrime göre çalışmaları halde kullanım amaçları farklıdır. Soğutma makinelerinin kullanım amaçları, bir ortamdan ısı çekerek ortamı çevre sıcaklığından düşük sıcaklıkta tutmaktır. Isı pompalarının kullanım amaçları ise ısıtılan bir ortamın sıcaklığını istenen düzeyde tutmaktadır. Isı makinesinin prensip şeması Sıcaklığı yüksek olan bir kaynak Soğutma makinesi ve Isı pompasının prensip şeması Sıcaklığı yüksek olan bir kaynak Q Q Lfaydalı Çalışma maddesi Q0 Sıcaklığı düşük olan bir kaynak Lkullanılan Çalışma maddesi Q0 Sıcaklığı düşük olan bir kaynak Isı pompasının çalışma prensip şeması şekil 12’de gösterilmektedir. Şekil 12 – Isı pompasının çalışma prensip şeması . GÖSTERDİĞİNİZ İLGİ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİM!!!
