ENERJİ ve EKSERJİ ANALİZ YÖNTEMLER İNE GİRİŞ

ENERJĐ ve EKSERJĐ ANALĐZ
YÖNTEMLERĐNE GĐRĐŞ
Prof. Dr. Olcay KINCAY
Doç. Dr. Zafer UTLU
SUNU PLANI
Giriş
Termodinamik bakış açısı ile enerjinin
korunumu
Termodinamik bakış açısı ile entropi ve
ekserji
Günlük hayatta 2. yasa ve verimlilik
Sonuç ve genel değerlendirme
DÜNYA ENERJĐ KAYNAKLARI HIZLA
TÜKENMEKTEDĐR
Enerji
TERMODĐNAMĐK
Enerji bilimi, Enerjiyle ilgili herşey
Termodinamik dersinin amaçları:
Temel prensipleri (1. ve 2. Yasalarını) benimsetmek,
Enerji değişim ve dönüşümlerini daha bilinçli bir
anlayışla geliştirmelerini sağlamak,
Termodinamiğin gerçek dünyadaki değişik
uygulamalarını göstermektir.
ENERJĐ NEDĐR ?
Enerji ‘fiziksel” bir varlıktır, ve bu yüzden
de fizik kanunlarına – enerjinin korunumu
gibi - uymak durumundadır.
Bir sistemin enerjisi kinetik ve potansiyel
gibi makroskopik; ve iç enerji (duyulur,
gizli, kimyasal, nükleer) gibi mikroskopik
formlardan oluşur.
Yaşamak – Enerji
TERMODĐNAMĐĞĐN BĐRĐNCĐ YASASI
Enerjinin korunumu
ilkesidir
Enerjinin
niceliği ile ilgilidir
Birinci yasa
verimi ısıl verimdir
TERMODĐNAMĐĞĐN ĐKĐNCĐ YASASI
Enerjinin niteliği ile ilgilidir
Bu yasanın çalışma alanı
Nitelik azalması
Entropi üretimi
Đş yapma olanaklarının
değerlendirilememesi
1. Yasa: Miktar tabanlı
Enerji enerjidir
Tüm enerjiler eşittir
Miktar her zaman korunur, yok edilemez
2. Yasa: Kalite tabanlı
Enerjiden enerjiye fark vardır
Enerjiler eşit değildir
Kalite varken yok olur
KULLANILABĐLĐRLĐK
(EKSERJĐ)
Bir sistemde elde edilebilecek en çok iş sistem
belirli bir başlangıç halinden tersinir bir hal değişimi
ile çevrenin bulunduğu hale getirilirse elde edilir.
Yararlı iş
Đşi yapma
potansiyeli
olanağı
KULLANILABĐLĐRLĐK
(EKSERJĐ)
Evrenin kütlesi değişmediği gibi toplam enerjisi de
değişmez.
Bu
durum,
tamamen
birinci
yasanın
uygulamasıdır.
Yapılması gereken “kullanabilirlik” veya “enerjiden
yararlı iş elde etme olanağının en üst seviyede
uygulamaya dönüştürülmesidir.”
“Kullanabilirlik” bir kez harcandıktan sonra yeniden
kazanılmaz. Örneğin, “konut ısıtmada” kullanılan
enerji yok edilmemektedir. Sadece daha düşük
kullanabilirliliği olan enerji şekline dönüştürülmektedir.
Sistemlerin değerlendirilmesinin bu bakış açısı ile
yapılması enerjinin etkin kullanımı açısından bir
zorunluluk olarak ortaya çıkmaktadır.
Tasarruf: Đkinci Yasa Kavramı
ze )
i
m
ini ostu
m
d
n
ı
e
r
n
ası l (çev ğidir.
h
im eşi
ati
i
j
r
r
y
p
e
n
s
k
E esi, e namik
i
m
d
l
i
o
ed term
1. Yasa: Enerji zaten her
zaman – binadan ısı kaybı
olurken dahi – korunur
(Enerjinin korunumu kanunu)
2. Yasa: Kalitesi düşen enerji,
israf edilmiş olan enerjidir.
Enerji tasarrufu, enerjiyi en
faydalı halinde muhafaza
etmektir. Faydasız bir hale
dönüşen enerji tamamen
kaybolmuştur.
2 + 2 = 4 ? Belki !...
Soru 1: 2 + 2 = ?
1. Kanun: 4 (Enerji gibi korunan her şey için doğru)
2. Kanun: 0, 1, 4, 7, … (Entropi ve ekserji gibi şeyler için bütünün
değeri parçalarının toplamanından büyük veya küçük olabilir)
Soru 2: Birlikten kuvvet doğar mı?
1. Kanun: Evet, her zaman
2. Kanun: Hayır, birlikten zaaf da doğabilir.
Soru 3: 1. ve 2. Yasa verimlerinin farkı nedir?
1. Kanun verimi: Ulaşılan performansın sağlanan kaynaklara oranıdır.
2. Kanun verimi: Ulaşılan performansın mevcut şartlar altında
ulaşılabilecek en iyi performansa oranıdır.
ĐKĐNCĐ YASA VERĐMĐ
ve GÜNLÜK YAŞAM
Günlük yaşamda bir kişinin birinci yasa verimi harcadığı
emeğe karşılık elde ettikleri ile ölçülebilir, ikinci yasa
verimi ise verimliliğinin o koşullarda yapabileceğinin en
iyisi ile karşılaştırılması sonucu bulunabilir.
ĐKĐNCĐ YASA VERĐMĐ
ve GÜNLÜK YAŞAM …
Sahip olunan zaman miktarı birinci
yasaya örnek oluştururken, bu zamanın
ne kadar etkin bir biçimde kullanımı
ikinci yasa kapsamındadır.
Az zamanda çok iş yapmak, az yakıtla
daha çok yol gitmek ikinci yasanın ekserji
değerinin yüksekliğini göstermektedir.
ÖLÜ HALDEKĐ SĐSTEM ÖZELLĐKLERĐ
Çevresiyle
termodinamik
dengededir
Yararlı iş potansiyeli
(Kullanılabilirlik)
sıfırdır
ÖLÜ HALDEKĐ SĐSTEM ÖZELLĐKLERĐ
P0
T0
T0= 250C
h0
u0
s0
P0 = 1 Atm
Bir Sistemden En Çok Đşi Elde Edebilmek Đçin
Sistemin Son Halinin ÖLÜ HAL Olma
Zorunluluğu Vardır.
ATMOSFERDEKĐ DURUM
Atmosferde çok büyük bir enerji vardır. Fakat atmosfer
ölü halde bulunduğundan içerdiği enerjiden iş elde
etmek OLANAKSIZDIR.
TERSĐNĐRLĐK
Belirli iki hal
arasındaki hal
değişimi sırasında
bir sistemden
elde edilebilecek
en çok yararlı iştir.
TERSĐNMEZLĐK
Đşe dönüştürülebilecek iken
dönüştürülemeyen enerjiyi gösterir.
TERSĐNMEZLĐK
Çalışır bir sistemde enerji korunumu oluşurken, entropi
üretilmekte ve ekserji tüketilmektedir.
1. ve 2. YASA KARŞILAŞTIRILMASI
• 1. YASA: Madde ve Enerji ile ilgilidir
• Korunum kanununa tabi (Madde-enerji korunumu prensibi)
(Yoktan var olmaz, var iken yok olmaz; şekil değiştirir)
• Beş duyu ile algılanabilir.
• Varlıkları kesindir ve fiziksel varlıklardır.
• Büyük patlama ile başlayan madde-enerji evrenine uygundur.
• 2. YASA: Entropi ve Ekserji ile ilgilidir.
• Korunum kanununa tabi DEĞĐL (Entropinin artışı prensibi)
(Entropi yoktan var olur, ekserji var iken yok olur)
• Beş duyu ile algılanamaz.
• Varlıkları kesindir, ama dar anlamda fiziksel varlık değillerdir.
• Büyük patlama ile başlayan madde-enerji evreninin dışındadır.
• Biz “koruma kanununa tabi”
şeylerle şartlandık. Entropi ve
ekserji gibi görülmeyen
madde-dışı şeyleri kavramakta
zorlanıyoruz.
BAZI PROSESLERĐN ENERJĐ
ve EKSERJĐ VERĐMLĐLĐKLERĐ
VERĐMLĐLĐK (%)
Enerji
60
40
Ekserji
9
2-3
Buhar
90
50
Kurutma
40
4
Petrol Rafineri
90
10
Buhar-Boyler
100
40
76
46
Konut Isıtma
Su Isıtma
Fırınlama
TEMEL KAVRAMLAR
Kütle balansı:
Kütle değişimi = Kütle transferi
Enerji balansı:
Enerji değişimi = Enerji transferi
Entropi balansı: Entropi değişimi = Entropi transferi + Entropi üretimi
Ekserji balansı: Ekserji değişimi = Ekserji transferi - Ekserji imhası
Bir işlem sırasında kütle ve enerji korunur; entropi üretilir, ekserji
imha olur.
‘YEŞĐL’ BUZDOLAPLARI
Buzdolabı ve Dondurucu’ların
enerji verimliliği, daha iyi izolasyon
ve yüksek verimli kompresörler
sayesinde geçen 30 yıl içinde
yaklaşık %70 artmıştır.
Verimli buzdolapları ABD’de
1973’den beri 30,000 MW lık yeni
santral ihtiyacını ortadan
kaldırmıştır.
Yeni buzdolabı ve dondurucuların yıldan yıla
elektrik kullanımındaki düşüş (birim unite
başına)
(National Energy Policy Report, USA, 2001).
HĐBRĐT
ARABALAR: Fren esnasında israf edilen
mekanik enerjiyi depolayan
mühendislik çözümü
“YEŞĐL” BĐNA ?
YTÜ Yenilenebilir Enerji Evi
AYDINLATMADA ELEKTRĐK YERĐNE GÜNEŞ
Işık Boruları
Çalışma prensibi güneşten
alınan ışığın yansıtıcı yüzeylere
sahip borular yardımıyla kapalı
alanlara ulaştırılması esasına dayanır.
Güneş Pili
Sistemleri
Güneş ışığı elektriğe çevrilir. Kontrol
sistemi direk gelen ışığı yönlendirir.
Bataryalar enerjiyi depolar.
Dönüştürücü DC akımı AC’ye çevirir.
Güneş Pilleri
Fotovoltaik piller de denen bu
yarı-iletken malzemeler güneş
ışığını, güneş pilinin yapısına bağlı
olarak %5-20 arasında bir verimle
elektrik enerjisine çevirirler.
Yer: Manchester, Đngiltere
Güç: 390 kW
Modül gücü: 80 W
7,244 Modül
Toplam Maliyet: 10,1 milyon $
Güneş Kırıcı Uygulaması
Çeşitli Uygulamalar
Đkinci Yasa:
Mükemmellik Ölçüsü
•
Bir olayın ikinci yasa verimi %100 ise:
O olay MÜKEMMELDĐR (1. yasa verimi
%100 olmasa bile)
Entropi üretimi = 0
Ekserji imhası = 0
Đsraf = 0
BĐRLĐKTEN KUVVET DOĞAR MI?
Entropi Artmazsa, EVETTT…
Daha Büyük Olurken
Daha Küçük Olmak …
Termodinamikte, sistemin büyüklüğü
termodinamiğin “enerji içeriği”nde gösterilebilir.
‘Đş potansiyeli’ veya “ekserji içeriği” ile belirtilen sistemin
değerinin şeklidir.
Belirtilen bir durumda bir sistemin enerji içeriği sabittir,
fakat ekserji içeriği, farklı çevrelerde farklıdır.
Daha Büyük Olurken
Daha Küçük Olmak …
Đki izole sistem birleştirilirse, birleştirilen sistemin enerji içeriği her
zaman iki sistemin enerji içeriğinin toplamına eşittir. Fakat ekserji
içeriği, bireysel sistemlerin ekserji içeriğinin toplamından daha
azdır.
Karıştırma işlemi, tersinmez bir prosestir ve entropi oluşur,
böylece bu proses esnasında ekserji yok edilir.
Farklı durumlarda iki sistemi birleştirmek boyutça daha büyük bir
sistem verebilir, fakat ekserji içeriğinde bu daha küçüktür.
Karıştırma Đşleminden Önce
ve Sonra Đş Potansiyeli
W1 = 200 kJ
Air
1 kg
T1 =500°°C
1 atm
W2 = 8 kJ
Air
1 kg
T2 =100°°C
1 atm
P0 = 1 atm, T0 = 25°°C
(a) Karıştırmadan önce
Wmixed = 168 kJ
(iş 19% yok oldu)
Air
2 kg
V = V1 + V2
E = E1 + E2
P0 = 1 atm, T0 = 25°°C
(b) Karıştırmadan sonra
Karıştırma işlemi nedeniyle Kayıp Đş
Potansiyelinde Sistem Sıcaklığının Etkisi
( P0 = 1 atm, T0 = 25°C, m = 1 kg, P1 = P2 = 1 atm)
Tank 1
Sıcaklığı
T1 , °C
Tank 2
Sıcaklığı
T2 , °C
Tank 1
Ekserjisi
W1, kJ
Tank 2
Ekserjisi
W2, kJ
Karışma
öncesi
Ekserji
Wunmixed
Karışma
Sonrası
Ekserji
Wmixed
Yok edilen
iş potansiyelinin yüzdesi
%
-100
100
36.6
8.2
44.8
2.1
95.3
-50
100
11.4
8.2
19.6
0.0
100.0
0
100
1.1
8.2
9.3
2.0
78.4
25
100
0.0
8.2
8.2
4.4
46.2
50
100
1.0
8.2
9.2
7.6
17.0
75
100
3.8
8.2
12.0
11.6
3.0
100
100
8.2
8.2
16.4
16.4
0.0
300
100
82.1
8.2
90.3
76.3
15.4
Karıştırma işlemi nedeniyle Kayıp Đş
Potansiyelinde Sistem Sıcaklığının Etkisi
35
Decrease in Work Potential, %
30
P0 = 1 atm, T0 = 25°°C
25
Air
1 kg
T1 =500°°C
1 atm
20
15
10
5
0
0
100
200
300
400
500
Temperature difference between tanks, C
Air
1 kg
T2: 0 - 500
1 atm
Karıştırma Bize Ne Söyler?
Biri çevre sıcaklığının altında, diğeri üzerinde iki sistem
karıştırıldığında Ekserji yıkımı çok büyük olur (Đki bölümün
sıcaklıkları -100°C ve 100°C olduğunda ekserjinin 95,3%’i yıkılır.)
Çok farklı sistemlerin birleştirilmesi daha büyük fakat daha az
kapasiteli sistemler olmasına neden olur.
Her iki bölüm aynı sıcaklıkta olduğunda, ekserji yıkımı olmaz ve
karışımın iş potansiyeli iki kez her iki bölümün iş potansiyelidir.
Öğrenilecek ders: Birbirine uymayan şeyler birleşmeye
zorlandığında daha büyük ve daha zayıf uyum elde edilir.
Birleşmek ya da Birleşmemek?
Uyuşabilir Şeylerin Karışımı
Entropi üretimi = 0
Ekserji yıkımı = 0
“KUVVETLĐ”
Uyuşamaz Şeylerin Karışımı
Entropi üretimi >> 0
Ekserji yıkımı >> 0
“ZAYIF”
Her biri 100 HP olan 5 Gemi ile
Buzdağının Çekilmesi
5x100 hp
ICEBERG
100 hp
100 hp
(a) 5 geminin buzdağını aynı
istikamete çekmesi
100 hp
ICEBERG
100 hp
100 hp
500 hp
ICEBERG
(b) 5 gemiye denk, 500 HP
bir tek geminin çekmesi
(c) 5 geminin buzdağını
çekmeye denemesi (hangi
istikamete?)
Termodinamik Sistemlerden
Öğrenilecek Dersler - 1
Aynı veya neredeyse aynı olan termodinamik sistemlerin birleşimi
daha büyük bir ekserji içeriğiyle, daha büyük bir sistem oluşturur.
Uyuşabilir şeyleri birleştirmek, çok güçlü ve etkili bir birliği
yaratacaktır.
Farklı durumlarda olan iki termodinamik sistemi birleştirmek, boyutta
daha büyük olan fakat ekserji içeriğinde daha küçük olan bir sistemi
verecektir. Đş potansiyelinin artığından kaçınılmalıdır.
Birbirine uymayan şeyler, bir kural altında birleşmeleri için
zorlanmamalıdır. Bunun yerine ayrı, ayrı var olmalarına izin verilmeli
ve çıktılarının birleşimi yapılmalıdır.
Termodinamik Sistemlerden
Öğrenilecek Dersler - 2
Termodinamik sistemlerin özelliklerinin arasındaki fark
ne kadar büyük ise, ekserji yıkımı o kadar büyük olur.
Ne kadar çok birbirine zıt parçalar birleşirse, değerinin
yıkımı o kadar büyük olur.
Bir bütün içindeki, birbirine benzemeyen şeyleri zorlamak,
çok büyük yıkım patlamasına neden olur.
Termodinamik Sistemlerden
Öğrenilecek Dersler - 3
Bazı hallerdeki uyumlu ve geri kalan hallerdeki uyumsuz
öğeler, sadece uyumlu parçalarının içerdiği kadarıyla,
kısmen birleşebilirler.
Tek olan öğeler uyumsuz halleri belirince bireysellik ile
kontrol edilebilirler.
Şirketler: Birleşmek
ya da Birleşmemek?
Birbirine benzer ya da tamamlayıcı
üretim hattında çalışan şirketler
birleşmeli ve kaynaklar
birleştirilmelidir.
"Daha büyük olmak, muhakkak
daha iyi olmayı ifade etmez".
EVLĐLĐK: Daha iyi veya daha iyisi için?
+
=
+
=
Evlilik: Bir adam ve bir kadının
karışımıdır.
Uyum: Bu karışımın neredeyse
mükemmel olması için entropi
üretimi minimal olmalıdır ve
böylece karışımın anahtar özellikleri
arasındaki farklar küçüktür.
- Değerlerdeki çok küçük farklar,
bir ünite olarak iş görmelidir.
2. yasa açışından son söz:
“SIFIR ĐSRAF”
Nereden Başlamalı:
Enerji Tasarrufu
En ucuz enerji
tasarruf edilen
enerjidir!
KAYNAKLAR
Prof.Dr.Yunus Çengel, TERMODĐNAMĐĞĐN TEMEL
KAVRAMLARI: ENERJĐ ve EKSERJĐ
Prof.Dr.Olcay Kıncay ve Doç.Dr. Zafer Utlu, ; EKSERJĐ DERS
NOTLARI
Teşekkürlerimizle
Prof. Dr. Olcay KINCAY
Doç. Dr. Zafer UTLU