ÜNİTE
advertisement
İÇİNDEKİLER FOSİL YAKITLI ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ • Enerji • Enerji Korunumu • Enerji Dönüşüm Sistemleri MAKİNA VE TEÇHİZAT Doç. Dr. Süleyman HEDEFLER KARSLI • Bu üniteyi çalıştıktan sonra; • Enerji, enerji korunumu ve enerji dönüşümünün temel prensiplerini kavrayabilecek, • Enerji dönüşüm sistemlerini tanıyabilecek ve motorlar hakkında mukayeseli temel bilgilere sahip olabilecek, • Enerji dönüşüm sistemlerinden termik santralleri tanıyabilecek, • Modern enerji dönüşüm sistemlerinden doğal gazlı kojenerasyon sistemlerini tanıyabileceksiniz. ÜNİTE 11 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri ENERJİ Isı = Duyulur + Gizli İç Enerji = Duyulur + Gizli + Kimyasal + Nükleer Makroskopik kinetik enerji, enerjinin organize bir biçimidir ve moleküllerin sahip olduğu dağınık biçimdeki mikroskobik kinetik enerjilerden daha faydalıdır. Enerji kısaca iş yapabilme yeteneğidir. Aynı zamanda değişikliklere yol açan etken olarak da düşünülebilir. Enerji, depolanabilir, transfer edilir, farklı biçimlerde olabilir ve korunur. Tıpkı uzunluklar gibi skaler büyüklüktür. Sınıflandırma Enerji; mekanik, kinetik, potansiyel, termal, elektrik, manyetik, kimyasal, nükleer, hidrolik vb. tiplerde olabilir. Tüm bunların toplamı sistemin toplam enerjisini göstermektedir. Makroskopik enerji; sistemin tümünün bir dış referans noktasına göre sahip olduğu enerjidir. Mikroskopik enerji; sistemin moleküler yapısı ve moleküler hareketliliği ile ilgilidir ve diş referans noktasından bağımsızdır. Mikroskopik enerjilerin tümünün toplamı sistemin iç enerjisi diye adlandırılır. Sistemin iç enerjisinin, moleküllerin kinetik enerjisiyle olan kısmına duyulur enerji adı verilmektedir. Sistemin fazıyla ilgili iç enerjisine gizli enerji denir. Sistemin yerçekim alanındaki yüksekliğine bağlı olarak sahip olduğu enerji potansiyel enerji, sistemin referans noktasına göre hareketinden dolayı sahip olduğu enerji kinetik enerji, kapalı sistemlerde yalnız sıcaklık farkından kaynaklanan enerji türü ısı enerjisidir. Termodinamiğin ikinci kanununa göre ısı; doğal olarak yüksek sıcaklıklı bölgeden düşük sıcaklıklı bölgeye transfer olur. Cisimlerin elektrik yükleri sebebiyle sahip oldukları enerji elektrik enerjisidir. Elektrik enerjisi; atom çekirdeği etrafındaki bir elektronun veya elektronların potansiyel enerjisinin artması sonucu başka bir atom yörüngesine (orbital) sıçramasıyla (kuantum sıçrama) oluşur. Maddelerin kimyasal reaksiyonlarda bulunması sonucu ortaya çıkan enerji kimyasal enerjidir. Bir molekülün atomları arasındaki kuvvetlerle ilgili iç enerjidir. Örneğin yanma. Yanma sonucunda bazı bağlar bozulurken bazı yeni bağlar oluşur. Fisyon veya füzyon sonucu meydana gelen enerjiye nükleer enerji adı verilmektedir. Kimyasal reaksiyon atom elektronlarının yapısındaki değişiklikleri içerirken nükleer reaksiyonda ise atom çekirdeği ve kordaki değişiklikleri içermektedir. Türbin, mil vb makina elemanlarıyla doğrudan ve tamamen aktarılan enerji mekanik enerjidir. Kapalı bir sistemin sınırlarını geçen enerji ısı değilse iştir. Dönen bir mil tarafından aktarılan enerji mil işidir (Şekil 11.1.). Şekil 11.1. (Isı geçişinin olmadığı (adyabatik) bir sistemde mil işi Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 2 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Enerji Geçişleri Enerji aşağıdaki durumlardan birisi ile geçiş yapabilir: • İş etkileşimi, bir kuvvetin belli bir aralıkta etkileşimi. Sistemle çevresi arasında bir iş etkileşiminin olabilmesi için iki koşulun sağlanması gerekir. Sınırda etkiyen bir kuvvet olmalı ve sınır hareket etmelidir (Şekil 11.2.). İş ve ısı transferi arasındaki fark; enerji etkileşimi eğer sıcaklık farkından dolayı oluşuyorsa ısı transferi, yoksa iş’tir. Şekil 11.2. Bir piston silindir düzeneğinde sistem sınırları Sistemle çevresi arasındaki iş etkileşimine diğer bir örnekte mil işidir. Mille iletilen güç, birim zamanda yapılan mil işidir (Şekil 11.3.). Döner mille enerji aktarımına endüstride sıkça rastlanır. Şekil 11.3. Bir deniz teknesinde mil işiyle enerji aktarımı • Isı geçişi, sistemle çevresi arasında sıcaklık farkına bağlı olarak geçen enerji şeklidir. Atomların ve moleküllerin rastgele hareketleriyle ilişkili enerjinin aktarımı diye tanımlanmıştır. Tabiatta gerçekleşen temel ısı geçiş mekanizmaları Şekil 11.4.’te gösterilmiştir. Sistemle çevresi arasında ısı geçişi; iletim, taşınım ve ışınımla gerçekleşir. Şekil 11.4. Tabiatta gerçekleşen temel ısı geçiş mekanizmaları Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 3 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri • Kütle akışı, kontrol hacminin içine veya dışına sıvı akışı. Sisteme veya sistemden kütle akışı ile ilave enerji aktarımı söz konusudur. Bir arabanın radyatörü, kalorifer peteği gibi sistemler açık sistemlerdir ve kütle geçişi ile enerji aktarılmaktadır (Şekil 11.5). Bir sisteme kütle girdiğinde enerjisi artar. Çünkü kütle beraberinde enerji taşır. Şekil 11.5. Tabiatta gerçekleşen temel ısı geçiş mekanizmaları ENERJİNİN KORUNUMU Enerji var veya yok edilemez, sadece biçim değiştirebilir. Bir hâl değişimi sırasında sistemin enerji değişimi, net iş ve çevreyle ısı alışverişinin toplamına eşittir. Enerji korunumunu termodinamiğin birinci kanunu ifade etmektedir. Buna göre; bir hâl değişimi sırasında kapalı bir sistemin toplam enerjisindeki net değişimin, sisteme giren toplam enerji ile sistemden çıkan toplam enerji farkına eşit olduğunu ifade etmektedir. Termodinamiğin ikinci kanunu; hâl değişimlerinin belirli bir yönde gerçekleşebileceğini, enerjinin niceliği kadar niteliğe de sahip olduğunu vurgulamaktadır. Bu kanuna göre; verimi 1 olan makine üretilemez. Çünkü doğal süreçlerin tamamı tersinmezdir, birtakım kayıplar söz konusudur. İkinci kanunun Kelvin-Planck ifadesine göre; termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir makinanın, yalnızca bir kaynaktan ısı alıp net iş üretmesi olanaksızdır. ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ Termodinamiğin birinci kanununa göre hiçbir enerji kaybolmaz. Sadece dönüşüm sonucu başka bir enerji türü olur. Yani, evrendeki enerji toplamı değişmez. Buna enerjinin korunumu denir. Yakın çevremizde bu dönüşümlere güzel örnekler verebiliriz. Örneğin bir hidroelektrik santrali ele alınsın. Bu tip santrallerde enerji dönüşümü nasıl gerçekleşir? Nehirlerden gelen suyun kinetik enerjisi barajda potansiyel enerjiye dönüşür. Bu potansiyel enerji kapaklardan akarak doğrusal hareketle bir kinetik enerjiye dönüşür. Buradan da türbin görevi devralır. O doğrusal hareketi dairesel harekete çevirir; ama hâlen kinetik enerjidir. Jeneratör türbinden aldığı bu enerjiyi elektrik enerjisine çevirir ve trafolara gönderir. Bundan sonra uzun bir yolculuk sonrası evinize gelen elektrik fırınlarda ısı enerjisine, saç kurutma makinelerinde ısı enerjisine ve kinetik enerjiye, ampulde ise ışık enerjisine dönüşür (Şekil 11.6). Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 4 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Tüm süreçlerde enerji bir hâlden diğer hâle dönüştürülerek faydalı hâle getirilir. Şekil 11.6. Tipik bir hidroelektrik santralinde enerji dönüşüm işlemi İkinci örnek olarak bir arabadaki yakıtın yanması sonucu yanma odasında oluşan basınç, pistonu aşağı iter ve bu enerjisini krank miline iletir. Krank mili aldığı bu enerjiyi doğrusaldan dairesele çevirir ve tekerleklere iletir. Tekerlek ise aldığı bu dairesel hareketi doğrusal harekete çevirir ve araba hareket etmeye başlar. Aynı şekilde buharlı trenlerde ısı enerjisi yardımıyla su ısıtılır ve buhar oluşturulur ve bu buhar ise trenin hareket etmesini sağlar. Burada ısı enerjisinden hareket enerjisine dönüşüm söz konusudur. Bir vantilatörde elektrik enerjisi hareket enerjisine dönüşür. Elektrikli sobalarda kullanılan elektrik enerjisi ısı enerjisine dönüşür. Yakıtlardaki potansiyel enerjinin ısı enerjisine dönüşmesiyle ısınırız. Şekil 11.7. Enerji dönüşüm türleri Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 5 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Endüstriyel uygulamalarda net güç üretmek için yaygın olarak kullanılan enerji dönüşüm sistemleri ya da makinalar genel anlamda motorlar olarak adlandırılır. Motorların gerçekleştirdikleri termodinamik çevrimlere güç çevrimleri adı verilmektedir. Termodinamik çevrimlerle alakalı olarak yaygın kullanılan diğer bir sınıflandırma da kapalı ve açık çevrimlerdir. Çevrimlerde enerji taşıyan akışkan iş yapan akışkan olarak adlandırılmaktadır. Kapalı çevrimlerde; iş yapan akışkan çevrim sonunda ilk hâline döner ve bu şekilde sürekli dolaşımda kalır. Açık çevrimlerde ise; dolaşımda kalmak yerine iş yapan akışkan her çevrim sonunda yenilenir. Örneğin, otomobil motorlarında, her çevrim sonunda yanmış gazlar çevrimden dışarı atılarak yerine taze hava-yakıt karışımı çevrime sokulur. Isı enerjisinden iş üreten makinalara ısı makinası adı verilmektedir. İş yapan akışkana ısının nasıl verildiğine bağlı olarak ısı makinaları içten yanmalı ve dıştan yanmalı motorlar şeklinde sınıflandırılmaktadır. Dıştan yanmalı motorlar; iş yapan akışkana enerji geçişi bir kazan, bir jeotermal kuyu, bir nükleer reaktör veya güneş gibi bir dış kaynaktan sağlanır. İçten yanmalı motorlarda ise; ısının sağlanması yakıtın sistem sınırları içerisinde yakılmasıyla gerçekleşir. Bundan sonraki bölümde yaygın olarak kullanılan içten yanmalı dört zamanlı ve iki zamanlı pistonlu motorlar ele alınacaktır. MOTORLAR Yakıttan elde ettiği ısı enerjisini mekanik enerjiye çeviren makinelere motor denir. Motor Çeşitleri: Zamanlarına göre; • Dört zamanlı motorlar • İki zamanlı motorlar Kullanılan Yakıtlara Göre; • Benzinli motorlar • Dizel motorlar • LPG motorlar Yakıtın Yanma Yerine Göre: • İçten yanmalı motorlar • Dıştan yanmalı motorlar Yapım özelliklerine Göre; • Sıra tipi • Birbirlerinin karşılarına yatık (Düz, hafif eğik, boksör tipi) • Sıra hâlinde bir açı ile birleştirilmiş (V tipi) • Daire şeklinde (Yıldız tipi) Silindir Sayılarına Göre • Tek silindirli • Çok silindirli Soğutma Sistemlerine Göre: • Su soğutmalı • Hava soğutmalı Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 6 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Şekil 11.8. Sıra Tip ve V Tipi motor Basit yapılarına karşın pistonlu motorlar çok amaçlı ve oldukça geniş uygulama alanı bulan enerji dönüşüm sistemlerindendir. Otomobiller, kamyonlar, uçaklar, gemiler ve elektrikli jeneratörlerin büyük çoğunluğuyla diğer birçok uygulamada güç sağlamak amacıyla pistonlu motorlar kullanılmaktadır. PİSTONLU MOTORLARLA İLGİLİ TEMEL KAVRAMLAR Pistonlu motorlarla ilgili temel kavramlar sırasıyla aşağıda tanımlanmıştır: Ölü Nokta: Pistonun silindir içindeki hareketi esnasında ulaştığı en üst ve en alt noktalardır. Pistonun ulaştığı en üst noktaya Üst Ölü Nokta (ÜÖN), en alt noktaya ise Alt Ölü nokta (AÖN) denir. Ölü Hacim: Piston ÜÖN ‘ya ulaştığında pistonun üzerinde kalan yanma odası hacmidir. Strok: Pistonun silindir içinde hareketi esnasında alt ölü nokta ile üst ölü nokta arasında kat ettiği mesafedir. H ile gösterilir ve genellikle mm cinsinden ifade edilir. Strok Hacmi: Pistonun AÖN ile ÜÖN arasında hareketi esnasında taradığı hacimdir. Toplam Strok Hacmi: Motorun her bir silindire ait strok hacimlerinin toplamıdır. Silindir Hacmi: Strok hacmi ile ölü hacmin toplamıdır. Sıkıştırma Oranı: Silindir içinde oluşan en büyük ölü hacmin (alt ölü nokta hacmi) en küçük ölü hacme (üst ölü nokta hacmi) oranıdır. Silindir Çapı: Silindir gömleğinin nominal iç çapı, silindir çapı olarak adlandırılır. Piston Alanı: Silindir çapına eşit olan dairenin alanıdır. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 7 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Ortalama Efektif Basınç: Gerçek çevrim sırasında üretilen işe eşit işi veren ve tüm güç stroku süresince pistona etki ettiği varsayılan ortalama basınç değeridir. MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ DÖRT-ZAMANLI BENZİN MOTORLARI Motor verimini etkileyen en önemli parametrelerden biri sıkıştırma oranı’dır. Benzinli dört zamanlı motorlar Otto Çevrimi’ne göre çalışmaktadırlar. Dörtzamanlı ya da dört stroklu bir motorda bir çevrim pistonun dört stroku ile veya krank milinin iki tam devri ile gerçekleşir. Bu dört zaman süresince tamamlanması gereken beş olay vardır: Emme, sıkıştırma, yanma, genişleme ve egzoz. Her bir zaman krank milinin 1800 krank mili açısı (KMA) dönmesi ile tamamlanır ve böylece bir çevrimin tamamlanması için geçen süre krank mili açısı cinsinden 720 krank mili açısı (KMA)‘na karşı gelmektedir. Dört-zamanlı ideal bir kıvılcım ateşlemeli motorda çevrim aşağıdaki zamanları içermektedir: Emme Zamanı: Emme zamanı, piston ÜÖN‘da iken başlar. Bu esnada emme supabı açık, egzoz supabı ise kapalıdır. Pistonun AÖN‘ya hareketi sonucu oluşan vakumla yakıt-hava karışımından oluşan dolgu silindire dolmaya başlar. Piston AÖN‘ya ulaştığında emme zamanı sona erer ve emme supabı kapanır. Benzinli motorlarda vuruntu tasarımda en önemli bir kısıtlayıcıdır. Sıkıştırma Zamanı: Silindirlere dolan dolgu, pistonun ÜÖN‘ya hareketiyle sıkıştırılmaya başlar. Bu anda emme ve egzoz supablarının her ikisi de kapalıdır. Silindir içindeki karışım ölü hacme kadar sıkıştırılır. Sıkıştırma zamanı sonunda karışım, buji yardımıyla ateşlenir. Yanma işlemi esnasında yakıtın kimyasal enerjisi ısı enerjisine dönüştürülür ve yaklaşık 2000 0C ‘ ye kadar bir sıcaklık artışı meydana gelir. Genişleme ve İş Zamanı: Yanma gazlarının yüksek basıncı pistonu AÖN‘ya doğru harekete zorlar. Bu esnada supablar kapalıdır. Böylece bu zaman süresince güç üretilir. Genişleme esnasında basınç ve sıcaklığın her ikisi de azalır. Egzoz Zamanı: Genişleme zamanının sonunda egzoz supabı açılır. Emme supabı ise kapalıdır. Piston AÖN‘dan ÜÖN‘ya doğru hareket eder ve bu esnada yanma gazlarını dışarı atar. Egzoz zamanının sonunda egzoz supabı kapanır. Bu esnada bir miktar atık gaz silindir içindeki ölü hacimde kalır. DÖRT-ZAMANLI DİZEL MOTORLAR Dizel çevrimi bu tip motorlar için ideal çevrimdir. Dört zamanlı dizel motoru, dört zamanlı benzin motoruna benzerdir. Fakat dizel motorlar daha yüksek sıkıştırma oranlarında çalışırlar. Benzin motorlarında sıkıştırma oranı 6-10 arasında iken bu değer dizel motorlarda 16-20 arasındadır. Dizel motorda, emme zamanı esnasında silindire yakıt-hava karışımı değil, yalnızca hava emilir. Dizel motorlarda sıkıştırma zamanı sonundaki sıcaklık, yüksek sıkıştırma oranının sonucu olarak, yanma odasına püskürtülen yakıtın kendi kendine tutuşabileceği noktaya ulaşır. Dizel motorlarda, yakıtı yanma odasına püskürtmek üzere yüksek basınçlı bir yakıt Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 8 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri pompası ve enjektör kullanılır. Benzin motorlarında kullanılan, karbüratör ve ateşleme sistemi dizel motorlarda kullanılmazlar. Emme Zamanı: Emme zamanı, piston ÜÖN‘da iken başlar. Bu esnada emme supabı açık, egzoz supabı ise kapalıdır. Pistonun AÖN‘ya hareketi sonucu oluşan vakumla hava silindire dolmaya başlar. Piston AÖN ‘ ya ulaştığında emme zamanı sona erer ve emme supabı kapanır. Sıkıştırma Zamanı: Silindirlere dolan dolgu, pistonun ÜÖN‘ya hareketiyle sıkıştırılmaya başlar. Bu anda emme ve egzoz supaplarının her ikisi de kapalıdır. Silindir içindeki karışım ölü hacme kadar sıkıştırılır. Bu zaman esnasında supablar kapalıdır. Genişleme Zamanı: Yanma odasına yakıtın püskürtülmesi yaklaşık olarak sıkıştırma zamanının sonunda başlar. Isının sisteme sabit basınçta ilave edildiği kabul edilir. Yakıtın püskürtülmesi işlemi tamamlandıktan sonra yanma ürünleri genişlemeye başlar. Bu zaman süresince supablar kapalıdır. Egzoz Zamanı: Genişleme zamanının sonunda egzoz supabı açılır. Emme supabı ise kapalıdır. Piston AÖN‘dan ÜÖN‘ya doğru hareket eder ve bu esnada yanma gazlarını dışarı atar. Egzoz zamanının sonunda egzoz supabı kapanır. Bu esnada bir miktar atık gaz, silindir içindeki ölü hacimde kalır. Motorlarda emme havası sıcaklığı arttıkça volümetrik verim azalmaktadır. Şekil 11.9. Dört zamanlı bir motorda dört zamanın görünüşü Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 9 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Tablo 11.1. Dört Zamanlı Pistonlu Dizel ve Benzinli Motorların Karşılaştırılması Özellik Çevrim Türü Yakıt Yakıt Girişi Benzin Motoru Otto Çevrimi Benzin Emme esnasında hava/yakıt karışımı Yük Kontrolü Ateşleme Hava/yakıt karışımı karbüratörde ayarlanır. Buji ile ateşleme Sıkıştırma Oranı Hız Isıl Verim Ağırlık 6-10 arasında değişir. Vuruntu üst limiti belirler Yüksek hızlıdır. %25-30 arasındadır. Hafiftirler. Dizel Motoru Dizel Çevrimi Motorin Sıkıştırma sonunda yakıt girişi Yakıt miktarı pompada ayarlanır. Ateşleme kendiliğinden oluşur. 16-20 arasındadır. Düşük hızlıdır. %35-40 arasındadır. Ağırdırlar. İKİ ZAMANLI MOTORLAR İki zamanlı motorlar, dört zamanlı motorlara göre daha çabuk aşınırlar. Dolayısıyla ekonomik ömürleri daha kısadır. İki zamanlı motorlarda çevrim krank milinin bir tam devrinde tamamlanır. İki zamanlı motorlarla dört zamanlı motorlar arasındaki temel fark, emme ve egzoz işlemlerinin gerçekleştirilmesi biçimidir. İki zamanlı motorlarda emme işlemi karterde sıkıştırılmış dolgu veya bir blower yardımıyla gerçekleştirilir. Sıkıştırılmış dolgunun emilmesi yanma ürünlerini egzoz penceresinden dışarı atar. Bu sebeple, bu iki işlem için herhangi bir piston strokuna gerek yoktur. Çevrimin tamamlanması için iki zaman yeterlidir; taze dolguyu sıkıştırma zamanı ve genişleme veya iş zamanı. Şekil 11.10’da iki zamanlı bir motor resmi gösterilmektedir. Şekil 11.10. İki zamanlı motor Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 10 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri DÖRT ZAMANLI MOTORLARLA İKİ ZAMANLI MOTORLARIN KARŞILAŞTIRILMASI 11.2. Dört Zamanlı ve İki Zamanlı Pistonlu Motorların Karşılaştırılması Dört Zamanlı Motorlar İki Zamanlı Motorlar Çevrim krank milinin iki devriyle tamamlanır Çevrim krank milinin bir devriyle tamamlanır Her iki devirde bir güç elde edilir Her biri devirde bir güç elde edilir Döndürme momenti üniform değildir Döndürme momenti üniformdur Daha büyük volan gereklidir Daha küçük volan gereklidir Aynı motordan daha küçük güç elde edilir Aynı motordan daha büyük güç elde edilir Daha az soğutma, yağlama ve aşınma Daha fazla soğutma, yağlama ve aşınma Supap ve tahrik mekanizması gereksinimi var Supap ve tahrik mekanizması gereksinimi yok Daha büyük ağırlık ve yüksek üretim maliyeti Daha hafif ağırlık ve düşük üretim maliyeti Yüksek volümetrik verim Düşük volümetrik verim Yüksek termik verim Düşük termik verim TERMİK SANTRALLER Termik santraller katı, sıvı ve gaz hâlindeki fosil yakıtlarda var olan kimyasal enerjiyi ısı enerjisine, ısı enerjisini hareket (kinetik) enerjisine, hareket enerjisini de elektrik enerjisine dönüştüren tesislerdir. Kısaca termik santrallar kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştüğü tesislerdir. Termik santrallerin içinde en karmaşık yapıya sahip olanları katı yakıtlı buhar santralleridir. Daha basit yapılardaki gaz türbinleri diğer bir termik santral örneğidir. Bu iki termik santralın bir araya getirilmiş hâline de kombine çevrim santralleri adı verilmektedir. Kullandıkları yakıtlara göre Türkiye’deki başlıca elektrik santralları ve yüzdeleri: • • • • Katı yakıta linyit ve taş kömürü: % 23,48 Sıvı yakıta fuel-oil ve motorin: % 7,65 Gaz yakıta doğal gazı göstermek mümkündür: % 35,53 Bir diğeri de jeotermal (Yeraltı buhar santralı): % 0,04 Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 11 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Görüldüğü gibi bu rakamların toplamı % 66,7 yapmaktadır. Bu da gösteriyor ki elektrik enerjisi üretimimizin yarıdan fazlası termik santrallar tarafından yapılmaktadır. Konunun başında da belirtildiği gibi termik santraller; yakıttaki kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren tesislerdir. Fakat santralde bu enerji değişimi tek kademede gerçekleşen bir olay değildir. Yakıtın kimyasal enerjisinin ısı enerjisi şeklinde açığa çıkması için kimyasal bir olay olan yakıtın yanma işlemi gerçekleşmelidir. Bu işlemin termik santrallerinde oluşturulduğu yere kazan denir. Bir termik santralin temel elemanları; kazan, buhar türbini ve jeneratördür. Kazanda açığa çıkan bu enerji, kazanın içerisindeki borularda dolaşan suya verilir ve su buhar fazına geçer. Buhar fazına gecen bu suya ısı enerjisi verilmeye devam edilir. Termik santrallerde, nükleer enerji santrallerinde güç üretim elemanlarının en önemlisi buhar türbinleridir. Bunun yanında kombine çevrim santrallerinde ise genellikle gaz türbinleri kullanılmaktadır. Buhar ve gaz türbinlerinde en fazla istenen durum olabildiğince verimli olması ve düşük yakıt kullanılarak daha az karbon emisyonu salmasıdır. Jeneratör ya da alternatör, türbin miline akuple olan ve mekanik enerjiyi alternatif akımlı elektrik enerjisine dönüştüren elemandır. Katı yakıtlı bir termik santralde elektrik üretilirken ana ham madde linyit ya da kömür, sıvı yakıtlılarda fuel-oil ve motorin, gaz yakıtlılarda ise doğal gazdır. Şekil 11.11’de bir termik santral resmi görülmektedir. Çatalağzı Termik Santrali’nde türbinin dönme hızı dakikada 3000 devirdir. Şekil 11.11. Termik santral Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 12 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri PROSES SÜRECİ Termik santrallerinde buhar kazanın içerisine döşenen boruların içinden saf su geçirilir ve yanma sırasında ortaya çıkan ısı enerjisi ile bu boruların içerisinden geçen sular buhar fazına geçer. Suyun buhar fazına geçmesi yeterli değildir. Buhar fazına geçen bu suya ısı enerjisi verilmeye devam edilir. Proses süreci yukarıda anlatıldığı gibi yüzeysel değildir. Kazanda su buharlaştırıldıktan sonra bu buharın yüksek basınç altında (136 bar) ve yüksek sıcaklıkta (535 0C) ısıtılması sağlanır. Bu işlem sırasında yanma işleminde kireç taşı katılarak desülfürizasyon işlemi doğrudan kazanın içinde gerçekleştirilmektedir. Bu sayede santralin çevreye verebileceği zararlar ortadan kaldırılmakla birlikte santral verimi de arttırılmaktadır. Termik santrallerde kullanılan su: su-buhar çevrimi suyu ve soğutma suyu olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Çatalağzı Termik Santrali’nde su-buhar çevrim suyu, santrale 3 km uzaklıkta olan Dereköy mevkiinde bulunan göletten temin edilir. Enerji yüklü bu kızgın buhar, buhar sevk boruları üzerinden türbine ulaşır ve türbin kanatlarına çarparak türbin milinin dönmesine neden olur, bu sayede ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüşmüş olur. Türbin miline akuple edilmiş jeneratör ya da alternatör rotoru türbinle aynı hızda döner türbin hızı belirli bir hıza ulaştığında jeneratör rotuna ikaz verilir ve jeneratör çıkışından elektrik enerjisi elde edilmiş olur. Böylece santralin nihai amacı olan elektrik enerjisi elde edilmiş olur. Türbinde iş gören ve basınç ve sıcaklığı düşen buhar yoğuşmak üzere kondansöre gelir. Kondansörde soğutma suyuyla yoğuşmaya başlayan buhar su fazına geçer ve saf su olarak yeniden sisteme gönderilir. Santralde soğutma suyu olarak genellikle deniz suyu kullanılır. Su-buhar çevrimi suyu; yanma esnasında kazan çeperlerinde bulunan boruların içinden geçen saf su buhara dönüştürülür. Santralde kullanılan saf suyu elde etmek için belirli kimyasal işlemlerden faydalanılır. Soğutma suyu; santralde soğutma suyu olarak kullanılan deniz suyu, pompalarla denizden alınır ve klorlama işlemine tabi tutulduktan sonra pompalarla sisteme gönderilir. Deniz suyu, kül ve cürufun ıslanması ve nakledilmesinde, soğutma suyu tanklarında ve kondansörde soğutma suyu olarak kullanılır. Kondensör ve soğutma kuleleri; işlem görmüş yani elektriğin üretilmesinde katkı sağlayan buhar tekrar sistemde kullanılmak ve suya dönüştürülmesi için kondensör sistemi ve genel olarak soğutma kuleleri dediğimiz sistemlerden faydalanılır. Şekil 11.12’de tipik bir termik santralin enerji dönüşüm proses şeması verilmiştir: Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 13 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Şekil 11.12. Termik santrallerde enerji dönüşüm proses şeması Termik santralde üretilen 1 kWh elektriğin değeri; 750 milyon $/210 milyar kWh = 0,0035 dolar/ kWh Tablo 11.3. Türkiye’de kurulu termik santraller ve teknik özellikleri Santralin Adı 18 Mart Çan Afiş ElbistanA Afiş ElbistanB Aliağa AmbarlıD.Gaz AmbarlıF.Oil Bursa D.Gaz Çatalağzı Hamitabat Termik santrallerde enerji dönüşüm verimi ortalama %30-40 civarındadır. Hopa Kangal Orhaneli Seyitömer Soma-B Tunçbilek-B Yeri Çan Elbistan Kuruluş Yılı 2003 1984 Ana Yakıtı Linyit Linyit Fuel oil-Motorin Fuel oil-Motorin 320 1355 Elbistan 2004 Linyit Fuel oil-Motorin 1440 Aliağa Ambarlı 1975 1988 Motorin Doğalgaz Motorin - 180 1350,9 Ambarlı 1967 Fuel-oil Fuel oil-Motorin 630 Osmang azi Çatalağz ı Lülebur gaz Hopa Kangal Orhaneli Seyitöm er Soma Tunçbile k 1998 Doğalgaz - 1432 1989 Fuel oil-Motorin 300 1985 Taşkömür ü Doğalgaz - 1120 1973 1991 1992 1973 Fuel-oil Linyit Linyit Linyit Motorin Fuel oil-Motorin Fuel oil-Motorin Fuel oil-Motorin 50 457 210 600 1981 1956 Linyit Linyit Fuel oil-Motorin Fuel oil-Motorin 1034 365 Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi Yard. Yakıtı Güç (MW) 14 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Bir elektrik santralı en az 30 yıl çalışır. 1000 MW kurulu güçteki bir termik santral yılda ortalama 7 milyar kWh enerji üretir. Termik santral için üretim maliyetindeki kuruluş giderlerinin payını bulmak üzere; 7 milyar kWh/yıl x 30 yıl = 210 milyar kWh. Fosil yakıtlarla işletilen 1000 MW’lik bir termik santralin maliyeti; kömürlü sistemde 750 milyon $, motorinli sistemde 760 milyon $ iken doğal gazlı sistemlerde ise 650 milyon $’dır. Termik santrallerin işletme maliyetlerindeki en büyük oran yakıt maliyetidir. Doğal gaz ve sıvı yakıtlı santraller için bu oran % 90’lar civarındadır. Kömürlü termik santraller için de yakıt maliyeti % 60 – 70’ler düzeyindedir. 1300 MW kurulu güçteki bir kömür santralı örnek olarak alınmıştır. Kömür havzasının da açık işletme olduğu kabul edilmiştir. Bu santral yılda 9 milyar kWh elektrik üretecektir. Ürettiği bu 9 milyar kWh enerjinin 1,5 milyar kWh kadarını kendi iç ihtiyacı ile kömür havzasının enerji tüketimini karşılayacak ve şebekeye net 7,5 milyar kWh enerji verecektir. Bu santral şebekeye 7,5 milyar kWh enerji verecek ve buna karşılık ne harcayacaktır? Ele aldığımız bu santralde toplam giderlerin % 70’i yakıt gideri olacaktır. Modern enerji dönüşüm uygulamalarından biri olan kojenerasyon sistemleri, yani bileşik ısı-güç üretim sistemleri (CHP, Combined Heat and Power), buhar ve elektriğin birlikte üretildiği sistemlerdir. Bu sistemlerde atık ısı değerlendirilerek sistemin enerji verimliliği artırılır ve klasik termik santrallerine göre enerjiden daha fazla yararlanılması sağlanır. Enerji tüketildiği yerde üretildiğinden, iletim ve dağıtım hatlarında oluşan kayıpları ortadan kaldırır, şebekeden etkilenmeden, kesintisiz ve kaliteli elektrik arzı sağlar. Kojenerasyonlu sistemlerde enerji dönüşüm verimi ortalama %80-90 civarındadır. Doğal gaz gibi bir fosil yakıt kaynağından, yüksek verimli olarak elektrik ve ısı enerjisinin birlikte üretimidir. Böyle bir sistemle, elektrik, sıcak su ve buhar, eş zamanlı olarak birlikte üretilerek kullanıcıya sağlanır. Sadece elektrik üretimi yapan termik santrallerde verim %30-40’ı geçmez iken kojenerasyonda ikili üretim yapılarak %80–90 seviyelerinde yüksek verimlere ulaşılmaktadır. Kojenerasyon sistemleri, yakıtı, elektrik ve ısıya dönüştürmenin en verimli yoludur. Bu sistemle enerji üretim maliyetlerinizi %40 oranında düşürerek, azami tasarruf sağlarsınız. Doğalgazlı tipik bir kojenerasyon sisteminin proses şeması ve resmi sırasıyla Şekil 11.13 ve Şekil 11.14’de gösterilmiştir. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 15 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri Şekil 11.13. Doğalgazlı tipik bir kojenerasyon sisteminin proses şeması Kojenerasyonlu sistemlerde; 1 m3 doğal gazdan 1 kW’lık elektrik ve ısıl enerji elde edilmektedir. Bireysel Etkinlik Örnek Şekil 11.14. Doğal gazlı tipik bir kojenerasyon sisteminin görünüşü •Konuyla ilgili görsel, video ve ilgili diğer dokümanlar "enerji, fosil yakıt, enerji dönüşüm sistemleri, motorlar, termik santraller, güç üretim sistemleri" adlı anahtar kelimeleriyle internet ortamından temin edilebilir. •Eğitim faaliyetlerinin yapıldığı bölgedeki enerji dönüşüm sistemlerini tanımak amacıyla teknik gezinin gerçekleştirilmesi Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 16 Tartışma Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri •Fosil yakıtların sınırlı olması, olumsuz çevresel şartları, astronomik maliyetleri ve ortalama 50 yıllık bir ömre sahip olması nedeniyle yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına odaklanmalı, bu yeni yakıt konfigürasyonlarına uygun modifikasyonda enerji sistemleri geliştirilmelidir. Mevcut durumda ise enerji etkin ve verimli kullanılmalı, çevreye zararları minimize edilmelidir. Klasik termik santraller kojenerasyon sistemleriyle donatılmalıdır. •Düşüncelerinizi sistemde ilgili ünite başlığı altında yer alan “tartışma forumu” bölümünde paylaşabilirsiniz. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 17 • İki ve dört zamanlı motorlarda temel tasarım parametrelerini araştırınız • benzinli motorlarda vuruntuyu araştırınız • gaz türbinleri hakkında bilgi toplayınız •termik santrallerde enerji dönüşüm sistemlerini inceleyiniz •kojenerasyon sistemleri hakkında bilgi toplayınız • fosil kökenli yakıtlar ve enerji dönüşüm sistemleri ile ilgili türkiye ve dünyadaki mevcut ekonomik durumu rapor ediniz. •Hazırladığınız ödevi sistemde ilgili ünite başlığı altında yer alan “ödev” bölümüne yükleyebilirsiniz. Özet Ödev Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri •Bu ünitede; sistematik olarak önce enerji konusu, enerji türleri tanıtılmakta, daha sonra enerji geçiş mekanizmaları vurgulanmakta, enerji korunumu ve enerji dönüşüm sistemleri hakkında asgari bilgiler termodinamiğin temel kanunları çerçevesinde işlenmektedir. Yaygın kullanılan dizel ve benzinli dört zamanlı motorlar ile iki zamanlı motorlar anlatılmakta, çalışma prensipleri analiz edilerek her iki tip motorun avantaj ve dezevantajları tablolar yardımıyla ortaya konulmaktadır. Önemli enerji dönüşüm sistemlerinden olan termik santraller anlatılarak Türkiyedeki mevcut durum kısmen analiz edilmektedir. Ünite sonunda, öğrencilerin bu kapsamda aldıkları bilgileri ölçmek ve değerlendirmek amacıyla değerlendirme soruları hazırlanmıştır. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 18 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri DEĞERLENDİRME SORULARI Değerlendirme sorularını sistemde ilgili ünite başlığı altında yer alan “bölüm sonu testi” bölümünde etkileşimli olarak cevaplayabilirsiniz. 1. Yandığı zaman enerji veren maddelere ne ad verilir? a) b) c) d) e) Doğal gaz Yakıt Kömür Fosil Buhar 2. Yakıtların oksijenle girdikleri kimyasal tepkimeye ne ad verilir? a) b) c) d) e) Yakıt Çevrim Enerji Karışım Yanma 3. Sistemin fazıyla ilgili iç enerjisine ne ad verilir? a) b) c) d) e) Gizli enerji Potansiyel enerji Kinetik enerji Kimyasal enerji Nükleer enerji 4. Enerji transferi ile ilgili aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? a) İş etkileşimi ile enerji transfer edilebilir. b) Sıcaklık farkına bağlı olarak ısıl enerji şeklinde enerji transfer edilebilir. c) Kütle akışı ile enerji transfer edilebilir. d) Doğal olarak düşük sıcaklıklı bölgeden yüksek sıcaklıklı bölgeye ısıl enerji şeklinde enerji transfer edilebilir. e) Işınımla enerji geçişi yüksek sıcaklıklarda önem kazanır. 5. Tipik bir hidroelektrik santralinde enerji dönüşüm işlem sıralaması aşağıdakilerden hangisinde doğru verilmiştir? a) b) c) d) e) Potansiyel-mil işi-kinetik-elektrik enerjisi Kinetik-potansiyel-mil işi-elektrik enerjisi Potansiyel-kinetik-elektrik enerjisi- mil işi Potansiyel-kinetik-mil işi-elektrik enerjisi Potansiyel-faz değişimi-elektrik işi-yanma Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 19 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri 6. Motorlarda enerji dönüşümü nasıl gerçekleşir? a) b) c) d) e) Isıl enerji mekanik enerjiye dönüştürülür. Mekanik enerji ısıl enerjiye dönüştürülür. Potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüştürülür. Kimyasal enerji potansiyel enerjiye dönüştürülür. Yakıtın fiziksel enerjisi yanma enerjisine dönüşür. 7. Dört zamanlı motorlarda gerçekleşen temel olaylar sıralaması aşağıdakilerden hangisinde doğru verilmiştir? a) b) c) d) e) Emme, sıkıştırma, yanma, genişleme ve egzoz Sıkıştırma, emme, yanma, genişleme ve egzoz Yanma, genişleme, sıkıştırma, emme ve egzoz Emme, yanma, genişleme, sıkıştırma ve egzoz Egzoz, yanma, genişleme, sıkıştırma ve emme 8. İki zamanlı motorlarda emme işlemi nasıl gerçekleşir? a) Genişleme stroğu sonunda yanma işlemi başlamadan gerçekleştirilir. b) Karterde sıkıştırılmış dolgu veya bir blower yardımıyla gerçekleştirilir. c) Yanma işleminden sonra sıkıştırma stroğunda gerçekleştirilir. d) Dört zamanlı motorlarla aynı şekilde gerçekleştirilir. e) Yanma işleminden önce sıkıştırma stroğunda gerçekleştirilir. 9. Termik santrallerde bulunan üç temel eleman aşağıdakilerden hangisidir? a) b) c) d) e) Kazan, buhar türbini ve jeneratör Kazan, soğutma kulesi ve pompa Buhar türbini, kondansör ve pompa Soğutma kulesi, kazan ve pompa Soğutma boruları, pompa ve kondansör 10. Fosil yakıtlı termik santrallerden kuruluş maliyeti en ucuz olan santral aşağıdakilerden hangisidir? a) b) c) d) e) Kömürlü Doğal gazlı Fuel-oilli Motorinli Linyitli Cevap Anahtarı 1. B, 2.E, 3.A, 4.D, 5.D, 6.A, 7.C, 8.B, 9.A, 10.B Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 20 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri YARARLANILAN VE BAŞVURULABİLECEK DİĞER KAYNAKLAR Çengel, Yunus A.,at all. (2008). “Termodinamik, Mühendislik Yaklaşımıyla” (İngilizce 5. Baskıdan Çeviri), İzmir Güven Kitabevi. Heperkan, A. (1989). Yanma Ders Notları, Hasan, YTÜ. Genceli, Osman F.(1997). “Yakacaklar ve Yanma”, ASHRAE Temel El Kitabı, Bölüm 15, Çeviren:, TTMD Yayınları, Ankara. Irvin Glassman, Richard A. Yeter. (2008).“Combustion”, Fourth Edition, , Elsevier. Stephen R.Turns, McGraw-Hill. (2000). “ An Introduction to Combustion, Consept and Applications”, Second Edition, , International Edition. Borat, O. , Balc_, M. , Sürmen, A. (1994). “İçten Yanmal_ Motorlar”, Cilt 1, Teknik Eğitim Vakfı Yayınları-2, İstanbul / Ankara / Bursa. Safgönül, B. , Ergeneman, M. , Arslan, H.E. (1995). “ İçten Yanmalı Motorlar”, Birsen Yayınevi, İstanbul. Bayraktar, H. (1997), “Benzin-Etanol Karışımlarının Benzin Motorlarında Yanma ve Motor Çevrimi Üzerindeki Etkilerinin Teorik Olarak İncelenmesi”, Doktora Tezi, K.T.Ü. Fen Bil. Ens. Trabzon. Aydın, K. (1995), “Benzin Motorlarında Isı Transferi Hesaplamalarındaki Hassasiyetin Yanma Analizi Sonuçlarına Etkisi”, Uluslararası Yanma Sempozyumu, Bursa. Chow, Wyszynski. (1998), “Thermodynamic Modelling of Complete Engines Systems”. Kutlar , O. A. (1998), “Dört Zamanlı Otto Çevrimli Motorlarda Kısmi Yükte Yakıt Tüketimini Azaltmak _çin Yeni Bir Yöntem; Doktora Tezi, İstanbul. J.B. Heywood.(1988), Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw-Hill. Bilginperk, H. (1990), Dizel Motorları, M.E.B Devlet Kitapları. Küçükşahin, F. (1985), Dizel Motorları Cilt I. Çetinkaya, M.O.S. (2013), “iki zamanlı ve iki silindirli bir model uçak motorunun tasarımı ve imali”, www.google.com. Doğan, M. (2013), “alternatif enerji kaynakları”, Ders Notları”, Afyon. Bozacı, R.K. (1992), “Endüstriyel Kazanlarda NOx Emisyonunu Azaltıcı Yöntemler ve Bir Uygulama”, Doğalgaz, V. 19,63-70. Bilgin, A. (2013), “İçten Yanmalı Motorlar”, Ders Notları, www.atillabilgin.com.tr. www.salmargemi.com. (2013), “dört ve iki zamanlı dizel motorlar”. www.google.com. (2013), “Enerji ve Enerji Dönüşümleri”, Görsel. www.yarbis.yildiz.edu.tr. (2013), “ Yakıtlar”. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 21 Fosil Yakıtlı Enerji Dönüşüm Sistemleri www.google.com. (2013), “Fosil Yakıtların Oluşumu”, Görsel. www.google.com. (2013), “fosil yakıtların yanması”, Çevre ve Enerji. www.google.com. (2013), “İçten Yanmalı Motorlarda Temel Kavramlar ve Ders Notları”, Sakarya Üniversitesi Çev. Müh. Ders Notları. TEKNOLOJİ, Cilt 7, (2004), Sayı 1, 129-137. www.yildiz.edu.tr. (2013), YAKITLAR ve YANMA, Ders Notları. HALİS, U., Ören, L. S., www.google.com. (2013), “Termik Santraller”. PRAVADALIOĞLU, S., [email protected]. (2013), Yerinde Enerji ÜretimiKojenerasyon Sistemleri. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 22
