Mühendislik Termodinamiği · 9. Ünite: Güç ve Soğutma Çevrimleri - Termodinamik II
Birleşik Isı-Güç Çevrimleri (Kojenerasyon)
Klasik bir buhar santralinde kazana verilen ısının %60'tan fazlası yoğuşturucuda atmosfere atılır. Oysa kâğıt fabrikasının, hastanenin ya da şehir ısıtma şebekesinin tam da bu sıcaklık düzeyindeki ısıya ihtiyacı vardır. Kojenerasyon (cogeneration; birleşik ısı ve güç, CHP) elektrik ve yararlı ısıyı aynı yakıttan birlikte üretir. Bu konuda çekişli ve karşı basınçlı buhar santralinin enerji dengesini kurup kullanım faktörünü ve ayrı üretime göre yakıt tasarrufunu hesaplayacak, gaz-buhar birleşik çevriminin verimini de çözümleyeceksin.
Öğrenme hedefleri
- Kojenerasyonun ilkesini ve karşı basınçlı, çekişli-yoğuşmalı ve gaz türbini+atık ısı kazanı düzenlerini ayırt eder.
- Çekişli buhar santralinde türbin işini, proses ısısını ve ısı girişini çekilen kütle oranı y cinsinden hesaplar.
- Kullanım faktörünü (utilization factor) tanımlar, enerji dengesinden türetir ve y ile değişimini yorumlar.
- Kojenerasyonun yakıt tasarrufunu ayrı elektrik ve ısı üretimiyle karşılaştırarak hesaplar ve varsayımlara duyarlılığını tartışır.
- Proses basıncının (sıcaklığının) elektrik üretimine etkisini belirler ve en düşük yeterli basıncı seçer.
- Gaz-buhar birleşik çevriminin verimini gaz türbini verimi, atık ısı geri kazanımı ve buhar çevrimi verimiyle hesaplar.
Konu anlatımı
Bağlam: Atık ısıyı yararlı ısıya çevirmek
Çekişli kojenerasyon çevrimi: enerji dengesi
Ayrı üretime göre kazanç ve ikinci yasa bakışı
Gaz-buhar birleşik çevrimi (Combined Cycle)
Çözümlü Örnekler
Simülasyonda dene ve sık yapılan hatalar
Anahtar terimler
- Kojenerasyon (cogeneration, CHP)
- Elektrik (iş) ve yararlı ısının aynı yakıttan birlikte üretilmesi.
- Karşı basınçlı türbin (back-pressure turbine)
- Çıkışı proses basıncında olan, yoğuşturucusuz türbin; y = 1 hâlidir.
- Çekişli türbin (extraction turbine)
- Ara basınçta bir miktar buhar çekilip kalanı yoğuşturucuya genleştiren türbin.
- Kullanım faktörü (utilization factor)
- Net iş ile proses ısısının toplamının kazan ısı girişine oranı, ε_u = (w_net + q_proses)/q_giriş.
- Çekilen kütle oranı (y)
- Kazan buharının proses ısıtıcısına giden oranı.
- Atık ısı kazanı (HRSG)
- Gaz türbini egzozundan buhar üreten ısı geri kazanım eşanjörü.
- Birleşik çevrim (combined cycle)
- Gaz türbini (Brayton) ve onun atık ısısıyla çalışan buhar (Rankine) çevriminin birleşimi.
- Güç/ısı oranı (power-to-heat ratio)
- Net elektrik gücünün proses ısısına oranı; kojenerasyon düzeninin talebe uyumunu gösterir.
Örnek soru
Kojenerasyon tesisleri için tanımlanan kullanım faktörü (utilization factor) $\varepsilon_u$ aşağıdakilerden hangisidir?
- Net elektrik işi ile proses ısısının toplamının, kazana verilen ısıya oranı
- Yalnızca net elektrik işinin, kazana verilen ısıya oranı
- Proses ısısının, net elektrik işine oranı
- Net elektrik işinin, proses ısısı ile yoğuşturucu ısısının toplamına oranı
- Gerçek verimin, aynı sıcaklıklar arasında çalışan Carnot verimine oranı
Doğru cevap: A
Çözüm
1. Kapalı çevrimde enerji dengesi: $q_{giriş} = w_{net} + q_{proses} + q_{çıkış}$.
2. Yararlı çıktılar elektrik ve proses ısısıdır: $\varepsilon_u = (w_{net} + q_{proses})/q_{giriş} = 1 - q_{çıkış}/q_{giriş}$.
Doğru cevap: A.
B ısıl verimdir ($y = 0$ için $\varepsilon_u$ ile aynıdır, ama kojenerasyonda farklıdır). C güç/ısı oranının tersidir. E ikinci yasa verimidir; kullanım faktörü bir enerji oranıdır.