Mühendislik Termodinamiği · 9. Ünite: Güç ve Soğutma Çevrimleri - Termodinamik II
Buharlı Güç Çevrimleri (Rankine Çevrimi ve İyileştirmeler: Ara Isıtma, Rejenerasyon)
Dünya elektriğinin büyük bölümü hâlâ kömür, doğal gaz, nükleer ve güneş-termal santrallerdeki buharlı güç çevrimleriyle üretilir. Bu konuda ideal Rankine çevrimini kurup pompa, kazan, türbin ve yoğuşturucu için enerji dengelerini yazacak; kazan basıncı, buhar sıcaklığı ve yoğuşturucu basıncının verim ve çıkış kuruluğu üzerindeki etkisini niceleyecek; ara ısıtma ve besleme suyu ısıtmalı rejenerasyonun neden ve ne kadar verim kazandırdığını hesaplayacaksın.
Öğrenme hedefleri
- İdeal Rankine çevriminin dört sürecini T-s diyagramında çizer; pompa işi, türbin işi, ısı girişi ve ısıl verimi su tablolarıyla hesaplar.
- Kazan basıncı, türbin giriş sıcaklığı ve yoğuşturucu basıncının verim ve türbin çıkış kuruluğu üzerindeki etkisini nitel ve nicel olarak açıklar.
- Türbin ve pompa izentropik verimleriyle gerçek Rankine çevrimini çözer; çıkış kuruluğunun gerçek türbinde arttığını gösterir.
- Ara ısıtmalı Rankine çevriminde toplam iş, ısı girişi, verim ve çıkış kuruluğunu bulur; ara basınç seçimini değerlendirir.
- Açık besleme suyu ısıtıcılı rejeneratif çevrimde çekilen kütle oranını kütle ve enerji dengesiyle hesaplar ve verim kazancını yorumlar.
- Rejenerasyonun ortalama ısı ekleme sıcaklığını nasıl yükselttiğini ikinci yasa çerçevesinde açıklar.
Konu anlatımı
Bağlam: Neden buhar, neden Rankine?
İdeal Rankine çevrimi ve enerji dengeleri
Çevrim parametrelerinin etkisi ve gerçek çevrim
Ara ısıtmalı Rankine çevrimi
Rejeneratif Rankine çevrimi: besleme suyu ısıtıcıları
Çözümlü Örnekler
Simülasyonda dene ve sık yapılan hatalar
Anahtar terimler
- Rankine çevrimi (Rankine cycle)
- İzentropik pompa, sabit basınçlı kazan, izentropik türbin ve sabit basınçlı yoğuşturucudan oluşan ideal buharlı güç çevrimi.
- Pompa işi (pump work)
- Sıvının izentropik basınçlandırılması için gereken iş, w_p = v(P₂ − P₁).
- Kuruluk (quality)
- Doymuş karışımda buhar kütlesinin toplam kütleye oranı; türbin çıkışında 0,85-0,90'ın altına düşmemesi istenir.
- Ara ısıtma (reheat)
- Buharın türbinde kısmen genleştirildikten sonra kazana geri dönüp yeniden ısıtılması; nemi azaltır.
- Rejenerasyon (regeneration)
- Türbinden çekilen buharla besleme suyunun kazan öncesi ısıtılması; ortalama ısı ekleme sıcaklığını yükseltir.
- Açık besleme suyu ısıtıcısı (open feedwater heater)
- Çekilen buhar ve besleme suyunun doğrudan karıştığı, çıkışı doymuş sıvı olan karışım odası.
- Özgül buhar tüketimi (steam rate)
- 1 kWh net iş için gereken buhar kütlesi, 3600/w_net (kg/kWh).
- Ortalama ısı ekleme sıcaklığı
- Kazanda ısının eklendiği süreçteki T-s eğrisinin ortalama sıcaklığı; yükseldikçe verim artar.
Örnek soru
Buharlı güç santrallerinde Carnot çevrimi yerine Rankine çevriminin kullanılmasının temel nedeni aşağıdakilerden hangisidir?
- İki fazlı karışımı pompalamanın pratik olmaması ve türbin çıkışının aşırı nemli olması
- Aynı sıcaklık sınırlarında Carnot çevriminin veriminin Rankine'den daha düşük olması
- Rankine çevriminin aynı sıcaklık sınırlarında Carnot çevriminden daha verimli olması
- Suyun Carnot çevriminde çalışma akışkanı olarak kullanılmasını yasaklayan bir kural bulunması
- Rankine çevriminde ısı girişinin tamamının sabit sıcaklıkta gerçekleşmesi
Doğru cevap: A
Çözüm
1. Aynı iki sıcaklık rezervuarı arasında hiçbir çevrim Carnot'dan verimli olamaz; B ve C ikinci yasaya aykırıdır.
2. Buharlı Carnot çevriminde yoğuşturucu çıkışı doymuş karışım olur; bu karışımı izentropik sıkıştıran bir pompa/kompresör pratikte yapılamaz. Ayrıca türbin çıkışı çok nemli olur ve kanatlar aşınır.
3. Rankine çevrimi yoğuşturucuyu doymuş sıvıya kadar sürdürür, sıkıştırmayı sıvı fazda yapar ve buharı kızdırır; sorunların ikisi de çözülür.
Doğru cevap: A. E seçeneği Rankine için yanlıştır: ısı girişi, özellikle kızdırmada, değişken sıcaklıkta olur; bu da Rankine'in Carnot'dan daha düşük verim vermesinin nedenidir.