Mühendislik Termodinamiği · 9. Ünite: Güç ve Soğutma Çevrimleri - Termodinamik II
Gaz Güç Çevrimleri (Otto, Diesel, Dual ve Brayton Çevrimleri)
Binek otomobil motorundan uçak türbinine ve gaz santraline kadar bugün üretilen mekanik gücün büyük bölümü, gazların sıkıştırılıp ısıtıldıktan sonra genleştirilmesi ilkesine dayanır. Bu konuda gerçek makineleri hava-standart çevrimleri (air-standard cycles) ile modelleyecek, Otto, Diesel, Dual ve Brayton çevrimlerinin verimini sıkıştırma oranı, kesme oranı ve basınç oranı cinsinden türetecek ve gerçek bileşen verimlerinin sonucu nasıl değiştirdiğini sayısal olarak hesaplayacaksın.
Öğrenme hedefleri
- Hava-standart varsayımlarını sıralar ve gerçek içten yanmalı motor ile gaz türbini arasındaki farkı yorumlar.
- Otto çevriminde sıkıştırma oranından ısıl verimi, net işi ve ortalama efektif basıncı (MEP) hesaplar.
- Diesel ve Dual çevrimlerinde kesme oranı ve basınç oranının verime etkisini kapalı formülle ve P-v/T-s diyagramıyla açıklar.
- Brayton çevriminde basınç oranından verimi, geri iş oranını ve türbin/kompresör verimlerinin etkisini hesaplar.
- Rejeneratörlü Brayton çevriminin hangi basınç oranlarında yararlı olduğunu T₄ > T₂ koşuluyla belirler.
- Sabit ve değişken özgül ısı (hava tablosu) modelleriyle elde edilen sonuçları karşılaştırır.
Konu anlatımı
Bağlam: Gerçek makineden hava-standart modele
Pistonlu motor terimleri ve ortalama efektif basınç
Otto çevrimi: kıvılcımlı ateşlemeli motor
Diesel ve Dual çevrimleri: sıkıştırmalı ateşleme
Brayton çevrimi: gaz türbini
Çözümlü Örnekler
Grafik ve parametre yorumu: simülasyonda dene
Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları
Anahtar terimler
- Hava-standart çevrim (air-standard cycle)
- Çalışma akışkanının ideal gaz hava olduğu, tüm süreçlerin iç tersinir ve yanmanın dış ısı girişiyle yer değiştirdiği gerçek çevrim modeli.
- Sıkıştırma oranı (compression ratio)
- Alt ölü nokta hacminin üst ölü nokta hacmine oranı, r = v₁/v₂.
- Ortalama efektif basınç (MEP)
- Net işin strok hacmine bölümü; çevrimin ürettiği işi aynı strokta sabit basınçla üretecek eşdeğer basınç.
- Kesme oranı (cutoff ratio)
- Diesel ve Dual çevrimlerde sabit basınçlı ısı girişinden sonraki ve önceki hacmin oranı, r_c = v₃/v₂.
- Basınç oranı (pressure ratio)
- Brayton çevriminde kompresör çıkış basıncının girişe oranı r_p = P₂/P₁; Dual çevrimde sabit hacimli ısıtmadaki P₃/P₂.
- Geri iş oranı (back work ratio)
- Kompresörün tükettiği işin türbin işine oranı; gaz türbinlerinde %40-60 mertebesindedir.
- Rejeneratör etkinliği (regenerator effectiveness)
- Gerçek ısı geri kazanımının, mümkün olan en büyük geri kazanıma oranı, ε = (h₅ − h₂)/(h₄ − h₂).
- İzentropik verim (isentropic efficiency)
- Gerçek kompresör/türbin işinin aynı basınç aralığındaki izentropik işe oranı (ya da tersi).
Örnek soru
Hava-standart çevrim analizinde aşağıdakilerden hangisi yapılan varsayımlardan biri değildir?
- Çalışma akışkanı, çevrim boyunca ideal gaz gibi davranan ve sürekli dolaşan havadır
- Sıkıştırma ve genleşme süreçleri sürtünmeli ve adyabatik olup tersinmezlik içerir
- Yanma süreci, dış bir kaynaktan çalışma akışkanına olan ısı girişiyle yer değiştirir
- Egzoz süreci, çalışma akışkanının ilk hale ısı atmasıyla yer değiştirir
- Çevrimi oluşturan tüm süreçler iç tersinir (internally reversible) kabul edilir
Doğru cevap: B
Çözüm
1. Hava-standart modelin temeli, çevrimdeki tüm süreçlerin iç tersinir olmasıdır; böylece verimin üst sınırı bulunur.
2. A, C, D ve E seçeneklerinin hepsi bu modelin varsayımlarıdır: kapalı çevrimde dolaşan ideal gaz hava, yanma yerine dış ısı girişi, egzoz yerine ısı çıkışı ve iç tersinir süreçler.
3. B seçeneği tersinmezliği (sürtünme, ısı kaybı) varsaydığı için model ile çelişir; bu nedenle "varsayım olmayan" seçenektir.
Doğru cevap: B. En güçlü çeldirici E'dir: iç tersinirlik varsayımı modelin kendisidir, dolayısıyla E bir varsayımdır, istisna değildir.