RANKİNE ÇEVRİMİ
Basit güç
ünitelerinin ideal veya teorik çevrimi, Şekil-1 de görülen Rankine çevrimi ile
tanımlanır. Çevrim, uygun bir şekilde bağlantılanmış dört cihazdan oluşur:
m = çevrimin kütle akışını gösterdiğinde,
(1) Kazan ve Buhar Jeneratörü;
buhar,
yakıt enerjisi ile elde edilir.
İzobarik ısı girişi.
Kazana verilen ısı, Q·1 (kJ/sa),
İsentropik genleşme
Türbin işi, W·1 (kJ/sa),
Şekil-1(a) Rankine çevriminin akım
diyagramı, (b) i T – s diyagramı
(3) Kondenser veya
Yoğunlaştırıcı; yoğunlaştırıcıda
eksoz buharı suya dönüştürülür.
İzobarik ısı çıkışı:
Kondenserden atılan
ısı, Q·2 (kJ/sa),
(4) Pompa; kazan besleme pompası kondensatı kazana döndürür.
İsentropik sıkıştırma
Giren iş, W·2 (kJ/sa),
ÖRNEK: 9
6 MPa
basınçta ve 350 0C sıcaklıkta buhar kazanından çıkan kızgın buhar,
türbin çıkışından sonra 10 kPa da yoğunlaşmaktadır. İdeal Rankine çevriminin
verimini hesaplayınız.
Çözüm:
P3 = P2 =
10 kPa T = 350 0C P1 = P4 = 6 MP = 6000
kPa
Pompa:
İsentropik sıkıştırma, dS = 0
Çevrime (pompa) giren iş,
Buhar Kazanı:
Kazana verilen ısı,
Türbin:
P2
= P3 = 10 kPa = 0.01 MPa h2
= ?
sf
= 0.6491 kJ/kg.K sg =
8.1510 kJ/kg.K sfg = 7.5018
kJ/kg.K (tablo-2)
s2
= sf + x2 sfg
Türbin
işi ve verim:
Kondenserden atılan ısı:
Enerji
dengesi:
ÖRNEK: 10
400 psig
basınç ve 720 0F da buhar verildiğinde, 14.7 psia (1 atm) atmosferik
eksoz basıncında (geri basınç), Rankine çevriminin verimi ne olur?
Çözüm:
P3 = P2 = 14.7 psia T = 720 0F P1
= P4 = 400 psig =
414.7 psia
Pompa:
Buhar Kazanı:
h1
ve s1, Mollier diyagramından okunur veya kızgın buhar tablosundan
hesaplanır.
Türbin:
Türbin
işi ve verim:
Kondenserden atılan ısı:
Enerji
dengesi:
ÖRNEK:
11
Yukarıdaki
verilen örnekteki veriler aynı olmak üzere, geri basınç 2 in Hg (mutlak) için
Rankin çevriminin verimi ne olur?
Çözüm:
Pompa:
2 in Hg x 0.4912 = 0.9824 psi
@ 1 psi
P3 = P2 = 1 psia
h3 = ? h4
= ?
Buhar Kazanı:
Türbin:
Türbin
işi ve verim:
Kondenserden atılan ısı:
Enerji dengesi:
Bu iki
örnek problemin sonuçları kıyaslandığında, çıkış (eksoz) basıncındaki düşüşün
verimi yükselttiği ve buhar hızını azalttığı görülür (Şekil-2).
Şekil-2: Buhar hızı ve çevrim
verimine, (a) çıkış basıncının (başlangıç buhar basıncı 400 psig, sıcaklığı 720
0F), (b) giriş basıncının (başlangıç buhar sıcaklığı 720 0F,
çıkış basıncı 2 in. mutlak civa), (c) buhar sıcaklığının (başlangıç buhar
basıncı 400 psig, çıkış basıncı 2 in. mutlak civa) etkisini gösteren
diyagramlar.
REJENERATİF
(GELİŞTİRİLMİŞ) ÇEVRİM
Rankine
çevriminde görülen örnek problemlerde, kazan ve kızdırıcıya verilen ısının
büyük bir kısmı kondenserde çıkan, yani atılan ısıdır. Motor verimi %100 den az
olan bir türbinde, kondensere giren buharın entalpisi, ideal çevrimden daha
yüksektir; bu nedenle atılan enerji de büyük olur.
Şekil-3 de
buharın türbinden birkaç ara basınç kademesinde (pa, pb,
pc) çekildiği ve arasından besleme suyu geçen yüzey-tipli ısıtıcılar
üzerinde yoğunlaştırıldığı bir rejeneratif çevrim görülmektedir. Yoğunlaşan
buharın verdiği enerji, besleme suyunun sıcaklığını ve entalpisini yükseltir.
Çekilen buhar türbinde iş yaptığından ve kalan enerjisi de sisteme geri
döndüğünden (çok az ışıma kayıpları hariç), hemen hemen %100 verim alınır.
Diğer taraftan, kondensere ulaşan buhar, kalan enerjisinin büyük bir kısmını
soğutma suyuna verir; bu durumda buharın kullanım verimi Rankine çevriminde
elde edilenden daha yüksek olmaz.
Çekilen
buharın miktarı (ağırlığı) besleme suyu tarafından yoğunlaştırılan miktarla
sınırlıdır; ısıtıcıların sayısı ve başlangıç buhar koşullarına bağlı olarak
trotıl akışın %10-30 u arasında değişir. Genel olarak birimin büyüklüğüne,
başlangıç buhar basıncına ve yakıt fiyatına göre 3 den 6 ya kadar ısıtıcı
kullanılabilir.
Şekil-3: Rejenerarif çevrim
ISITMALI - REJENERATİF ÇEVRİM
50 000 kW kapasiteden
büyük birimlerin kullanıldığı merkezi sistemlerde ısıtmalı-rejeneratif
çevrimler kullanılır. Başlangıç buhar koşulları en az 1450 psig ve 1000 0F
dır. Buhar, yüksek basınç türbininde orta bir basınca (pa)
genişledikten sonra tekrar buhar-üretim sistemine döner.
Buradan,
sıcaklığı başlangıç sıcaklığına yakın olan ikinci bir kızdırıcıdan geçer ve
ikinci bir türbinde kondenser basıncına genişler. Besleme suyunu ısıtmak için
buhar çekişi, rejeneratif çevrimde olduğu gibidir. Her iki türbin aynı kasada
olabileceği gibi, tek bir jeneratörle birleştirilen ayrı birimler, veya ayrı
jeneratörlerle çalıştırılan birimler olabilir. Isıtmalı-rejeneratif bir
çevrimin yakıt tüketimi, benzer buhar ve çıkış koşullarındaki rejeneratif bir
çevrime kıyasla % 4 – 5 daha azdır (Şekil-4).
Şekil-4: Isıtmalı rejeneratif
çevrim
ENDÜSTRİYEL GÜÇ ÜNİTELERİ ÇEVRİMLERİ
Şekil-5a
da çok basit bir güç ünitesi çevrimi görülmektedir. Burada sadece güç
üretilmektedir. Buhar-üretim birimine verilen enerjinin büyük bir kısmı
atmosfere atılır. Bu tip bir çevrim, atık yakıt kullanılan taşınabilir
sistemlerde uygundur.
Şekil-5b
deki sistemde, yukarıdaki çevrime doğrudan-bağlı bir besleme suyu ısıtıcısı
eklenmiştir; böylece eksoz sisteminde enerjinin bir kısmı ısıtıcıda geri
kazanılır ve atmosfere kaçış azalır.
Şekil-6a
da Şekil-5b deki sisteme bir proses yükü eklenmiş ve çıkan buharın
absorblatılarak kaçması azaltılmıştır. Şekil-6b de bir otomatik-çekiş türbini
vardır; bununla bir kondenser düşük basınca ve bir proses yükü de orta basınca
getirilir.
Şekil-5: (a) Atmosfere açık çevrim
Şekil-5: (b) beslenme suyu
ısıtıcısı olan, atmosfere açık çevrim
Şekil-6: (a) Proses buhar yükü
bulunan, yoğunlaştırıcısız çevrim
Şekil-6: (b) proses buhar yükü ve
otomatik-çekişli türbin bulunan, yoğunlaştırıcılı, çevrim
Sanayi
tesislerinde buharın kullanım çevrimi, şematik olarak Şekil-7 de gösterilmiştir.
Tesislerin genel enerji dengeleri çoğunlukla bu gibi şematik çevrimler üzerinde
hesaplanarak kurulur ve sonra detaylandırılır.
Modern
Petrokimya ve Rafineri tesislerinde, fabrikaların ihtiyacı olan buharın üretilmesi
dışında, ihtiyaç olan enerji seviyesinin üzerine buhar üretilerek fazla buhardan
elektrik elde edilir. Burada söylenenler, fabrika buhar dengesi şemasından
(Şekil-7) kolayca görülür. Kazandan üretilen buhar yüksek enerji
seviyesindedir. Mesela p = 100 atm, t = 480 0C gibi, yani elektrik
üretimine elverişli yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıklı kızgın buhardır. Bu
buhar elektrik türbinine gönderilip elektrik üretilirken, türbinin muhtelif
noktalarından da fabrikalarda kullanılacak buhar alınır.
Çok yüksek
basınçtaki buhar enerjisi ile, türbinden çekilen (alınan) buharın enerji
seviyesi arasındaki fark, enerji elektrik üretiminde kullanılmış demektir.
Tabii bu dönüşüm her çevrimde olduğu gibi belli bir verimle gerçekleşir.
Fabrikalara gerekli proses buharı böylece daha ekonomik elde edilmiş olur.
Türbinlerin
çoğunda bir de yoğunlaştırıcı bulunur. Fabrikaların ihtiyacı olmayan ancak
kazanlarda üretilmiş buharın enerjisinden tümüyle yararlanmak için buhar
yoğunlaştırılır. Yoğunlaşma sırasında sıcaklık 100 0C'nin altına
düşürüldüğünde, dışarıyla (atmosfer ile) temas da kesilmişse, vakum yaratılmış
olur. Örneğin, p = 1 in Hg (25.4 mm Hg) mutlak basınç altında bulunan suyun
sıcaklığı 26 0C dir. Oysa p = 1.4 kg/cm2g basınçtaki
doymuş buharın ve suyun sıcaklığı 110 0C dir.
Fabrikalarda
ısıtma işlemlerinde, mekanik enerji elde edilmesinde, veya proseslerde doğrudan
yahut dolaylı katılarak kullanılan buharın mümkün olan miktarda geri
kazanılmasına çalışılır. Geri kazanılan, yoğunlaşmış buharlara kondensat adı
verilir. Bazı fabrikalarda proses gereği buhar da üretilebilir; bunlarda
çevrime dahil edilirler.
Kazan
besleme suyu, elektrik üretiminden gelen kondensat, fabrikalardan geri dönen
kondensat, ve ikmal suyu ısıtma için kullanılan buharın yoğunlaşması ile
oluşan, sulardan oluşur.
Şekil-7: Büyük bir sanayi tesisinde
tipik bir buhar dengesi; DB: düşük basınçlı, OB: orta basınçlı, YB: yüksek
basınçlı, YYB: çok yüksek basınçlı buharları gösterir
GERİ (proje çalışmaları)
