Termodinamiğin Birinci Kanunu
Termodinamiğin Birinci Kanununa göre, enerji yoktan var edilemez ve varolan enerji yok olmaz, ancak şekil değiştirebilir.
Kanun
kararlı koşullar altında çalışan bir buhar kazanı, türbin veya benzeri bir
sisteme uygulandığında, sisteme giren ve çıkan enerjiler eşittir. Bu enerji
buhar veya mekanik iş olabilir. 1 lb akışkan için,
ÖRNEK: 5
Bir buhar
kazanına 93.3 0C da su verilmekte ve 300 0C sıcaklıkta ve
30 atm basınçlı buhar alınmaktadır. Bir kg buhar için ilave edilen ısı (q) ne
kadardır?
Kazana
akan su buharlaşır ve kızgın hale geçer, fakat mekanik bir iş yapılmaz;
ÖRNEK: 6
Bir buhar
kazanına 200 0F (93.3 0C) da su girmekte ve 100 psia %97 lik buhar alınmaktadır. Bir pound
buhar için ve bir kg buhar için, verilen ısı (q) miktarını, (a) US (ingiliz)
sistemi ve (b) SI sistemi birimleriyle hesaplayınız.
Buharın
entalpisi aşağıdaki denklem ile hesaplanır.
h2 = hf + X hfg
(a) 1 lb
buhar için verilen ısıyı, US sistemi buhar tablolarından yararlanarak hesaplayabiliriz.
Tablodan,
T1 = 200 0F daki doygun sıvı,
hf
= 168.07 Btu/lb (tablo-4)
p = 100 psia değerindeki,
hf = 298.61 hg = 1187.8 hfg = 889.2 (tablo-5)
%97 lik
buhar alındığına göre,
h2 = hf + X hfg = 298.61 + 0.97 x
889.2 = 1161.1 Btu/lb
q = h2 – h1 = 1161.1 – 168.07 = 993 Btu/lb
1 lb buhar
için: 993 Btu enerji gerekir.
1 Btu/lbm = 2326 J/kg (dönüşüm tablosundan)
q = 993 x 2326 = 2309718 J/kg = 2310.2 kJ/kg
1 kg buhar için: 2310.2
kJ enerji gerekir
(b) 1 kg
buhar için verilen ısıyı, metrik sistem buhar tablolarından yararlanarak da
hesaplayabiliriz.
Tablodan,
T1
= 93.3 0C
daki doygun sıvı (hf,) değeri hesaplanır.
Tablodan p
= 100 psia = 100 x 6894.8 Pa = 0.7 MPa daki hf ve hg değerleri hesaplanır.
Buharın Türbinler ve Motorlarda
Genişlemesi ve Termodinamiğin Birinci Kanunu
Bir motor
veya türbinden geçen buharın davranışı bir Molier diyagramıyla gösterilebilir.
Şekil-6c deki diyagramda, Türbine verilen buhar a noktasıyla tanımlanmıştır. a
nın diyagramdaki yeri, buhar kızgınsa sıcaklık ve basınç hatlarının kesiştiği
nokta, ıslaksa basınç ve kalitesini gösteren hatların kesiştiği noktadır.
Şekil-6b de a noktasının bulunduğu konum buharın kızgın (aşırı ısınmış)
olduğunu gösterir.
Bir türbin
veya motor silindirinden akan ısı oldukça küçüktür ve ihmal edilebilir. Bu
durumda Denklem(2) aşağıdaki gibi yazılır.
W = h1 – h2 (4)
ÖRNEK: 7
Bir
türbine giren buhar 1500 psia basınç ve 850 0F sıcaklıktadır ve 2 inç
mutlak cıva (= 0.98.22 psia
@ 1 psia) basıncına genişlemektedir.
Genişlemenin isentropik olduğu varsayıldığına göre buharın hızı ne kadardır
(lb/kW.sa)? (İsentropik genişleme adyabatiktir, yol boyunca sıcaklık değişmez,
geçen yolun kesit alanı değişir.)
p = 1500
psia ve T = 850 0F da, tablodan,
h1 = 1396 Btu/lb
Çıkan
buharın entalpisi (h2) Mollier diyagramından çıkış basıncı hattından
(entropi sabit) okunur,
h2 = 859 Btu/lb
W = h1 – h2 = 1396 – 859 = 537 Btu/lb.
Herbir
pound buhar 537 Btu iş yapmaktadır.
1 kilowat
= 3413 Btu/sa olduğuna göre, buharın hızı,
537/3413 = 0.1573 kWsa/lb
(h2
değeri bu örnekte olduğu gibi Mollier diyagramından okunabildiği gibi, buhar
tabloları verilerinden de hesaplanabilir; örnek 9, 10 ve 11 de, bu değer
Mollier diyagramından okunmak yerine, hesapla bulunmuştur.)
Türbin ve Motorda Sürtünmenin
Etkisi
Türbin
veya motorlarda buharın genişlemesi gerçekten ideal isentropik olmaz. Gerçek
genişleme işlemi Şekil-6c deki a-c yoluna çok yakın bir yol izler ve ideal bir
genişlemeye kıyasla daha az iş yapar. Burada "motor verimi" denilen
bir faktör ortaya çıkar.
Yukarıdaki
örnekte motor verimi % 75 ise,
gerçek iş: 0.75 x 506.8 =
380.1 Btu/lb
buhar hızı: 3413/380.1 = 8.98 lb/kWsa
Basınç Azaltma (Trotil) işlemi ve
Termodinamiğin Birinci Kanunu
Akımın
basıncının bir orifis veya trotil vanasıyla azaltıldığı (veya kısıldığı) proseslerde
ısı kaybı çok azdır ve ihmal edilebilir; bu durumda dışarı iş yapılmaz. Basıncı
azaltılan buharın enerjisi değişmez ve enerji eşitliği,
h1 = h2 (5)
Orta
basınçlardaki ıslak buhar atmosfer basıncı dolayına düşürüldüğünde, çok fazla
ıslak değilse, kızgın buhar haline dönüşür. Bu durum Mollier diyagramında,
buharın başlangıçtaki özelliğini tanımlayan noktadan (a), çıkış basınç hattına
yatay bir hat (ad, sabit entalpi) çizilerek gösterilir. Kızgın buharın
entalpisi tablolardan veya grafiklerden bulunabilir, kalitesi ya diyagramdan
okunur veya hesaplanabilir.
ÖRNEK: 8
Buhar 100
psia dan 20 psia ve 250 0F a getirilmektedir; başlangıçtaki kalitesi
nedir?
Kızgın
buhar tablolarından (veya Mollier diyagramından) 20 psia ve 250 0F
da buharın entalpisi bulunur;
100 psia
da,
Buhar
basıncının azaltılmasının etkisi Şekil-6c de görülmektedir. a noktasındaki
buhar b noktasına kadar isentropik olarak genişletilebilir; veya önce basıncı
azaltılarak entalpide d noktasına, sonra genişletilerek e noktasına getirilir.
Diyagramda görüldüğü gibi, ikinci halde buhardan alınan iş daha azdır. Bu
nedenle büyük türbinlerde trotıl vanalar kullanılmaz.
Termodinamiğin İkinci Kanunu
Termodinamiğin
İkinci Kanunu bilimin temel ilkelerinden biridir ve enerjinin tüm doğal
işlemlerde, az bir kısmı işe dönüşen, çeşitli şekillere girdiği kavramını kabul
eder (bak: Entropi ve Serbest Enerji). Bir ısı kaynağı için, iki farklı
sıcaklığın oranı (Kelvin skalasında), tersinir bir Carnot çevrimiyle yapılan
işde absorblanan ve verilen ısıların oranına eşittir.
Bu eşitlik
termodinamiğin İkinci Kanunu olarak bilinir. Eşitliğe göre başlangıç sıcaklığı
T1 in arttırılması veya çıkış sıcaklığı T2 nin
azaltılmasıyla teorik verim artar. Örneğin soğutma suyu 70 0F da (70
+ 460 = 530 R) ve ısı kaynağı 700 0F da (700 + 460 = 1160 R) ise,
maksimum verim,
GERİ (proje çalışmaları)
