Buharlı Güç Çevrimleri için İdeal Çevrim

Carnot çevriminin uygulanmasında karşılaşılan zorlukların birçoğu, kazanda suyu kızgın buhar haline ısıtarak ve yoğuşturucuda doymuş sıvı haline yoğuşturarak yokedilebilir. Bu düzenlemeler Şekil 1′de sistem ve T-s diyagramı üzerinde gösterilmiştir. Bu çevrim, Rankine çevrimi diye adlandırılır ve buharlı güç santralleri için ideal çevrimdir. İdeal Rankine çevriminde içten tersinmezliğin olmadığı dört hal değişimi vardır:

1-2    Pompayla İzantropik sıkıştırma

2-3    Kazanda, sisteme sabit basınçta (P = sabit) ısı geçişi

3-4   Türbinde İzantropik genişleme

4-1   Yoğuşturucuda, sistemden sabit basınçta (P = sabit) ısı atıl­ması

 

 

Basit İdeal Raknine Çevrimi

Su,  pompaya l halinde doymuş sıvı olarak girer ve izantropik bir hal değişimiyle kazan basıncına sıkıştırılır. Su sıcaklığı, izantropik sıkıştırma işlemi sırasında suyun özgül hacminin, biraz azalmasından do­layı bir miktar artar. T-s diyagramında l ve 2 halleri arasındaki dikey aralık, diyagramın rahat anlaşılabilmesi için olduğundan büyük göste­rilmiştir. (Eğer su gerçekten sıkıştırılamaz olsaydı, bu hal değişimi sı­rasında sıcaklık artışı veya azalması olabilir miydi?)

Su, kazana 2 halinde sıkıştırılmış sıvı olarak girer ve 3 halinde kızgın buhar olarak çıkar. Kazan temelde büyük bir ısı değiştiricisidir. Yanma sonucunda oluşan gazlardan, nükleer reaktörden veya diğer kaynaklardan sağlanan ısı, burada hemen hemen sabit basınçta, suya geçer. Kazan buharın kızgın hale geldiği kızdırıcıyla birlikte, genellikle buhar üreticisi diye adlandırılır.

3 halindeki kızgın buhar, türbinde  izantropik olarak genişler  ve bir mili döndürerek iş yapar. Mil genellikle elektrik üretimi için bir jeneratöre bağlanmıştır. Bu hal değişimi sırasında buharın basıncı ve sıcaklığı azalarak 4 halindeki değerlere ulaşır. Buhar türbinden çıktıktan sonra yoğuşturucuya girer. Yoğuşturucuya giren buhar genellikle yüksek kuruluk derecesinde doymuş sıvı buhar karışımı halindedir. Yoğuşturucu büyük bir ısı değiştiricisidir. Buhar burada göl, akarsu veya atmosfere ısı vererek sabit basınçta yoğuşur. Su, yoğuşturucudan doymuş sıvı halinde çıkar ve pompaya girerek çevrimi tamamlar. Suyun az olduğu bölgelerde, güç santrallerinde soğutma su yerine havayla yapılır. Ara­baların motorlarında da kullanılan bu tür soğutma kuru soğutma diye bilinir. Dünyada ve ABD’de birkaç buharlı güç santralinde, kuru so­ğutma su tasarrufu amacıyla uygulanmaktadır.

T-s diyagramında hal değişimi eğrisi altında kalan alanın içten tersinir hal değişimleri için ısı geçişini gösterdiği hatırlanırsa, 2-3 eğrisi altında kalan alanın suya kazanda verilen ısıyı, 4-1 eğrisi altında kalan alanın da yoğuşturucuda çevreye verilen ısıyı simgelediği söylenebilir. Bu ikisi arasındaki fark (çevrimi gösteren eğrinin içinde kalan alan) çevrimin net işi veya net ısı alışverişidir.

İdeal Rankine Çevriminin Enerji Çözümlemesi

Buharlı güç santralini oluşturan makinelerin tümü (pompa, kazan, türbin ve yoğuşturucu) sürekli akışlı makinelerdir, bu nedenle Rankine çevrimi de dört sürekli akışlı açık sistemden oluşan bir çevrim olarak incelenebilir. Buharın kinetik ve potansiyel enerjilerindeki değişim ge­nellikle ısı geçişi ve işe oranla küçüktür, bu nedenle gözardı edilebilir. Böylece, sürekli akışlı açık sistemde enerjinin korunumu denklemi, bu­harın birim kütlesi için aşağıda gösterildiği gibi yazılır (4-26 numaralı denklem):

q - w = h_ç  - h_g            (kJ/kg)                                    (1)

Kazan ve yoğuşturucuda iş etkileşimi yoktur, ayrıca pompa ve türbindeki hal değişimleri izantropik kabul edilebilir. Bu durumda her bir sistem için enerjinin korunumu denklemi aşağıda gösterildiği gibi olur:

 

Pompa (q = 0):                       w_pompa,g   =  h₁ – h₂                                          (2)

veya

                                               w_pompa,g   =  v(P₁ – P₂)                                     (3)

burada,  

                h₁ = h_f,p1      ve          v  =  vı = v_f,p1                                                    (4)

Kazan (w = 0):                       q_e = h₃ – h₂                                                       (5)

Türbin (q = 0):                      W_türbin,ç = h₃ – h₄                                    (6)

Yoğuşturucu (w = 0):            q_ç  =  h₄ – h₁                                                     (7)

Rankine çevriminin ısıl  verimi şöyle ifade edilebilir:

                                                                           (8)

Burada,

 W_net  ⁼ q_g – q_ç    =  w_{türbin, ç}  -  w_{pompa, g}

olmaktadır. ABD’deki güç santrallerinin dönüşüm verimleri genellikle ısı oranı ile ifade edilir. Bu değer l kWh elektrik üretmek için Btu birimlerinde harcanan ısıya eşittir,         l kWh enerjinin 3412 Btu’ya eşit olduğu göz önüne alınırsa, ısı oranıyla ısıl verim arasındaki ilişki, aşağıda gösterildiği gibidir:

                                                                           (9)

Örneğin, 11363 Btu/kWh ısı oranı, yüzde 30 ısıl verime eşdeğerdir.

Isıl verim aynı zamanda T-s diyagramında çevrimi belirten eğrinin içinde kalan alanın, ısı geçişini gösteren eğrinin altında kalan alana oranı olarak da ifade edilebilir. Verilen bağıntıların kullanımı aşağıdaki örnekte açıklanmıştır.

 

 

İDEAL ARA ISITMALI RANKINE ÇEVRİMİ

Bir önceki bölümde, kazan basıncını yükseltmenin, Rankine çevriminin ısıl verimini yükselttiği, buna karşılık türbin çıkışında kuruluk dere­cesinin kabul edilemez ölçülerde azalmasına neden olduğu belirtilmişti. Bu durumda akla şu soru gelmektedir:

Yüksek kazan basıncında sağlanabilecek verim artışından, türbinin son kademelerinde buharın kuruluk derecesini azaltmadan nasıl yararlanabiliriz?

İki çözüm önerilebilir:

1 Buharı türbine girmeden önce çok yüksek sıcaklıklara kızdırmak uygun bir çözüm gibi görünmektedir. Bu çözüm, çevrime ısı verilen or­talama sıcaklığı artırdığı için ısıl verimi de yükseltmektedir. Fakat, bu­har sıcaklığını boru malzemesi açısından güvenli olmayan sıcaklıklara yükseltmek mümkün değildir.

2 Buharı türbinde iki kademede genişleterek arada ısıtma yapmak bir başka çözüm yoludur. Başka bir deyişle, basit ideal Rankine çevri­mine bir ara ısıtma işlemi eklenebilir. Ara ısıtma, türbin çıkışında bu­harın kuruluk derecesinin azalmasını önlemek için uygulanabilir bir çözümdür ve günümüz buharlı güç santrallerinde yaygın olarak kul­lanılmaktadır.

İdeal ara ısıtmalı Rankine çevriminin T-s diyagramı ve bu çevrime göre çalışan bir güç santralinin genel çizimi Şekil 2′de gösterilmiştir. İdeal ara ısıtmalı Rankine çevrimi, basit ideal Rankine çevriminden ge­nişleme işleminde farklılık göstermektedir. Genişlemenin iki kademede olduğu bu çevrimde, buhar türbinde bir ara basınca kadar genişledik­ten sonra (yüksek basınç kademesi) yeniden kazana gönderilerek ısıtıl­maktadır. Buharın ikinci kademeye giriş sıcaklığı genellikle birinci kademeye giriş sıcaklığıyla aynıdır. Buhar daha sonra türbinin ikinci kademesinde (alçak basınç kademesi) yoğuşturucu basıncına kadar ge­nişlemektedir. Böylece ara ısıtmalı çevrimde, buhara verilen toplam ısı ve türbinde yapılan toplam iş aşağıda verildiği gibi gerçekleşmektedir:

 

q_g = q_birincil + q_{ara ısıtma} = (h₃ – h₂)  +  (h₅ – h₄)    (kJ/kg)                                    (10)

ve

w_t  = w_t,I + w_t,II  =  (h₃ – h₄)  +  (h₅ – h₆)                    (kJ/kg)                           (11)

 

 

Şekil 2.

İdeal Ara Isıtmalı Rankine Çevrimi

 

Günümüz güç santrallerinde, bir kademe ara ısıtmanın uygulan­ması, buhara ısı verilen ortalama sıcaklığı yükselttiği için çevrimin ısıl verimini yüzde 4-5 arasında artırmaktadır.

Ara ısıtma işlemi sırasında ortalama sıcaklık genişleme ve ara ısıtma kademelerinin sayısını artırarak yükseltilebilir. Kademe sayısı arttıkça, genişleme ve ara ısıtma işlemleri, Şekil 3′de görüldüğü gibi çevrimin en yüksek sıcaklığında izotermal ısı geçişine yaklaşır. Fakat iki kademeden daha fazla ara ısıtma yapılması ekonomik değildir. İkinci kademede sağlanan verim artışı birinci kademede sağlananın yarısı kadardır, oysa donanım harcaması ikiye katlanmıştır. Türbin giriş basıncı yeterince yüksek değilse, iki kademe ara ısıtma yapılması uygun değildir, çünkü türbin çıkış hali kızgın buhar bölgesinde olabilir. Bu da çevrimden ısı verilen ortalama sıcaklığın artmasına ve ısıl verimin düşmesine neden olur. İki kademeli ara ısıtma genellikle kritik basıncın (22.09 MPa) üzerindeki basınçlarda çalışan güç santrallerinde söz konusudur. Üçüncü kademe ara ısıtmanın da yukarıda belirtilen nedenlerle uygulamada getireceği bir yarar yoktur.

Güç santrallerinde ara ısıtma, 1920′li yıllarda yapılmaya başlanmış fakat uygulamada karşılaşılan zorluklar nedeniyle 1930′larda bırakılmıştı. Kazanlardaki gelişmeler ve çalışma basınçlarındaki yük­selme, 1940′larda bir kademe, 1950′lerde de iki kademe ara ısıtmanın yeniden uygulamaya konmasına neden olmuştur.

Ara ısıtma sıcaklıkları türbin giriş sıcaklıklarına eşit veya çok yakındır. En uygun ara ısıtma basıncı, çevrimin en yüksek basıncının dörtte biri kadardır. Örneğin, kazan basıncı 12 MPa olan bir çevrim için en uygun ara ısıtma basıncı 3 MPa’dir.

Ara ısıtmanın tek amacının, türbin çıkışındaki kuruluk derecesini yüksek tutmak olduğu unutulmamalıdır. Eğer yüksek sıcaklıklara day­anıklı malzemeler olsaydı, ara ısıtmalı çevrimlere gerek duyulmazdı.

 

Ara ısıtma kademe sayısı arttırıldıkça çevrime ısı verilen ortalama sıcaklık yükselir.