TERMAL ve ENERJİ MÜHENDİSLİĞİ. Rıdvan YAKUT

Transkript

1 TERMAL ve ENERJİ MÜHENDİSLİĞİ Rıdvan YAKUT

2 Termal ve Enerji Mühendisliği Bu bölümde, içten yanmalı motorlar, uçak itki sistemleri, ısıtma ve soğutma sistemleri, yenilenebilir enerji kaynakları, yenilenemez enerji kaynakları ile enerji üretiminde kullanılan donanımları kapsamaktadır. Enerji ihtiyacının ve tüketiminin artması enerji alanındaki sorunları araştırma ve çözme için yapılan çalışmaların gün geçtikçe artmasına neden olmaktadır.

3 Termal ve Enerji Mühendisliği Enerjin bir formdan başka bir forma geçişi makine mühendisliğinin merkezinde yer alan temel konulardan biridir. Örneğin içten yanmalı motorda, ısı enerjisi açığa çıkarmak için dizel yakıtı yakılmaktadır. Bunun sonucunda, motor ısıl enerjiyi krank milinin dönme hareketine ve nihai olarak aracın hareketine dönüştürmektedir.

4 Mekanik Enerji İş Güç Yerçekimi Potansiyel Enerjisi Yerçekimi ivmesi, deniz seviyesinde 45 enlem için uluslararası anlaşmayla benimsenen standart ivme değeri g = m 9.81 m s 2 s2 değerine eşittir. Bir cismin dikey mesafedeki yer değişimiyle meydana gelen yer çekimi potansiyel enerjisindeki değişim U g = mgδh formülü yardımıyla bulunur. SI birim sisteminde enerjinin temel birimi Joule dür. 1 J = 1 Nm = kw. h

5 Mekanik Enerji İş Güç Elastik Potansiyel Enerji Hooke yasasının geçerli olduğu bölgede, cismin uzatıldığı yada eğildiğinde cisim tarafından depolanan enerjidir. U e = 1 2 k L2 formülü yardımıyla hesaplanır. Kinetik Enerji Bir makine üzerine kuvvet veya momentler etki ettiğinde bileşenlerinin dönme, titreme veya ötelenme hareketi yapmasına ve hızları mertebesinde kinetik enerji depolamalarına yardımcı olur. U k = 1 2 mv2 formülü yardımıyla hesaplanır.

6 Mekanik Enerji İş Güç Kuvvetin Yaptığı İş Piston hareketi düşünülecek olursa, uygulanan kuvvetin pistonu L kadar sıkıştırması için yaptığı iş W = F L formülü yardımıyla hesaplanır. Güç Birim zamanda yapılan iştir. P ort = W/ t formülü yardımıyla hesaplanır. SI birim sisteminde gücün temel birimi Watt tır. 1 W = 1 J = s 10 3 hp

7 Örnek Uzunluğu (L) 325 mm, kesit alanı (A) m 2 olan U-cıvatasının her bir kolunun enerjiyi hesaplayınız. m uzadığı biliniyorsa U-cıvatasının depoladığı toplam E = 210 GPa

8 Çözüm k = EA L Pa m m = N m U-cıvatasının her bir kolunun depoladığı enerji U e = 1 2 k L N m m 2 = Nm = J U-cıvatasının her iki kolunun her iki kolunun depoladığı toplam enerji J

9 Örnek Maksimum ağırlığı 1.55 MN a kadar yüklenmiş bir Boeing 767 uçağının 640 km/h seyahat hızındaki kinetik enerjisini hesaplayınız.

10 Çözüm W = mg 1.55 MN 106 N 1 MN = N = m m s 2 m = kg v = 640 km h 1 h 3600 s 1000 m 1 km = m s U k = 1 2 mv = J

11 Örnek Dört katlı bir binada yük taşımak için kullanılacak olan 2200 N ağırlığındaki asansör ile kendi ağırlığına ek N yükü 15 m kaldırması isteniyor. Asansörün yükü kaldırması için geçen süre 20 s olduğuna göre gerekli elektrik motorunun kapasitesini beygir gücü biriminde hesaplayınız. 1 kw = hp

12 Çözüm W = F L N 15 m = 198 kj P ort = W t = 198 kj 20 s = 9.9 kw hp 1 kw = hp

13 Geçiş Halindeki Bir Enerji Olarak Isı Makine mühendisleri, enerji tüketen veya üreten makineler tasarlarken, sıcaklığı kontrol etmek ve değişik yerler arasında enerjiyi taşımak için ısının özelliklerinden yararlanılır. Bu bölümde, ısı, yakıtların yanması sonucu açığa çıkan ısı, iletim (kondüksiyon), taşınım (konveksiyon), ışınım (radyasyon) yollarıyla ısının aktarımı konuları üzerinde duracağız.

14 Geçiş Halindeki Bir Enerji Olarak Isı Tür Gaz Sıvı Katı Yakıt Doğal Gaz Propan Benzin Motorin Fuel Oil Kömür Odun Isıl Değer, H (MJ/kg) Bir yakıt yakıldığında oluşan kimyasal reaksiyonlar sonucu ısıl (termal) enerji açığa çıkar. Makine mühendisleri kimyasal formda depolanan enerjinin açığa çıkarılmasını sağlayan makineler tasarlar. Böylece, yanma sonucu ortaya çıkan enerji başka formlara çevrilebilir. Verilen sayısal değerler temsilidir, spesifik yakıtlar için tam değerler kimyasal bileşime bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Yanma sonucu açığa çıkan birim kütle başına enerjiye ısıl değer (H) denir.

15 Geçiş Halindeki Bir Enerji Olarak Isı Yanma hesaplarında, yakıtın yanması sonucu açığa çıkan ısısı Q = mh formülü yardımıyla bulunur. Hiçbir enerji dönüşümü % 100 verimle gerçekleşmez. Bir yakıtın ısıl değeri, suyun yanma durumundaki formuna bağlıdır. Yanma sürecinde oluşan su buhar formunda ise % 10 ek ısı elde edilebilir.

16 Geçiş Halindeki Bir Enerji Olarak Isı Tür Madde Özgül Isı, c (kj/kg ) Bir malzemenin ısıyı kabul edip iç enerji olarak depolama kabiliyeti, malzeme miktarı, Sıvı Yağ Su malzemenin fiziksel özellikleri ve sıcaklık değişimine bağlıdır. Birim kütleye sahip maddenin sıcaklığını 1 Katı Alüminyum Bakır Çelik Cam artırmak için gerekli olan ısı enerjisi miktarı olarak tanımlanır. Birimi kj/kg dir.

17 Geçiş Halindeki Bir Enerji Olarak Isı İki cisim arasındaki ısı geçişi Q = mc(t T 0 ) formülü yardımıyla hesaplanır. Faz değişimi sırasındaki uzaklaştırılan ısı bu formülle bulunamaz. Bu durumdaki ısı değişimi malzemenin fiziksel özelliği olan gizli ısıya bağlıdır. Isı aktarımı sıcak cisimden soğuk cisme doğru olur.

18 Geçiş Halindeki Bir Enerji Olarak Isı Isı, sıcaklık farkı nedeniyle bir yerden başka bir yere iletilen enerjidir. Isının aktarımı (transferi) ise üç farklı şekilde olur. Temas halindeki iki cisim arasındaki ısı transferi ısı iletimi olarak adlandırılır ve Fourier yasası olarak bilinen Q = ka (T h T ı ) L formülü yardımıyla hesaplanır.

19 Geçiş Halindeki Bir Enerji Olarak Isı Malzeme İletkenlik Katsaysı, k (W/m ) Çelik 45 Bakır 390 Alüminyum 200 Cam 0.85 Odun 0.3

20 Geçiş Halindeki Bir Enerji Olarak Isı Isının hareket halindeki akışkan ile transferine ısı taşınımı denir ve Newton soğuma yasası olarak bilinen Q = ha(t h T ) formülü yardımıyla hesaplanır. Akış hareketi herhangi bir dış etkenlerle (pompa, kompresör, fan vb) gerçekleşiyorsa zorlanmış taşınım, doğal etkenlerle (rüzgar, ısınan havanın yoğunluğunun düşerek yükselmesi vb) gerçekleşiyorsa doğal taşınım adı verilir. Isının herhangi bir fiziksel ortam olmaksızın ısının dışarıya yayılması veya içeriye çekilmesiyle transferine ışınım (radyasyon) denir ve Stefan Boltzman yasası olarak bilenen Q = σεa(t 4 y T 4 ) formülü yardımıyla hesaplanır.

21 Örnek Amerika Birleşik Devletleri nde ortalama bir aile her sene 100 GJ enerji tüketmektedir. Bu miktardaki bir enerjiyi üretmek için kaç ton kömür yakılmalıdır? H kömür = 30 MJ/kg

22 Çözüm Q = mh 100 GJ 109 J 1 GJ = m J kg m = kg

23 Örnek Benzinle çalışan bir motor ortalama 50 kw güç üretmektedir. Motorun % 100 verimle çalıştığını kabul ederek saatte harcanacak yakıt hacmini litre cinsinden bulunuz. H benzin = 45 MJ/kg ρ = 680 kg/m 3

24 Çözüm P ort = W t W = 50 kj s 3600 s = kj Motor %100 verimle çalıştığı için W = Q Q = mh kj 1 MJ 10 3 kj = m 45 MJ kg m = 4 kg ρ = m V V = 4 kg 680 kg/m 3 V = m L 1 m 3 = L

25 Örnek Çapı 8 mm, uzunluğu 15 cm olan bir çelik matkap çubuğuna bir yağ havuzunda ısıl işlem uygulanmaktadır. Sıcaklık 850 olan çubuk ani olarak yağ içerisine daldırılarak 600 de tutulmakta ve daha sonra da 20 sıcaklıktaki yağ içerisinde tutulmaktadır. Her iki ısıl işlem esnasında çubuktan dışarı çıkan ısı miktarını hesaplayınız. Çeliğin yoğunluğu: 76 kn/m 3 Çeliğin özgül ısısı: 0.50 (kj/kg )

26 Çözüm A = π D2 4 π = m 2 V = AL = m 3 W = ρ w V N m m 3 = N W = mg m = N 9.81 m/s 2 = kg

27 Çözüm Q 1 = mc T T 0 Q 2 = mc T T kg 0.5 kj kg kg 0.5 kj kg ( ) = kj (600 20) = kj

28 Örnek Küçük bir ofisin bir duvarında m boyutlarında bir pencere bulunmaktadır. Pencere, 3.2 mm kalınlığındaki tek katlı camdan yapılmıştır. Binanın ısıtma ve havalandırma sistemini değerlendirme çalışmaları esnasında, bir mühendisin bir kış gününde bu pencereden ne kadar ısı kaybı olacağının hesaplanması gerekmektedir. İçeride ve dışarıdaki hava sıcaklıkları arasındaki fark çok daha fazla olmasına rağmen, camın her iki yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı sadece 1.7 dir. Watt biriminde her bir saatte ne kadar ısı kaybı olacağını hesaplayınız.

29 Çözüm L = 3.2 mm 1 m 10 3 mm = m Q = ka (T h T ı ) L = = W