ÜNİTE-11 FOSİL YAKITLI ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ ÖĞR. GÖR. HALİL YAMAK
KONU BAŞLIKLARI Giriş Enerji Enerji Korunumu Enerji Dönüşüm Sistemleri
GİRİŞ Bir sistemin iş yapabilme kapasitesine enerji adı verilir. Buna göre, iş yapan bir sistemin enerjisi azalırken iş alan bir sistemin enerjisi artar. Benzer şekilde, ısı veren bir sistemin enerjisi azalırken ısı alan bir sistemin enerjisi artar. Sistem ile ortam arasındaki sıcaklık farkından doğan enerji akışına ısı, basınç farkından doğan enerji akışına ise iş adı verilir. Tüm enerji türlerinin ana kaynağı Güneştir. En çok kullandığımız enerji türlerini ısı, elektrik enerjisi ve mekanik enerji şeklinde sıralayabiliriz. Kömür ve petrol türevleri yakılarak konutların ve endüstrinin gereksinimi olan ısı sağlanmaktadır. Bu fosil yakıtların yakılması sırasında kimyasal enerji tümüyle ısıya dönüşmektedir. Işıma ile ısı salan güneş en büyük ısı kaynağımızdır. Elektrik enerjisi termoelektrik, nükleer ve hidroelektrik enerji santrallarında üretilmektedir. Kimyasal enerji yanma ile ısıya, bir kazandaki su buharının sıcaklık ve basıncını yükselten bu ısının bir kısmı mekanik enerjiye ve türbinden geçirilen buharın mekanik enerjisi de elektrik enerjisine dönüştürülmektedir.
GİRİŞ Termoelektrik santrallarda uygulanan bu işlem ısının nükleer yakıtlardan sağlandığı nükleer santrallerde de aynıdır. Hidroelektrik santrallarda ise suyun potansiyel enerjisi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Elektrik enerjisi aydınlanma yanında çeşitli aygıtlar yardımıyla ısı ve mekanik enerjiye dönüştürülerek kolaylıkla kullanılmaktadır. Kara, deniz ve havada yol alan her türden nakil araçlarının motorlarında sıvı yakıtların kimyasal enerjisi yanma sırasında önce ısıya sonra da ısının bir kısmı mekanik enerjiye dönüştürülmektedir. Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine doğrudan ve çok büyük bir verimle çeviren düzeneklere pil adı verilmektedir. Son yıllarda küçük enerjiler üretebilen bu pillere benzer şekilde büyük enerji üretebilen yakıtlı hücreler geliştirilmiştir.
Enerji kısaca iş yapabilme yeteneğidir. Aynı zamanda değişikliklere yol açan etken olarak da düşünülebilir. Enerji, depolanabilir, transfer edilir, farklı biçimlerde olabilir ve korunur. Tıpkı uzunluklar gibi skaler büyüklüktür. Enerji; mekanik, kinetik, potansiyel, termal, elektrik, manyetik, kimyasal, nükleer, hidrolik vb. tiplerde olabilir. Tüm bunların toplamı sistemin toplam enerjisini göstermektedir. Makroskopik enerji; sistemin tümünün bir dış referans noktasına göre sahip olduğu enerjidir. Mikroskopik enerji; sistemin moleküler yapısı ve moleküler hareketliliği ile ilgilidir ve dış referans noktasından bağımsızdır.
Sınıflandırma Mikroskopik enerjilerin tümünün toplamı sistemin iç enerjisi diye adlandırılır. Sistemin iç enerjisinin, moleküllerin kinetik enerjisiyle olan kısmına duyulur enerji adı verilmektedir. Sistemin fazıyla ilgili iç enerjisine gizli enerji denir. Sistemin yerçekim alanındaki yüksekliğine bağlı olarak sahip olduğu enerji potansiyel enerji, sistemin referans noktasına göre hareketinden dolayı sahip olduğu enerji kinetik enerji, kapalı sistemlerde yalnız sıcaklık farkından kaynaklanan enerji türü ısı enerjisidir. Cisimlerin elektrik yükleri sebebiyle sahip oldukları enerji elektrik enerjisidir. Elektrik enerjisi; atom çekirdeği etrafındaki bir elektronun veya elektronların potansiyel enerjisinin artması sonucu başka bir atom yörüngesine (orbital) sıçramasıyla (kuantum sıçrama) oluşur.
Sınıflandırma Maddelerin kimyasal reaksiyonlarda bulunması sonucu ortaya çıkan enerji kimyasal enerjidir. Bir molekülün atomları arasındaki kuvvetlerle ilgili iç enerjidir. Örneğin yanma. Yanma sonucunda bazı bağlar bozulurken bazı yeni bağlar oluşur. Fisyon veya füzyon sonucu meydana gelen enerjiye nükleer enerji adı verilmektedir. Kimyasal reaksiyon atom elektronlarının yapısındaki değişiklikleri içerirken nükleer reaksiyonda ise atom çekirdeği ve kordaki değişiklikleri içermektedir. Türbin, mil vb makina elemanlarıyla doğrudan ve tamamen aktarılan enerji mekanik enerjidir. Kapalı bir sistemin sınırlarını geçen enerji ısı değilse iştir. Dönen bir mil tarafından aktarılan enerji mil işidir.
Enerji Geçişleri Enerji aşağıdaki durumlardan birisi ile geçiş yapabilir: İş etkileşimi, Isı geçişi, Kütle akışı,
Enerji Geçişleri İş etkileşimi bir kuvvetin belli bir aralıkta etkileşimi. Sistemle çevresi arasında bir iş etkileşiminin olabilmesi için iki koşulun sağlanması gerekir. Sınırda etkiyen bir kuvvet olmalı ve sınır hareket etmelidir. Sistemle çevresi arasındaki iş etkileşimine diğer bir örnekte mil işidir. Mille iletilen güç, birim zamanda yapılan mil işidir. (Isı geçişinin olmadığı (adyabatik) bir sistemde, piston silindir düzeneğinde, sistem sınırları Bir deniz teknesinde mil işiyle enerji aktarımı
Enerji Geçişleri Isı geçişi, sistemle çevresi arasında sıcaklık farkına bağlı olarak geçen enerji şeklidir. Atomların ve moleküllerin rastgele hareketleriyle ilişkili enerjinin aktarımı diye tanımlanmıştır. Tabiatta gerçekleşen temel ısı geçiş mekanizmaları
Enerji Geçişleri Kütle akışı, kontrol hacminin içine veya dışına sıvı akışı. Sisteme veya sistemden kütle akışı ile ilave enerji aktarımı söz konusudur. Bir arabanın radyatörü, kalorifer peteği gibi sistemler açık sistemlerdir ve kütle geçişi ile enerji aktarılmaktadır. Tabiatta gerçekleşen temel ısı geçiş mekanizmaları
ENERJİNİN KORUNUMU Enerji korunumunu termodinamiğin birinci kanunu ifade etmektedir. Buna göre; bir hâl değişimi sırasında kapalı bir sistemin toplam enerjisindeki net değişimin, sisteme giren toplam enerji ile sistemden çıkan toplam enerji farkına eşit olduğunu ifade etmektedir. Termodinamiğin birinci kanununda enerji var iken yok, yok iken de var edilemez ancak bir halden diğer bir hale dönüştürülebilir. Enerjinin yaratılamayacağı ve yok edilemeyeceği düşünülerek tüm fiziksel ve kimyasal olaylar için enerji denklikleri yazılır.
ENERJİNİN KORUNUMU Termodinamiğin ikinci kanunu; hâl değişimlerinin belirli bir yönde gerçekleşebileceği vurgulamaktadır. Doğal süreçlerin tamamı tersinmezdir, birtakım kayıplar söz konusudur. Diğer enerji türleri kendiliğinden ısıya dönüştüğü halde, ısının diğer enerji türlerinden herhangi birine kendiliğinden dönüştüğü hiç gözlenmemiştir. Yüksekten düşen bir cisim düştüğü yeri ısıttığı halde, ısıtılan bir cismin kendiliğinden yükseldiği hiç görülmemiştir. Birbirine hızla sürtülen iki tahta parçası ısındığı halde, ısıtılan iki tahta parçasının birbirine kendiliğinden sürtüldüğü hiç görülmemiştir. Bir direnç telinden geçen elektrik ısıya dönüştüğü halde, ısıtılan bir direnç telinin uçlarından elektrik enerjisi alındığı hiç görülmemiştir. Diğer taraftan, daima sıcaktan soğuğa doğru akan ısının soğuktan sıcağa doğru kendiliğinden aktığı hiç görülmemiştir.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ Termodinamiğin birinci kanununa göre hiçbir enerji kaybolmaz. Sadece dönüşüm sonucu başka bir enerji türü olur. Yani, evrendeki enerji toplamı değişmez. Buna enerjinin korunumu denir. Yakın çevremizde bu dönüşümlere güzel örnekler verebiliriz. Örneğin bir hidroelektrik santrali ele alınsın. Bu tip santrallerde enerji dönüşümü nasıl gerçekleşir? Nehirlerden gelen suyun kinetik enerjisi barajda potansiyel enerjiye dönüşür. Bu potansiyel enerji kapaklardan akarak doğrusal hareketle bir kinetik enerjiye dönüşür. Buradan da türbin görevi devralır. O doğrusal hareketi dairesel harekete çevirir; ama hâlen kinetik enerjidir. Jeneratör türbinden aldığı bu enerjiyi elektrik enerjisine çevirir ve trafolara gönderir. Bundan sonra uzun bir yolculuk sonrası evinize gelen elektrik fırınlarda ısı enerjisine, saç kurutma makinelerinde ısı enerjisine ve kinetik enerjiye, ampulde ise ışık enerjisine dönüşür.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ İkinci örnek olarak bir arabadaki yakıtın yanması sonucu yanma odasında oluşan basınç, pistonu aşağı iter ve bu enerjisini krank miline iletir. Krank mili aldığı bu enerjiyi doğrusaldan dairesele çevirir ve tekerleklere iletir. Tekerlek ise aldığı bu dairesel hareketi doğrusal harekete çevirir ve araba hareket etmeye başlar. Aynı şekilde buharlı trenlerde ısı enerjisi yardımıyla su ısıtılır ve buhar oluşturulur ve bu buhar ise trenin hareket etmesini sağlar. Burada ısı enerjisinden hareket enerjisine dönüşüm söz konusudur. Bir vantilatörde elektrik enerjisi hareket enerjisine dönüşür. Elektrikli sobalarda kullanılan elektrik enerjisi ısı enerjisine dönüşür. Yakıtlardaki potansiyel enerjinin ısı enerjisine dönüşmesiyle ısınırız.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ Endüstriyel uygulamalarda net güç üretmek için yaygın olarak kullanılan enerji dönüşüm sistemleri ya da makinalar genel anlamda motorlar olarak adlandırılır. Motorların gerçekleştirdikleri termodinamik çevrimlere güç çevrimleri adı verilmektedir. Termodinamik çevrimlerle alakalı olarak yaygın kullanılan diğer bir sınıflandırma da kapalı ve açık çevrimlerdir. Çevrimlerde enerji taşıyan akışkan iş yapan akışkan olarak adlandırılmaktadır. Kapalı çevrimlerde; iş yapan akışkan çevrim sonunda ilk hâline döner ve bu şekilde sürekli dolaşımda kalır. Açık çevrimlerde ise; dolaşımda kalmak yerine iş yapan akışkan her çevrim sonunda yenilenir.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ Örneğin, otomobil motorlarında, her çevrim sonunda yanmış gazlar çevrimden dışarı atılarak yerine taze hava-yakıt karışımı çevrime sokulur. Isı enerjisinden iş üreten makinalara ısı makinası adı verilmektedir. İş yapan akışkana ısının nasıl verildiğine bağlı olarak ısı makinaları içten yanmalı ve dıştan yanmalı motorlar şeklinde sınıflandırılmaktadır. Dıştan yanmalı motorlar; iş yapan akışkana enerji geçişi bir kazan, bir jeotermal kuyu, bir nükleer reaktör veya güneş gibi bir dış kaynaktan sağlanır. İçten yanmalı motorlarda ise; ısının sağlanması yakıtın sistem sınırları içerisinde yakılmasıyla gerçekleşir. Bundan sonraki bölümde yaygın olarak kullanılan içten yanmalı dört zamanlı ve iki zamanlı pistonlu motorlar ele alınacaktır.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ - MOTORLAR denir. Yakıttan elde ettiği ısı enerjisini mekanik enerjiye çeviren makinelere motor Zamanlarına göre; Dört zamanlı motorlar İki zamanlı motorlar Kullanılan Yakıtlara Göre; Benzinli motorlar Dizel motorlar LPG motorlar Yakıtın Yanma Yerine Göre: İçten yanmalı motorlar Dıştan yanmalı motorlar Motor Çeşitleri Yapım özelliklerine Göre; Sıra tipi Birbirlerinin karşılarına yatık (Düz, hafif eğik, boksör tipi) Sıra hâlinde bir açı ile birleştirilmiş (V tipi) Daire şeklinde (Yıldız tipi) Silindir Sayılarına Göre Tek silindirli Çok silindirli Soğutma Sistemlerine Göre: Su soğutmalı Hava soğutmalı
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ MOTORLAR PİSTONLU MOTORLAR Basit yapılarına karşın pistonlu motorlar çok amaçlı ve oldukça geniş uygulama alanı bulan enerji dönüşüm sistemlerindendir. Otomobiller, kamyonlar, uçaklar, gemiler ve elektrikli jeneratörlerin büyük çoğunluğuyla diğer birçok uygulamada güç sağlamak amacıyla pistonlu motorlar kullanılmaktadır.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ MOTORLAR - MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ DÖRT-ZAMANLI BENZİN MOTORLARI Benzinli dört zamanlı motorlar Otto Çevrimi ne göre çalışmaktadırlar. Dörtzamanlı bir motorda bir çevrim pistonun dört stroku ile veya krank milinin iki tam devri ile gerçekleşir. Bu dört zaman süresince tamamlanması gereken beş olay vardır: Emme, sıkıştırma, yanma, genişleme ve egzoz.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ MOTORLAR - MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ DÖRT-ZAMANLI DİZEL MOTORLARI Dizel çevrimi bu tip motorlar için ideal çevrimdir. Dört zamanlı dizel motoru, dört zamanlı benzin motoruna benzerdir. Fakat dizel motorlar daha yüksek sıkıştırma oranlarında çalışırlar. Dizel motorda, emme zamanı esnasında silindire yakıt-hava karışımı değil, yalnızca hava emilir. Dizel motorlarda sıkıştırma zamanı sonundaki sıcaklık, yüksek sıkıştırma oranının sonucu olarak, yanma odasına püskürtülen yakıtın kendi kendine tutuşabileceği noktaya ulaşır. Dizel motorlarda, yakıtı yanma odasına püskürtmek üzere yüksek basınçlı bir yakıt pompası ve enjektör kullanılır. Benzin motorlarında kullanılan, karbüratör ve ateşleme sistemi dizel motorlarda kullanılmazlar.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ MOTORLAR - MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ Özellik Benzin Motoru Dizel Motoru Çevrim Türü Otto Çevrimi Dizel Çevrimi Yakıt Benzin Motorin Yakıt Girişi Emme esnasında hava/yakıt karışımı Sıkıştırma sonunda yakıt girişi Yük Kontrolü Hava/yakıt karışımı karbüratörde ayarlanır. Yakıt miktarı pompada ayarlanır. Ateşleme Buji ile ateşleme Ateşleme kendiliğinden oluşur. Sıkıştırma Oranı 6-10 arasında değişir. Vuruntu üst limiti belirler 16-20 arasındadır. Hız Yüksek hızlıdır. Düşük hızlıdır. Isıl Verim %25-30 arasındadır. %35-40 arasındadır. Ağırlık Hafiftirler. Ağırdırlar.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ MOTORLAR - MOTORLARIN ÇALIŞMA PRENSİBİ İKİ-ZAMANLI DİZEL MOTORLAR İki zamanlı motorlarda çevrim krank milinin bir tam devrinde tamamlanır. İki zamanlı motorlarla dört zamanlı motorlar arasındaki temel fark, emme ve egzoz işlemlerinin gerçekleştirilmesi biçimidir. İki zamanlı motorlarda emme işlemi karterde sıkıştırılmış dolgu yardımıyla gerçekleştirilir. Sıkıştırılmış dolgunun emilmesi yanma ürünlerini egzoz penceresinden dışarı atar. Çevrimin tamamlanması için iki zaman yeterlidir; taze dolguyu sıkıştırma zamanı ve genişleme veya iş zamanı.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ TERMİK SANTRALLER Termik santraller katı, sıvı ve gaz hâlindeki fosil yakıtlarda var olan kimyasal enerjiyi ısı enerjisine, ısı enerjisini hareket (kinetik) enerjisine, hareket enerjisini de elektrik enerjisine dönüştüren tesislerdir. Kısaca termik santrallar kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştüğü tesislerdir. Termik santrallerin içinde en karmaşık yapıya sahip olanları katı yakıtlı buhar santralleridir. Daha basit yapılardaki gaz türbinleri diğer bir termik santral örneğidir. Bu iki termik santralın bir araya getirilmiş hâline de kombine çevrim santralleri adı verilmektedir.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ TERMİK SANTRALLER Kullandıkları yakıtlara göre Türkiye deki başlıca elektrik santralları ve yüzdeleri: Katı yakıta linyit ve taş kömürü: % 23,48 Sıvı yakıta fuel-oil ve motorin: % 7,65 Gaz yakıta doğal gazı göstermek mümkündür: % 35,53 Bir diğeri de jeotermal (Yeraltı buhar santralı): % 0,04 Görüldüğü gibi bu rakamların toplamı % 66,7 yapmaktadır. Bu da gösteriyor ki elektrik enerjisi üretimimizin yarıdan fazlası termik santrallar tarafından yapılmaktadır. Konunun başında da belirtildiği gibi termik santraller; yakıttaki kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren tesislerdir. Fakat santralde bu enerji değişimi tek kademede gerçekleşen bir olay değildir. Yakıtın kimyasal enerjisinin ısı enerjisi şeklinde açığa çıkması için kimyasal bir olay olan yakıtın yanma işlemi gerçekleşmelidir. Bu işlemin termik santrallerinde oluşturulduğu yere kazan denir.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ TERMİK SANTRALLER Kazanda açığa çıkan bu enerji, kazanın içerisindeki borularda dolaşan suya verilir ve su buhar fazına geçer. Buhar fazına gecen bu suya ısı enerjisi verilmeye devam edilir. Termik santrallerde, nükleer enerji santrallerinde güç üretim elemanlarının en önemlisi buhar türbinleridir. Bunun yanında kombine çevrim santrallerinde ise genellikle gaz türbinleri kullanılmaktadır. Buhar ve gaz türbinlerinde en fazla istenen durum olabildiğince verimli olması ve düşük yakıt kullanılarak daha az karbon emisyonu salmasıdır. Katı yakıtlı bir termik santralde elektrik üretilirken ana ham madde linyit ya da kömür, sıvı yakıtlılarda fuel-oil ve motorin, gaz yakıtlılarda ise doğal gazdır.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ TERMİK SANTRALLER - PROSES SÜRECİ Termik santrallerinde buhar kazanın içerisine döşenen boruların içinden saf su geçirilir ve yanma sırasında ortaya çıkan ısı enerjisi ile bu boruların içerisinden geçen sular buhar fazına geçer. Suyun buhar fazına geçmesi yeterli değildir. Buhar fazına geçen bu suya ısı enerjisi verilmeye devam edilir. Proses süreci yukarıda anlatıldığı gibi yüzeysel değildir. Kazanda su buharlaştırıldıktan sonra bu buharın yüksek basınç altında (136 bar) ve yüksek sıcaklıkta (535 C) ısıtılması sağlanır. Enerji yüklü bu kızgın buhar, buhar sevk boruları üzerinden türbine ulaşır ve türbin kanatlarına çarparak türbin milinin dönmesine neden olur, bu sayede ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüşmüş olur. Türbin miline bağlanmış jeneratör çıkışından elektrik enerjisi elde edilmiş olur. Böylece santralin nihai amacı olan elektrik enerjisi elde edilmiş olur.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ TERMİK SANTRALLER - PROSES SÜRECİ Türbinde iş gören ve basınç ve sıcaklığı düşen buhar yoğuşmak üzere kondansöre gelir. Kondansörde soğutma suyuyla yoğuşmaya başlayan buhar su fazına geçer ve saf su olarak yeniden sisteme gönderilir. Santralde soğutma suyu olarak genellikle deniz suyu kullanılır. Su-buhar çevrimi suyu; yanma esnasında kazan çeperlerinde bulunan boruların içinden geçen saf su buhara dönüştürülür. Santralde kullanılan saf suyu elde etmek için belirli kimyasal işlemlerden faydalanılır. Soğutma suyu; santralde soğutma suyu olarak kullanılan deniz suyu, pompalarla denizden alınır ve klorlama işlemine tabi tutulduktan sonra pompalarla sisteme gönderilir. Deniz suyu, kül ve cürufun ıslanması ve nakledilmesinde, soğutma suyu tanklarında ve kondansörde soğutma suyu olarak kullanılır.
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ TERMİK SANTRALLER - PROSES SÜRECİ Kondensör ve soğutma kuleleri; işlem görmüş yani elektriğin üretilmesinde katkı sağlayan buhar tekrar sistemde kullanılmak ve suya dönüştürülmesi için kondensör sistemi ve genel olarak soğutma kuleleri dediğimiz sistemlerden faydalanılır.
Santralin Adı Türkiye de kurulu termik santraller Yeri Kuruluş Yılı Ana Yakıtı Yard. Yakıtı 18 Mart Çan Çan 2003 Linyit Fuel oil-motorin Afiş Elbistan Elbistan 1984 Linyit Fuel oil-motorin Aliağa Aliağa 1975 Motorin Motorin Ambarlı- D.Gaz Ambarlı 1988 Doğalgaz - Ambarlı- F.Oil Ambarlı 1967 Fuel-oil Fuel oil-motorin Bursa D.Gaz Osmangazi 1998 Doğalgaz - Çatalağzı Çatalağzı 1989 Taşkömür ü Fuel oil-motorin Hamitabat Lüleburgaz 1985 Doğalgaz - Hopa Hopa 1973 Fuel-oil Motorin Kangal Kangal 1991 Linyit Fuel oil-motorin Orhaneli Orhaneli 1992 Linyit Fuel oil-motorin Seyitömer Seyitömer 1973 Linyit Fuel oil-motorin Soma Soma 1981 Linyit Fuel oil-motorin Tunçbilek Tunçbile k 1956 Linyit Fuel oil-motorin
ÖZET Bu ünitemizde; enerji konusu, enerji türleri tanıtıldı, enerji geçiş mekanizmaları vurgulandı, enerjinin korunumu ve enerji dönüşüm sistemleri hakkında asgari bilgiler termodinamiğin temel kanunları çerçevesinde işlendi. Yaygın kullanılan dizel ve benzinli dört zamanlı motorlar ile iki zamanlı motorlar anlatıldı, çalışma prensipleri analiz edilerek her iki tip motorun avantaj ve dezavantajları tablolar yardımıyla ortaya konuldu. Önemli enerji dönüşüm sistemlerinden olan termik santraller anlatılarak Türkiye'deki mevcut durum kısmen analiz edildi.