ENERJĐ ve EKSERJĐ ANALĐZ YÖNTEMLERĐNE NE GĐRĐŞG ĐŞ Prof. Dr. Olcay KINCAY Doç. Dr. Zafer UTLU
SUNU PLANI Giriş Termodinamik bakış açısı ile enerjinin korunumu Termodinamik bakış açısı ile entropi ve ekserji Günlük hayatta 2. yasa ve verimlilik Sonuç ve genel değerlendirme
DÜNYA ENERJĐ KAYNAKLARI HIZLA TÜKENMEKTEDĐR
E n e r j i
T E R M O DĐNAMĐK Enerji bilimi, Enerjiyle ilgili herşey ey Termodinamik dersinin amaçlar ları: Temel prensipleri (1. ve 2. Yasalarını) ) benimsetmek, Enerji değişim im ve dönüşümlerini d daha bilinçli bir anlayış ışla geliştirmelerini sağlamak lamak, Termodinamiğin gerçek ek dünyadaki d değişik ik uygulamalarını göstermektir.
ENERJĐ NEDĐR R? Enerji fiziksel bir varlıkt ktır, ve bu yüzden y de fizik kanunlarına na enerjinin korunumu gibi - uymak durumundadır. r. Bir sistemin enerjisi kinetik ve potansiyel gibi makroskopik; ve iç enerji (duyulur, gizli, kimyasal, nükleer) n gibi mikroskopik formlardan oluşur. ur.
Yaşamak Enerji
TERMODĐNAM NAMĐĞĐN N BĐRĐNCB NCĐ YASASI Enerjinin korunumu ilkesidir Enerjinin niceliği ile ilgilidir niceli Birinci yasa verimi ısıl l verimdir
TERMODĐNAM NAMĐĞĐN ĐKĐNCĐ YASASI Enerjinin niteliği ile ilgilidir Bu yasanın çalışma alanı Nitelik azalması Entropi üretimi Đş yapma olanaklarının değerlendirilememesi
1. Yasa: Miktar tabanlı Enerji enerjidir Tüm enerjiler eşittir Miktar her zaman korunur, yok edilemez 2. Yasa: Kalite tabanlı Enerjiden enerjiye fark vardır Enerjiler eşit değildir Kalite varken yok olur
KULLANILABĐLĐRL RLĐK (EKSERJĐ) Bir sistemde elde edilebilecek en çok iş sistem belirli bir başlangıç halinden tersinir bir hal değişimi ile çevrenin bulunduğu hale getirilirse elde edilir. Yararlı iş potansiyeli Đşi yapma olanağı
KULLANILABĐLĐRL RLĐK (EKSERJĐ) Evrenin kütlesi değişmediği gibi toplam enerjisi de değişmez. Bu durum, tamamen birinci yasanın uygulamasıdır. Yapılması gereken kullanabilirlik veya enerjiden yararlı iş elde etme olanağının en üst seviyede uygulamaya dönüştürülmesidir.
Kullanabilirlik bir kez harcandıktan sonra yeniden kazanılmaz. Örneğin, konut ısıtmada kullanılan enerji yok edilmemektedir. Sadece daha düşük kullanabilirliliği olan enerji şekline dönüştürülmektedir. Sistemlerin değerlendirilmesinin bu bakış açısı ile yapılması enerjinin etkin kullanımı açısından bir zorunluluk olarak ortaya çıkmaktadır.
Tasarruf: Đkinci Yasa Kavramı 1. Yasa: Enerji zaten her zaman binadan ısı kaybı olurken dahi korunur (Enerjinin korunumu kanunu) Ekserji imhasının minimize edilmesi, en yeşil (çevre dostu) termodinamik pratiğidir. 2. Yasa: Kalitesi düşen d enerji, israf edilmiş olan enerjidir. Enerji tasarrufu, enerjiyi en faydalı halinde muhafaza etmektir. Faydasız z bir hale dönüşen enerji tamamen kaybolmuştur.
2 + 2 = 4? Belki!... Soru 1: 2 + 2 =? 1. Kanun: 4 (Enerji gibi korunan her şey için i in doğru) 2. Kanun: 0, 1, 4, 7, (Entropi ve ekserji gibi şeyler için i in bütünün b değeri eri parçalar alarının n toplamanından ndan büyük b k veya küçük üçük k olabilir) Soru 2: Birlikten kuvvet doğar mı? m 1. Kanun: Evet, her zaman 2. Kanun: Hayır, birlikten zaaf da doğabilir. Soru 3: 1. ve 2. Yasa verimlerinin farkı nedir? 1. Kanun verimi: Ulaşı şılan performansın n sağlanan kaynaklara oranıdır. 2. Kanun verimi: Ulaşı şılan performansın n mevcut şartlar altında ulaşı şılabilecek en iyi performansa oranıdır.
ĐKĐNCĐ YASA VERĐMĐ ve GÜNLÜK K YAŞAM AM Günlük k yaşamda amda bir kişinin inin birinci yasa verimi harcadığı emeğe e karşı şılık k elde ettikleri ile ölçülebilir, ikinci yasa verimi ise verimliliğinin inin o koşullarda yapabileceğinin inin en iyisi ile karşı şılaştırılması sonucu bulunabilir.
ĐKĐNCĐ YASA VERĐMĐ ve GÜNLÜK K YAŞAM AM Sahip olunan zaman miktarı birinci yasaya örnek oluştururken, bu zamanın ne kadar etkin ikinci yasa kapsamındad ndadır. bir biçimde imde kullanımı Az zamanda çok işi yapmak, az yakıtla daha çok yol gitmek ikinci yasanın n ekserji değerinin erinin yüksekliy ksekliğini ini göstermektedir. g
ÖLÜ HALDEKĐ SĐSTEM ÖZELLĐKLERĐ Çevresiyle termodinamik dengededir Yararlı iş potansiyeli (Kullanılabilirlik) labilirlik) sıfırdır
ÖLÜ HALDEKĐ SĐSTEM ÖZELLĐKLERĐ P 0 T 0 h 0 u 0 s 0 T 0 = 25 0 C P 0 = 1 Atm Bir Sistemden En Çok Đşi Elde Edebilmek Đçin Sistemin Son Halinin ÖLÜ HAL Olma Zorunluluğu Vardır.
ATMOSFERDEKĐ DURUM Atmosferde çok büyük bir enerji vardır. Fakat atmosfer ölü halde bulunduğundan içerdiği enerjiden iş elde etmek OLANAKSIZDIR.
TERSĐNĐRL RLĐK Belirli iki hal arasındaki hal değişimi sırasında bir sistemden elde edilebilecek en çok yararlı iştir.
TERSĐNMEZL NMEZLĐK Đşe dönüştürülebilecek iken dönüştürülemeyen enerjiyi gösterir.
TERSĐNMEZL NMEZLĐK Çalışır bir sistemde enerji korunumu oluşurken, entropi üretilmekte ve ekserji tüketilmektedir.
1. ve 2. YASA KARŞILAŞTIRILMASI 1. YASA: Madde ve Enerji ile ilgilidir Korunum kanununa tabi (Madde-enerji korunumu prensibi) (Yoktan var olmaz, var iken yok olmaz; şekil değiştirir) Beş duyu ile algılanabilir. Varlıkları kesindir ve fiziksel varlıklardır. Büyük patlama ile başlayan madde-enerji evrenine uygundur. 2. YASA: Entropi ve Ekserji ile ilgilidir. Korunum kanununa tabi DEĞĐL (Entropinin artışı prensibi) (Entropi yoktan var olur, ekserji var iken yok olur) Beş duyu ile algılanamaz. Varlıkları kesindir, ama dar anlamda fiziksel varlık değillerdir. Büyük patlama ile başlayan madde-enerji evreninin dışındadır.
Biz koruma kanununa tabi şeylerle şartlandık. Entropi ve ekserji gibi görülmeyen madde-dışışeyleri kavramakta zorlanıyoruz.
BAZI PROSESLERĐN ENERJĐ ve EKSERJĐ VERĐMLĐLĐKLERĐ VERĐMLĐLĐK (%) Enerji Ekserji Konut Isıtma 60 9 Su Isıtma 40 2-3 Buhar 90 50 Kurutma 40 4 Petrol Rafineri 90 10 Buhar-Boyler 100 40 Fırınlama 76 46
TEMEL KAVRAMLAR Kütle balansı: Kütle değişimi imi = Kütle K transferi Enerji balansı: Enerji değişimi imi = Enerji transferi Entropi balansı: Entropi değişimi imi = Entropi transferi + Entropi üretimi Ekserji balansı: Ekserji değişimi imi = Ekserji transferi - Ekserji imhası Bir işlem i sırass rasında kütle ve enerji korunur; entropi üretilir, ekserji imha olur.
YEŞĐL BUZDOLAPLARI Buzdolabı ve Dondurucu lar ların enerji verimliliği, daha iyi izolasyon ve yüksek y verimli kompresörler rler sayesinde geçen en 30 yıl y l içinde i inde yaklaşı şık %70 artmış ıştır. Verimli buzdolapları ABD de 1973 den beri 30,000 MW lık k yeni santral ihtiyacını ortadan kaldırm rmıştır. Yeni buzdolabı ve dondurucuların yıldan yıla elektrik kullanımındaki düşüş (birim unite başına) (National Energy Policy Report, USA, 2001).
HĐBRĐT ARABALAR: ARABALAR: Fren esnasında nda israf edilen mekanik enerjiyi depolayan mühendislik çözümü
YEŞĐL BĐNA? YTÜ Yenilenebilir Enerji Evi
AYDINLATMADA ELEKTRĐK K YERĐNE GÜNEG NEŞ
Işık Boruları Çalışma prensibi güneşten alınan ışığın yansıtıcı yüzeylere sahip borular yardımıyla kapalı alanlara ulaştırılması esasına dayanır.
Güneş Pili Sistemleri Güneş ışığı elektriğe çevrilir. Kontrol sistemi direk gelen ışığı yönlendirir. Bataryalar enerjiyi depolar. Dönüştürücü DC akımı AC ye çevirir.
Güneş Pilleri Fotovoltaik piller de denen bu yarı-iletken malzemeler güneş ışığını, güneş pilinin yapısına bağlı olarak %5-20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevirirler.
Yer: Manchester, Đngiltere Güç: 390 kw Modül gücü: 80 W 7,244 Modül Toplam Maliyet: 10,1 milyon $ Çeşitli Uygulamalar Güneş Kırıcı Uygulaması
Đkinci Yasa: Mükemmellik Ölçüsü Bir olayın ikinci yasa verimi %100 ise: O olay MÜKEMMELDĐR (1. yasa verimi %100 olmasa bile) Entropi üretimi = 0 Ekserji imhası = 0 Đsraf = 0
BĐRLĐKTEN KUVVET DOĞAR MI? Entropi Artmazsa, EVETTTE VETTT
Daha Büyük B k Olurken Daha KüçüK üçük k Olmak Đş potansiyeli veya ekserji içerii eriği ile belirtilen sistemin değerinin erinin şeklidir. Termodinamikte, sistemin büyüklüğü termodinamiğin enerji içerii eriği nde gösterilebilir. g Belirtilen bir durumda bir sistemin enerji içerii eriği i sabittir, fakat ekserji içerii eriği, farklı çevrelerde farklıdır. r.
Daha Büyük B k Olurken Daha KüçüK üçük k Olmak Đki izole sistem birleştirilirse, birleştirilen sistemin enerji içerii eriği i her zaman iki sistemin enerji içerii eriğinin inin toplamına eşittir. e Fakat ekserji içeriği, i, bireysel sistemlerin ekserji içerii eriğinin inin toplamından daha azdır. Karış ıştırma işlemii lemi, tersinmez bir prosestir ve entropi oluşur ur, böylece bu proses esnasında nda ekserji yok edilir. Farklı durumlarda iki sistemi birleştirmek boyutça a daha büyük b k bir sistem verebilir, fakat ekserji içerii eriğinde inde bu daha küçük üçüktür.
Karış ıştırma Đşleminden Önce ve Sonra Đş Potansiyeli W 1 = 200 kj W 2 = 8 kj W mixed = 168 kj (iş 19% yok oldu) Air 1 kg T 1 =500 C 1 atm Air 1 kg T 2 =100 C 1 atm Air 2 kg V = V 1 + V 2 E = E 1 + E 2 P 0 = 1 atm, T 0 = 25 C P 0 = 1 atm, T 0 = 25 C (a) Karıştırmadan önce (b) Karıştırmadan sonra
Karıştırma rma işlemi i nedeniyle Kayıp Đş Potansiyelinde Sistem SıcaklS caklığının n Etkisi ( P = 1 atm, T = 0 0 25 C, m = 1 kg, P = P = 1 2 1 atm) Tank 1 Sıcaklığı T 1, C Tank 2 Sıcaklığı T 2, C Tank 1 Ekserjisi W 1, kj Tank 2 Ekserjisi W 2, kj Karışma öncesi Ekserji W unmixed Karışma Sonrası Ekserji W mixed Yok edilen iş potansiyelinin yüzdesi % -100 100 36.6 8.2 44.8 2.1 95.3-50 100 11.4 8.2 19.6 0.0 100.0 0 100 1.1 8.2 9.3 2.0 78.4 25 100 0.0 8.2 8.2 4.4 46.2 50 100 1.0 8.2 9.2 7.6 17.0 75 100 3.8 8.2 12.0 11.6 3.0 100 100 8.2 8.2 16.4 16.4 0.0 300 100 82.1 8.2 90.3 76.3 15.4
Karıştırma rma işlemi i nedeniyle Kayıp Đş Potansiyelinde Sistem SıcaklS caklığının n Etkisi 35 Decrease in Work Potential, % 30 25 20 15 10 5 P 0 = 1 atm, T 0 = 25 C Air 1 kg T 1 =500 C 1 atm Air 1 kg T 2 : 0-500 1 atm 0 0 100 200 300 400 500 Temperature difference between tanks, C
Karış ıştırma Bize Ne SöylerS yler? Biri çevre sıcakls caklığının n altında, diğeri üzerinde iki sistem karış ıştırıldığında Ekserji yıkımıy çok büyük b k olur (Đki bölümün b sıcaklıkları -100 C ve 100 C olduğunda unda ekserjinin 95,3% 3% i i yıkılır. y r.) Çok farklı sistemlerin birleştirilmesi daha büyük b k fakat daha az kapasiteli sistemler olmasına neden olur. Her iki bölüm b m aynı sıcaklıkta kta olduğunda, unda, ekserji yıkımıy olmaz ve karışı ışımın n işi potansiyeli iki kez her iki bölümün b n işi potansiyelidir. Öğrenilecek ders: : Birbirine uymayan şeyler birleşmeye zorlandığı ığında daha büyükb ve daha zayıf f uyum elde edilir.
Birleşmek ya da Birleşmemek? Uyuşabilir Şeylerin Karışımı Uyuşamaz Şeylerin Karışımı Entropi üretimi = 0 Ekserji yıkımı = 0 Entropi üretimi >> 0 Ekserji yıkımı >> 0 KUVVETLĐ ZAYIF
Her biri 100 HP olan 5 Gemi ile Buzdağının Çekilmesi 5x100 hp ICEBERG 100 hp (a) 5 geminin buzdağını aynı istikamete çekmesi 100 hp ICEBERG 100 hp 100 hp 100 hp 500 hp ICEBERG (b) 5 gemiye denk, 500 HP bir tek geminin çekmesi (c) 5 geminin buzdağını çekmeye denemesi (hangi istikamete?)
Termodinamik Sistemlerden Öğrenilecek Dersler - 1 Aynı veya neredeyse aynı olan termodinamik sistemlerin birleşimi daha büyük bir ekserji içeriğiyle, daha büyük bir sistem oluşturur. Uyuşabilir şeyleri birleştirmek, çok güçlü ve etkili bir birliği yaratacaktır. Farklı durumlarda olan iki termodinamik sistemi birleştirmek, boyutta daha büyük olan fakat ekserji içeriğinde daha küçük olan bir sistemi verecektir. Đş potansiyelinin artığından kaçınılmalıdır. Birbirine uymayan şeyler, bir kural altında birleşmeleri için zorlanmamalıdır. Bunun yerine ayrı, ayrı var olmalarına izin verilmeli ve çıktılarının birleşimi yapılmalıdır.
Termodinamik Sistemlerden Öğrenilecek Dersler - 2 Termodinamik sistemlerin özelliklerinin arasındaki fark ne kadar büyük ise, ekserji yıkımı o kadar büyük olur. Ne kadar çok birbirine zıt parçalar birleşirse, değerinin yıkımı o kadar büyük olur. Bir bütün içindeki, birbirine benzemeyen şeyleri zorlamak, çok büyük yıkım patlamasına neden olur.
Termodinamik Sistemlerden Öğrenilecek Dersler - 3 Bazı hallerdeki uyumlu ve geri kalan hallerdeki uyumsuz öğeler, sadece uyumlu parçalarının içerdiği kadarıyla, kısmen birleşebilirler. Tek olan öğeler uyumsuz halleri belirince bireysellik ile kontrol edilebilirler.
Şirketler: Birleşmek ya da Birleşmemek? Birbirine benzer ya da tamamlayıcı üretim hattında çalışan şirketler birleşmeli ve kaynaklar birleştirilmelidir. "Daha büyük olmak, muhakkak daha iyi olmayı ifade etmez".
EVLĐLĐK: Daha iyi veya daha iyisi için? + = + = Evlilik: Bir adam ve bir kadının karışımıdır. Uyum: Bu karışımın neredeyse mükemmel olması için entropi üretimi minimal olmalıdır ve böylece karışımın anahtar özellikleri arasındaki farklar küçüktür. - Değerlerdeki çok küçük farklar, bir ünite olarak iş görmelidir.
2. yasa açışından son söz: SIFIR ĐSRAF
Nereden Başlamalı: Enerji Tasarrufu En ucuz enerji tasarruf edilen enerjidir!
KAYNAKLAR Prof.Dr.Yunus Çengel, TERMODĐNAMĐĞĐN TEMEL KAVRAMLARI: ENERJĐ ve EKSERJĐ Prof.Dr.Olcay Kıncay ve Doç.Dr. Zafer Utlu, ; EKSERJĐ DERS NOTLARI
Teşekkürlerimizle Prof. Dr. Olcay KINCAY Doç. Dr. Zafer UTLU