Soğutma ve ticari makineleri bölümü

Donetk Milli Mikhail Tugan Baranovkogo Ekonomi ve Ticaret Üniveritei (DETÜ) Soğutma ve ticari makineleri bölümü Derin konuu: Termodinamiğin İkinci Yaaı ve onu uygulamaı Öğt. Doç. Karnaukh Viktoriia Donetk-Adana 05

PLAN:. Termodinamiğin ikinci yaaının ifadeleri;. Cadi Carnot çevrimi ıı makinelerinin ideal çevrimidir; 3. Düzenizlik ve Entropi; 4. Carnot oğutma çevrimi nedir? 5. Pitonlu motorların teoretik çevrimleri; 6. Soğutma makineleri ve ıı pompaı çevrimleri. ÖNERİLEN KAYNAKLAR:. Çetinkaya Selim Termodinamik.. Baım. NobelKitap. Ankara, 0.. Akdağ Mutafa Temel kavramları ile mühendilik termodinamiği. Kafqaz Üniveritei yayınları, Bakü, 009.

. Termodinamiğin ikinci yaaının ifadeleri 9. yy ın başlarında buhar makineini geliştirme calışmalarında az yakıt kullanılarak daha cok iş elde etme, hatta hic yakıt kullanmadan, cevreden ıı almak amacıyla, urekli calışan makine yapma denemeleri yapılıyordu. İlk defa Sadi Carnot, makine ve akışkan cinine bağlı olmakızın, ııdan faydalı iş elde etme fikrini, en genel şekilde ele aldı ve calışmalarının onucunda Termodinamiğin ikinci yaaının temelini oluşturacak şekilde, Iının ağırlığı olmayan bir madde olduğu, Iının ancak ıcak olan kaynaktan, oğuk olan kaynağa doğru kendiliğinden gectiği, İki kaynak araında ıcaklık farkı vara, orada mekanik iş elde edilebileceği, buna karşılık mekanik iş tuketme karşılığında orada ıcaklık farkının oluşturulabileceği, fikirleri ile terinir makine kavramını ilk defa ortaya koyuyordu Termik makinelerin calıştırılabilmei icin mutlaka ıcaklıkları birbirinden farklı iki kaynağa ihtiyac olduğu

Termodinamiğin. yaaı çeşitli biçimlerde ifade edilmiştir. İngiliz bilim adamı Lord Kelvin şöyle bir ifade unmuş: Periodik olarak çalışan ve bir tek ıı kaynağı ile ıı alış verişi yaparak ürekli olarak iş üreten bir makinenin yapılmaı mümkün değildir. Kaynaklardan çoğunda yükardaki ifade Kelvin-Plank olarak bilinir, onun anlamına göre hiçbir ıı makineinin ııl verimi % 00 olamaz. Bu uretle, «ikinci türü perpetuum mobile nin» yapılmaı mümkün değildir. Bir ıı makineinin ürekli çalışabilmei için ıcak kaynaktan ıı alınmaının yanııra oğuk kaynağa da belirli miktarda ıı vermei gerekir.

Clauiu ifadei ie, Çerede hiçbir etki bırakmakızın ııyı oğuk ıı kaynagından ıcak ıı kaynağına ileten bir ıı pompaı (veya oğuk makinei) yapmak mümkün değildir ya da bir başka ifadeyle Iı enerjii kendiliğinden oğuk ortamdan ıcak ortama doğru akamaz, biçimindedir. Yaanın en önemli onuçlarından biri ie, Kapalı itemlerde ıı enerjii hiçbir zaman tümüyle diğer bir enerji formuna (örneğin mekanik enerjiye) dönüşmez. Iı enerjii, ıcaklığı yükek olan ciimlerden düşük olanlara doğru akar. Bu üreç terinmezdir. Yani dışardan yardım olmadan ıı, düşük ıcaklıktaki ciimden yükek ıcaklıktaki cime ıı aktarmak mümkün olmaz.

. Cadi Carnot çevrimi ıı makinelerinin ideal çevrimidir 84 yılında Franız bilim adamı Cadi Carnot tarafından ıı makinelerinin IDEAL Çevrimi olarak ortaya konmuş ve Emile Clapeyron tarafından 830 ve 840 lı yıllarda geliştirilmiştir. Carnot çevriminin p-v ve T- diyagramı, Şekil de görüldüğü gibi. Carnot, ideal içten yanmalı motorun koneptini geliştirdiği ırada izotermik dönüşümün ideal ıı almaı dönüşümü olduğunu ortaya koydu. Bu ırada tün verildiği ıı tam işe dönüşür (. Şek). Nicola Léonard Sadi Carnot ( Haziran 796 4 Ağuto 83) Franız fizikçi ve matamatikçi

р T dq=0 q l 0 3 T =cont dq=0 q T 4 =cont q 3 q 0 =q -q 4 q T =cont T =cont v Şekil. Carnot çevriminin p-v ve T- diyagramları: - Adyabatik Sıkışma (=c), -3 İzotermik Genleşme (Т=с), 3-4 Adyabatik Genleşme (=c), 4- İzotermik Sıkışma (T=c). Termik faydalı çalışma katayıı: t l çev q q çev q q - q q q q T T (.)

3 Düzenizlik ve Entropi (.) no lu formüle göre çevreye verilen ıı miktarı q q q T T İfade edilebilir, şöyle ki q /T ve q doğru orantılı niceliklerdir. İlk defa 865 yılında Alman bilimadamı Clauiu un tarafından q/t oranı Entropi olarak adlandırılmış, ilk defa bu terimi ortaya koyulmuş. Entropi, bir itemdeki enerjinin değerizleşme düzeyini göteren bir büyüklüktür. Entropinin fizikel bir açıklamaını yapmak oldukça zor olmakla birlikte Entropi, itemdeki düzenizliğin bir ölçüüdür, biçiminde bir tanımlama yapılabilir. Düzenizlik arttıkça entropi de artmaktadır. Bütün terinir çevrimler için entropi değişimi ıfıra eşittir: d dq T 0 (3.a) ter in ir 0 (3.b)

Ama eğer dq abit ie terinmez çevrimlerde terinir çevrimlere göre entropi değişimi abit değil, yani artıyor ve: d dq T (3.a) dqtd (3.b) Yani terinir durumlarda entropi 0'a eşitken terinmez durumlarda entropi 0'dan büyüktür. Ancak gerçek hayatta terinir item yoktur, gerçek olan terinmez işlemlerin ideallikten ne kadar uzak olduğunu refere etmek için oluşturulmuş hayali bir işlemdir.) Termodinamik işlem uraında ciim durumundan durumuna geçiyor ve onra ilk haline dönüyora bu item için entropi değişimi integral formül biçimde yazılır: q ( ) d T (3.3)

Herhangi termodinamik işlem ıraında verilen (alınan) ıı miktarı ıı diyagramı ayeinde heaplanabilir (T- diyagramı). Iı diyagramında dikey eken ıcaklık, yatay dikey ie entropidir. Bunu unutmamak lazım, ideal gazlar için entropi ile özgül ıı araında bağıntı var olduğunun yanı ıra her gazın özel özgün ııı da vardır. Bu yüzden her gaz için ayrı T- diyagramı kullanılmalıdır. Şekil de bir termodinamik işlem ıcaklık-entropi diyagramı üzerinde göterilmiştir Т F a b q Td (3.4) a df d b Şekil. Bir termodinamik işlem T- diyagramı üzerindedir

Adyabatik ıkıştırma Adyabatik genleşme Şekil 3. Okijen gazı için T- diyagramının parçaı

İdeal gazlar için entropi değişimi Bildiğiniz gibi Teknik Termodinamikte heaplamalar mutlak entropi değil entropi değişimi ayeinde yapılmaktadır. Normal koşullardaki (T- 73,5K, p-0,35 kpa) gazlar için entropi ıfıra eşittir (=0). Eğer özgül ıının abit olduğunu varayılıra T cp ln T c v ln Rln p p p p c p v ln v (3.5a) (3.5b) T cv ln T Rln v v (3.5c)

p p Rln T v v Rln T T T ln c v v p p ln c v v T T ln c p p v v ln c p p T-abit V-abit p-abit Her termodinamik işlem için durum değişimi ıraında entropi değişimini heaplamak mümkündür.

4. Carnot oğutma çevrimi nedir? Termodinamiğin önemli uygulama alanlarından biri de oğutmadır. Soğutma, oğutma makineleri veya ıı pompaları ile gerçekleştirilmektedir. Soğutma makinei, ıı makineinin akine, düşük ıcaklık kaynağından ıı alarak yükek ıcaklık kaynağına ıı tranferini gerçekleştiren bir itemdir. Soğutma çevriminde kullanılan çalışma maddeine oğutucu akışkan denir. Eğer oğutma çevriminde oğutucu akışkanın hali değişir ie buhar ıkıştırmalı oğutma çevrimi denmektedir. Eğer oğutma çevriminde hava oğutucu akışkan olarak kullanılır ie hava oğutma makinei denmektedir. İdeal olan oğutma makineinin çevrimi olarak ter Karnot çevrimi kabul edilmektedir. Ter Karnot çevrimi iki adet izotermik ve iki adet adyobatik olmak üzere tam dört kademeden oluşmaktadır (şekil 4).

р T dq=0 3 q 4 l 0 q T =cont dq=0 T =cont q 3 4 l 0 q T =cont T =cont а v b Şekil 4. Ter Carnot çevriminin p-v ve T- diyagramları: -4 Adyabatik Sıkışma (=c), 4-3 İzotermik Sıkışma (Т=с), 3- Adyabatik Genleşme (=c), - İzotermik Genleşme (T=c). Ter Karnot çevriminin katayıı (oğutma katayıı) karnot l q aln harcanan q q q T T T (4.)

5. Pitonlu motorların teoretik çevrimleri Iı makinenin çevrimi altı gruba ayırabilir Sabit hacimli çevrim Otto çevrimi Sabit baınçlı çevrim Dizel çevrimi Stirling çevrimi Karma çevrim Trinkler çevremi Gaz türbinlerin çevrimi Brayton çevrimi Buhar türbinlerin çevrimi Renkin çevrimi

b) Şekil 5 - Pitonlu içten yanmalı motor: a) ve b) keitleri a)

OTTO ÇEVRİMİLİ MOTOR (887 yılında icat adilmiş) р 3 q v Т q v 3 4 Otto Nikolau Avgut 83-89 Alman mühendii l 0 4 q v q v UÖN AÖN v ÜÖN a) b) AÖN Şekil 6 Otto çevrimi: a) çalışma diyagramında, b) termal diyagramda

Otto Çevrimi Safhaları : - Adyabatik ıkıştırma: Bu afhada, piton alt ölü noktadan üt ölü noktaya doğru hareket eder. Bu ırada emme ve egzo valfleri kapalıdır, dolayııyla içerdeki hava+yakıt karışımı ıkışır ve baıncı grafikte görüldüğü gibi artar. -3 Sabit Hacimde Yanma: Piton üt ölü noktaya ulaştığı ırada bujiden kıvılcım çaktırılarak ıkışarak ıınmış hava+yakıt karışımı yanmaya başlar, bunun onucunda baınç p'den p3 değerine ıçrama yapar. 3-4 Genleşme: Bu afhada piton aşağı doğru hareketine başlar. Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder. Piton aşağı doğru hareketine devam ettiğinden ilindirdeki baınç da düşmeye başlar. 4- Egzoz: Sitem 4 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır. Silindir egzoz itemi ile dışarıya açıldığından ilindirdeki baınç atmoferik baınca düşer. Sitemden ıının atılmaı bu afhada göterilmiştir.

DİZEL ÇEVRİMİLİ MOTOR (897 yılında icat adilmiş) p q p Т 3 3 l 0 4 q p 4 Rudolf Kritian Dizel 858-93 alman mühendii q v q v ÜÖN AÖN v ÜÖN AÖN a) b) Şekil 7 Dizel çevrimi: a) çalışma diyagramında, b) termal diyagramda

Dizel Çevrimi Safhaları : - Adyabatik ıkıştırma: Bu afhada, piton alt ölü noktadan üt ölü noktaya doğru hareket ederek havayı ıkıştırıyor. Bu ırada emme ve egzo valfleri kapalıdır. -3 Sabit Baınçta Yanma. Bu afhada ıkıştırılan havanın ıcaklığı 700-900 C'a ulaşır. Piton hareketinin en tepe noktaında, dizel yakıt yükek baınçla (atomizer memeden geçerek) yanma odaının içeriine pükürtülür; burada ıcak ve yükek baınçlı hava ile karışır. Bu karışım hızla tutuşur ve yanar. 3-4 Genleşme: Bu afhada yanma odaı içindeki gaz genleşirerek piton aşağı doğru hareketine başlatırır. Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder. Piton aşağı doğru hareketine devam ettiğinden ilindirdeki baınç da düşmeye başlar. 4- Egzoz: Egzoz gazını ilindirin dışına atma ve taze hava çekme işlemi.

TRİNKLER ÇEVRİMİLİ MOTOR (karma çevrimli motor) (904 yılında icat adilmiş) р q v q p 3 4 l 0 5 Т q v 3 q p 4 5 Gutav Trinkler 876-957 ru mühendii q v ÜÖN AÖN v ÜÖN a) b) AÖN Şekil 8 Karma çevrim: a) çalışma diyagramında, b) termal diyagramda

Karma Çevrim Kademeleri : - Sıkıştırma: Bu afhada, piton alt ölü noktadan üt ölü noktaya doğru hareket eder. Bu ırada emme ve egzo valfleri kapalıdır, dolayııyla içerdeki hava ıkışır ve baıncı artar. -3 Sabit Hacimde Yanma: Piton üt ölü noktaya ulaştığı ırada ilindire enjektör tarafından yakıt pükürtülmeye başlar. Sıkışarak ıınmış havayla karşılaşan yakıt yanmaya başlar, bunun onucunda baınç P'den P3 değerine ıçrama yapar. Siteme ıı girişinin olduğu ilk afha bu afhadır. 3-4 Sabit Baınçta Yanma: Bu afhada piton aşağı doğru hareketine başlar fakat yanma devam ettiğinden baınç düşmez. Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder. Böylece bu afhada da iteme ıı girişi devam etmiş olur. 4-5 Genleşme: Artık ilindire yakıt ükürtülmemektedir ve yanma durmuştur. Piton aşağı doğru hareketine devam ettiğinden ilindirdeki baınç da düşmeye başlar. 5-6 Egzoz: Sitem 5 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır. Silindir egzoz iitemi ile dışarıya açıldığından ilindirdeki baınç atmoferik baınca düşer. Sitemden ıının atılmaı bu afhada göterilmiştir.

Motor Formül Otto çevrimli Dizel çevrimli Trinkler çevrimli motor motor motor Çalışma Yakıt+hava karışımı Yakıt+hava karışımı Yakıt+hava karışımı maddei (ilindir dışında (ilindir içinde yapılmaktadır) yapılmaktadır) Sıkıştırma v 6... 4...5 katayıı v 3...0 Baınç р,3...,7-3 artmaı р katayıı Ön genleşme katayıı Termik faydalı çalışma katayıı v v 3 t -,5...,5,...,9 k t k k k ( ) к ( ) к( ) ητ к

Buhar türbinlerin çevrimi Rankin çevrimi (859 yılı) Egzoz gazları Türbin Elektro Jeneratör William John Macquorn Rankine 80-87 İngiliz bilim adamı Su kazanı Buhar Kaynamış u yoğunlaştırıcı Su pompaı Soğuk u Sıcak u Şekil 9 Buhar türbinin prenip şemaı

Bütün çağdaş buhar türbinlerin çalışmaının temelinde teoretik Rankin çevrimi yer almaktadır. Bu çevrimde ne ürtünme kaybıları, ne ıı kaybıları var, ütelik bütün işlemler terinmez işlemdir. Buna ek olarak, türbindeki buharın genleşmei izentropik ayılmaktadır. Su kaynamaı ve buharın oluşturmaı Pompa çalışmaı T T kızgın T T х=0 х= 3 4 " 5 6 İzentropik buharın genleşmei Buharın yoğunlaşmaı ' ' 4' 6' Şekil 0 Rankin çevriminin T- diyagramı

Buhar türbininin çevriminin kademeleri: -3 Çalışma akışkanı, düşük baıçtan, yükek baınca pompalanır. (İdeal şartlarda adyobatik olarak, yani ıı değişimi ıfır, yani entropi değişimi ıfır) Pompalama için iş girişine ihtiyaç vardır. (Örneğin mekanik veya elektirik işi). 3-4-5 Yükek baınçlı ıvı bir ııtıcıya girer, bir ıı kaynağı ile abit baınçta kızdırılmış buhar halini alana dek ııtılır.genelde ıı kaynağı olarak, kömür, doğal gaz veya nükleer güç kullanılır. 5-6 Kızgın buhar, türbin boyunca genişler ve iş üretimine veile olur. İdeal şartlarda, bu genişleme izentropiktir. Bu olay buharın baınç ve ıcaklık kaybetmeine ebep olur. 6-- Buhar daha onra kondenere girer, doymuş ıvı halini alana kadar oğutulur. Bu ıvı daha onra tekrar pompaya girer ve çevrim tekrar eder. Termik faydalı çalışma katayıı: Rankin q l alıl harcanan h h 5 5 h h 6

6. Soğutma makineleri ve ıı pompaı çevrimleri Soğutma makineinin çalışma prenip şemaı şekil de göterilmektedir. 3 Çevredeki ortam Q к 4 3 kıılma vanaı р yoğ, t yoğ yoğuşturucu 4 kompreör p buh, t em. evaporatör Q 0 p buh, t buh Soğutulan ortam Şekil Soğutma makineinin prenip şemaı

Çalışma maddei (ıı taşıyıcı akışkan) olarak özel özelliğe ahip olan, örneğin R34a, R600a, R maddeleri kullanılabilmektedir. Bu maddelerin buharlaşmaı için abit atmofer baınçta ortam ıcıklığı düşük olmalı (-5...-5 o C), ama bu maddelerin buhar halinden ıvı haline geçmei için ortam ıcaklığı yükek olmalıdır. Çevrim kıaca, aşağıdaki kademeleri ihtiva etmektedir:. KADEME (-): taşıyıcı akışkanın buharlaşmaı - oğutulan ortamdaki bulunan Qo ııı, baınç ve ıcaklığı düşük olan taşıyıcı akışkana tranfer edilmektedir;. KADEME (-4): taşıyıcı akışkanın ıkıştırılmaı - kompreör üniteinde taşıyıcı akışkan üzerine dışarıdan iş tatbik edilerek taşıyıcı akışkan yoğunlaşma baıncına ıkıştırılmaktadır; 3. KADEME (4-3): taşıyıcı akışkanın yoğunlaştırmaı - baıncı ve ıcaklığı yükek olan taşıyıcı akışkanın, kondanatörde (yoğunlaştırıcıda) bünyeindeki Qk ııı ayrılmaktadır; 4. KADEME (3-): taşıyıcı akışkanın genleşmei - taşıyıcı akışkan capilary tube (kıılma vanaı)den geçerken onun baıncı ve ıcaklığı büyük ölçüde düşürülmekte ve buharlaştırma kımına geri döndürülmektedir.

Soğutma makineleri ve ıı pompaları aynı çevrime göre çalışmaları halde kullanım amaçları farklıdır. Soğutma makinelerinin kullanım amaçları, bir ortamdan ıı çekerek ortamı çevre ıcaklığından düşük ıcaklıkta tutmaktır. Iı pompalarının kullanım amaçları ie ııtılan bir ortamın ıcaklığını itenen düzeyde tutmaktadır. Iı makineinin prenip şemaı Sıcaklığı yükek olan bir kaynak Q Soğutma makinei ve Iı pompaının prenip şemaı Sıcaklığı yükek olan bir kaynak Q Çalışma maddei L faydalı Çalışma maddei L kullanılan Q 0 Sıcaklığı düşük olan bir kaynak Q 0 Sıcaklığı düşük olan bir kaynak

Iı pompaının çalışma prenip şemaı şekil de göterilmektedir. Şekil Iı pompaının çalışma prenip şemaı

. GÖSTERDİĞİNİZ İLGİ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİM!!!