Termodinamik çevrimler
Carnot çevrimi
Carnot çevrimi, Sadi Carnot tarafından 1820’lerde ortaya konmuş özel bir termodinamik çevrimdir ve Emile Clapeyron tarafından 1830 ve 1840’lı yıllarda geliştirilmiştir.
Her termodinamik sistem özel bir durum içinde varolmuştur. Sistem, farklı durumları sırası ile takip ediyor ve en sonunda önceki haline geri dönüyorsa termodinamik bir çevrim oluşur. Bu çevrim boyunca proses içinde, sistem çevresine iş yapabilir, bu yolla bir ısı makinesi olarak rol oynayabilir.
Bir ısı makinesi enerjinin sıcak bölgeden, soğuk bölgeye transfer edilmesini sağlar, bu proses içinde enerjinin bir kısmı mekanik işe dönüşür. Çevrim tersinirdir (yani tersine de gerçekleşebilir). Sistem bir dış kuvvet ile çalışabilir ve proses içinde soğuk sistemden, sıcak sisteme ısı transfer edebilir, bu şekilde bir ısı makinesinden çok bir soğutucu olarak çalışır.
Carnot çevrimi, termodinamik çevrimin özel bir tipidir. Özeldir çünkü, verilen ısı enerjisinin işe çevrilme miktarı ya da tersi için (verilen işin soğutma amaçları için kullanımı) mümkün olan en verimli çevrimdir.
1. TH sıcaklığındaki ’’sıcak’’ gazın tersinir izotermal genişlemesi (İzotermal ısı ilavesi):Bu adım esnasında, genişleyen (hacmi artan) gaz pistonun iş yapmasına neden olur. Gaz genişlemesi, yüksek sıcaklıktan ısının absorbe edilmesi ile ilerler.
2. Gazın tersinir adyabatik genişlemesi:Bu adımda piston ve silindirin ısıl olarak yalıtılmış olduğu kabul edilir, bu nedenle ısı kaybı yoktur. Gaz genişlemeye ve iş yapmaya devam eder. Gaz genişleme nedeni ile TC sıcaklığına soğur.
3. TC sıcaklığındaki ’’soğuk’’ gazın tersinir izotermal sıkıştırılması (İzotermal ısı atılması):Bu anda çevresine iş vermiş durumdaki gaz, düşük sıcaklığa doğru ısı çıkışına neden olur.
4. Gazın tersinir adyabatik olarak sıkıştırılması:Yine piston ve silindir ısıl olarak yalıtılmış kabul edilir. Bu adımda yapılan iş gaz üzerinde sıkıştırılmaya ve sıcaklığının TH sıcaklığına yükselmesine sebep olur. Bu noktada gaz ilk basamaktaki başlangıç haline dönmüştür.
Carnot çevriminin mümkün olan en verimli çevrim olmasının sebebi, tamamen tersinir adımlardan oluşmasıdır. Adımların hiçbirinde, aralarında sıcaklık farkı bulunan iki sistem arasında ısı alış-verişi gerçekleşmez. Dolayısıyla, her adımdaki ve toplamdaki entropi değişimi sıfırdır.
Rankine çevrimi, termodinamik bir çevrimdir. Diğer termodinamik çevrimler gibi, Rankine çevriminin maksimum verimi de, Carnot çevriminin maksimum verimli hesaplanması ile elde edilir. Rankine çevrimi adını William John Macquorn Rankine’den alır.
{Rankine} çevrimi buhar kullanılan enerji santralleri için ideal çevrimdir. Bu çevrimde yapılan suyun kızgın buhar haline getirilmesi ve tekrar kondenserde doymuş sıvı haline getirilmesi Carnot çevriminde uygulamada karşılaşılan pek çok zorluğuda ortadan kaldırır.
Rankine çevriminin adımları dört aşama ile gösterilir, her adımda çalışma akışkanının hal değişimleri ifade edilir.
Burada çevrimin ideal şartlarda olduğu varsayılır. Ama gerçek şartlarda çevrimin pompa ile sıkıştırma ve türbinde genişleme aşamaları izentropik değildir. Bu aşamalarda izentropide artış meydana gelir. Bundan dolayı gerçekte pompa için gereken güç ihtiyacı artar ve türbinden elde edilen iş azalır.
* 4-1 Önce çalışma akışkanı, düşük basıçtan, yüksek basınca pompalanır. (İdeal şartlarda izentropik olarak ) Pompalama için güç girişine ihtiyaç vardır. (Örneğin mekanik veya elektirik gücü)
* 1-2 Yüksek basınçlı sıvı bir ısıtıcıya girer, bir dış ısı kaynağı ile sabit basınçta kızdırılmış buhar halini alana dek ısıtılır.Genelde ısı kaynağı olarak , kömür, doğal gaz veya nükleer güç kullanılır.
* 2-3 Kızgın buhar, türbin boyunca genişler ve güç çıkışı oluşturur.İdeal şartlarda, bu genişleme izentropiktir. Bu olay buharın basınç ve ısı kaybetmesine sebep olur.
* 3-4 Buhar daha sonra kondensere girer, doymuş sıvı halini alana kadar soğutulur. Bu sıvı daha sonra tekrar pompaya girer ve çevrim tekrar eder.
Brayton çevrimi, genel olarak gaz türbinlerinde kullanılan, periyodik bir prosesdir. Diğer içten yanmalı güç çevrimleri gibi açık bir sistem olmasına rağmen; termodinamik analiz için egsoz gazlarının içeri alınıp tekrar kullanıldığı farzedilir ve kapalı bir sistem gibi analize uygun hale gelir. İsmini George Brayton’dan almıştır. Aynı zamanda Joule çevrimi olarak da bilinir.
Çalışma Modeli : Bir Brayton tip makine şu üç elemanı içerir:
* Gaz kompresörü
* Karışım odacığı
* Genleştirici
19. yüzyıldaki orijinal Brayton makinesinde çevre havası , kompresör pistonuna girer, burada basınçlandırılır.(Teorik olarak izentropik bir işlemdir.)Sıkıştırılmış hava daha sonra karışım odacığı boyunca ilerler, yakıt ilave olur.(Bu da sabit basıçta olan bir prosesdir.) Isıtılmış, basınçlandırılmış hava ve yakıt karışımı daha sonra genişleme silindiri içinde alev alır ve enerjisini verir, piston/silindir boyunca genişler.(Teorik olarak yine izentropik bir prosestir.) Piston/silindir ile elde edilen işin bir bölümü kompresöre güç sağlamak için bir mil düzeneği aracılığı ile kullanılır.
{Brayton} çevrimi günümüzde en çok gaz türbinli makinelerde kullanılır. Burada da yine üç eleman vardır:
* Gaz kompresörü
* Brülör (Yakıcı) veya yanma odası
* Genleşme türbini
Burada da çevre havası kompresöre girer ve basınçlandırılır.(Teorik olarak izentropik prosestir.) Basıçlı hava yanma odasına girer, yakıtın yanması ile hava ısıtılır. (Sabit basınçta gerçekleşen proses). Hava açık olan yanma odası boyunca akış yapar.(Girer ve çıkar) Basınçlı ve ısıtılmış hava, enerji vererek, türbin veya türbinler boyunca genişler ve iş elde edilir.(İzentropik proses) Türbinden elde edilen işin bir kısmı ile kompresöre güç verilir.
Ne sıkıştırma, ne de genişleme gerçekte izentropik olamaz, kompresör ve genleştirici boyunca kayıplar, verim kaybını kaçınılmaz kılar. Genelde, sıkıştırma oranındaki artış, bir Brayton sisteminin tüm çıkış gücünü arttırmak için en çok kullanılan yoldur.
Dizel çevrimi
Dizel Motoru, içten yanmalı bir motor tipidir. Daha özel bir tanımla, dizel motor oksijen içeren bir gazın (genellikle bu atmosferik havadır) sıkıştırılarak yüksek basınç ve sıcaklığa ulaşması ve silindir içine püskürtülen yakıtın bu sayede alev alması ve patlaması prensibi ile çalışan bir motordur. Bu yüzden benzinli motorlardan farklı olarak ateşleme için bujiye ve yakıt oksijen karışımını oluşturmak için karbüratöre ihtiyaç yoktur.
1892 de Alman Mühendis Rudolf Diesel tarafından bulunmuş ve daha sonra 23 Şubat 1893 te patenti alınmış bu süreç dizel çevrimi olarak bilinir. Diesel, motoru kömür tozu dahil çeşitli yakıtların kullanımına yönelik olarak tasarlamıştır. Motorun sunumunu 1900’deki Dünya Fuarı�nda, yakıt olarak yer fıstığı yağı (Biodizel) kullanarak yapmıştır.
Miller çevrimi
Miller çevrimi, 4 zamanlı içten yanmalı motorlarda kullanılan bir yanma prosesidir. Miller çevriminin patenti 1940’lı yıllarda Amerikalı mühendis Ralph Miller tarafından alınmıştır. Bu motor tipi ilk kez gemilerde ve güç üretim istasyonlarında kullanılmış fakat daha sonra Mazda firması tarafından otomotive adapte edilmiş, Subaru tarafından hibrid modellerde kullanılmıştır.
Geleneksel 4 zamanlı Otto çevriminde, sıkıştırma (kompresyon) ve güç (yanma) stroklarında, yüksek güç ihtiyacı vardır. Motordaki güç kaybının çoğu, kompresyon stroku esnasındaki sıkıştırma görevi için ihtiyaç duyulan enerji nedeniyle olur. O yüzden sistem verimliliğini arttırabilmek için bu ihtiyacı indirgemek gerekir. Miller çevriminde, giriş valfi, normalden daha uzun açık kalır. Piston normalde kompresyon strokunda yukarı doğru hareket eder, bu işlem ile sıkıştırma başlar normalde valf kapanır. Tipik olarak bu işlem için güç kaybı olacaktır, fakat Miller çevriminde piston kompresörden (supercharger veya blower olarak da bilinir) hava ile beslenmiş olarak sıkıştırma yapar. Giriş valfi daha uzun süre açık kaldığından, sıkıştırma strokunun bir kısmında, sıkıştırma işi silindir duvarlarının basıncından çok kompresör basıncına karşı yapılır. Bu etki verimi % 15 civarı arttırır.
Genel olarak Miller çevrimi, düşük kompresyon oranı ile kompresyon strokunu kısaltır, kompresör ile sıkıştırılımış ve arasoğutucu (intercooler) ile soğutulumuş hava sayesinde yanmayı iyileştirir.Bu yöntem, bazı modern Atkinson çevrimli motorlarda da kullanılır, fakat kompresör yoktur. Bu motorlar genelde hibrid motorlardır, verimi arttırmak için güç kaybını karşılama işi bir elektrik motoru ile yapılır.
Kalina çevrimi
Kalina çevrimi, ısı enerjisini mekanik güce çevirmek için en az iki farklı komponentden oluşmuş çalışma akışkanından faydalanan bir termodinamik çevrimdir. Bu komponentlerin arasındaki oran termodinamik geri dönüşümü ve termodinamik verimi arttırmak için sistemin farklı bölümlerinde değişiklik gösterebilir. Kalina çevrim sistemleri ısı kaynağının tipine göre çok çeşitli şekillerde özel olarak uygulanabilir.
Örnek olarak; Kalina çevriminin güç istasyonları ve enerji dönüşümü için yapılan uygulamasında; % 70 amonyak ve % 30 sudan oluşan bir çalışma akışkanı kullanılması ile geleneksel Rankine çevriminin üzerinde verim artışı sağlanabilmiştir.
Otto çevrimi
Benzinli motorun çalışma prensibini oluşturan çevrim dört zamanlı çevrim ya da Otto Çevrimi olarak da anılır. Bu çevrim 1876 yılında Alman mühendis Nikolaus Otto tarafından bulunmuştur.Çevrim dört aşamadan oluşur
1. Emme: Karbüratörden gelen benzin-hava karışımı, emme sübabının açılması ile silindir içine çekilir.
2. Sıkıştırma: Piston yukarı çıkarak benzin-hava karışımını sıkıştırır.
3. Yanma: Sıkışan ve ısınan karışım, bujiden çıkan kıvılcım ile tutuşur. Oluşan patlama ilee piston aşağı doğru itilir.Hareket gücü bu aşamada üretilmiş olur.
4. Egsoz: Bu aşamada ise pistonun yukarı hareketi ile yanma sonucu oluşan gazlar egsoz sübabından dışarı atılır ve bir çevrim tamamlanarak, diğer çevrim yeniden başlar.
Stirling çevrimi
{Stirling} motoru, sıcak hava motoru olarak da bilinir.Dıştan yanmalı motorlu bir ısı makinesi tipidir. Isı değişimi prosesi, ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal verime yakın olmasına izin verir. (Carnot çevriminin pratik olarak uygulanması ile)
1816 yılında İskoç rahip Reverent Robert Stirling tarafından icat edilmiştir. Motoru geliştirme işini daha sonra mühendis olan kardeşi James Stirling devam ettirmiştir. Mucitler, zamanın buhar makinelerine güvenilir bir alternatif oluşturmayı öngörmüştür. Buhar makinelerinin kazanları sık sık yetersiz malzeme kullanımı ve buharın yüksek basıncı nedeniyle patlıyordu. Stirling motorları sıcaklık farkını direkt olarak harekete dönüştürecekti.
Alıntıdır
Termodinamik çevrimler için yorumlar kapalı