Bu yazımızda günümüzde elektrik üretiminde çok büyük bir paya sahip termik santrallerin temelini oluşturan bir termodinamik çevrimi olan Rankine çevrimi, verimi ve aşamalarını derledik.
Rankine Çevrimi
Rankine çevrimi, buhar türbinli sistemlerin performansını tahmin etmek için kullanılan bir modeldir. Aynı zamanda pistonlu buhar makinelerinin performansını incelemek içinde kullanıldı. Rankine çevrimi, faz değişimi sürerken ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren bir ısı makinesinin idealleştirilmiş bir termodinamik çevrimidir. Isı enerjisi, genellikle aracı akışkan olarak su kullanan kapalı bir çevrime verilir. Çevrim adını İskoç bilim adamı ve Glasgow Üniversitesi profesörü William John Macquorn Rankine’den almıştır.
Tanımı
Rankine çevrimi, termik güç üretim santrallerinde yaygın olarak kullanılan buharla çalışan ısı makinelerinden elde edilen enerjiyi yakından tanımlamaktadır.
Elde edilen güç, bir sıcak kaynak ve bir soğuk kaynak arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır. Carnot teoremine göre sıcaklık farkı ne kadar yüksekse, daha fazla mekanik enerji ısı enerjisinden verimli şekilde elde edilebilir.
Verimi
Rankine çevriminin verimliliği, aracı akışkanın yüksek buharlaşma ısısı ile sınırlıdır. Ayrıca, buhar kazanı içerisindeki basınç ve sıcaklık değerleri süper kritik seviyelere ulaşmadıkça, çevrimin çalışabileceği sıcaklık aralığı oldukça küçüktür: buhar türbini giriş sıcaklıkları genellikle 565 °C ve buhar kondenseri sıcaklıkları 30 °C civarındadır. Bu, kömürle çalışan modern bir güç santrali için %42’ye varan gerçek bir genel termal verim ile karşılaştırıldığında, tek başına bir buhar türbini için yaklaşık olarak %63.8 değerinde teorik bir maksimum Carnot verimi sağlar. Bu düşük buhar türbini giriş sıcaklığı (bir gaz türbini ile karşılaştırıldığında), Rankine (buhar) çevriminin sıklıkla gaz türbinli kombine çevrim enerji santrallerinde atılan ısıyı geri kazanmak için bir alt çevrim olarak kullanılmasının nedenidir.
Soğutma Sistemi ve Çalışma Sıvısı
Bu santrallerde kullanılan soğutucu kaynak (ne kadar soğuksa o kadar iyi) genellikle soğutma kuleleri ve büyük su kütleleridir (nehir veya deniz). Rankine çevriminin verimi, soğuk tarafta aracı akışkanın alt pratik sıcaklığı ile sınırlıdır. Rankine çevrimi içerisinde bulunan aracı akışkan kapalı bir çevrimi takip eder ve sürekli olarak tekrar kullanılır. Yoğunlaşmış damlacıklar içeren su buharı, soğutma sistemi tarafından meydana getirilir, genellikle elektrik santrallerinden dalgalanmalar halinde görülür. Bu ”atık ısı”, aşağıda görülen T-s diyagramında gösterilen çevrimin alt tarafında ”Qçıkış” olarak temsil edilir. Soğutma kuleleri, aracı akışkanın buharlaşma ısısını absorbe eder ve aynı zamanda soğutma suyunu atmosfere buharlaştırarak büyük bir ısı eşanjörü görevi görür.
Rankine çevriminde çalışma sıvısı olarak birçok madde kullanılabilirken, su, toksik olmaması, reaktif kimyaya sahip olmaması, bol bulunması ve düşük maliyetli olması gibi uygun özellikleri, hem de termodinamik özellikleri nedeniyle genellikle tercih edilen sıvıdır. Aracı akışkan buharını bir sıvıya yoğunlaştırmak suretiyle türbün çıkışındaki basınç düşürülür. Böylece, besleme pompasının çalışması için gerekli enerji, türbin çıkış gücünün %1′ ile %3’nü kapsar ve bu faktörler, çevrimin veriminin artmasını sağlar. Bunun yararı ise türbine gelen düşük buhar sıcaklığı ile dengelenir. Gaz türbinleri, örneğin 1500 °C’ye kadar ulaşan türbin giriş sıcaklıklarına sahiptir. Bununla birlikte, gerçekte büyük buhar güç santralleri ve büyük modern gaz türbini santrallerinin termal verimliliği benzerdir.
Rankin Çevrimi Aşamaları
Rankine çevrimi 4 aşamadan oluşmaktadır. Bu aşamalar, yukarıda gösterilen T-s diyagramında numaralandırılarak tanımlanmıştır(kahverengi).
- Aşama 1-2: Çalışma sıvısı (aracı akışkan) düşük basınçtan yüksek basınca pompalanır. Burada akışkan sıvı halde olduğundan dolayı pompaya az miktarda enerji girişi gerekir.
- Aşama 2-3: Yüksek basınçtaki sıvı kazana giriş yapar, burada doymuş kuru buhar haline gelmesi için büyük bir ısı kaynağı tarafından sabit basınçta ısıtılır. Gerekli olan giriş enerjisi miktarı, entalpi-entropi tablosu (h-s grafiği veya Mollier diyagramı) kullanılarak ya da sayısal olarak, buhar tabloları kullanılarak grafiksel olarak kolayca hesaplanabilir.
- Aşama 3-4: Doymuş kuru buhar fazındaki çalışma sıvısı enerji üreten bir türbin boyunca genleşir. Bu akışkanın ve buhar basıncını düşürür ve biraz yoğuşmaya neden olabilir. Bu süreçteki veriler, yukarıda belirtilen grafik ve tablolar kullanılarak hesaplanabilir.
- Aşama 4-1: Islak buhar kondensere (yoğuşturucu) giriş yapar, burada bir doymuş sıvı haline gelmesi için sabit basınçta yoğuşturulur.
İdeal Rankine çevriminde pompa ve türbin izentropik olacaktır. Bu sayede pompa ve türbin entropi üretmeyecek ve dolayısıyla yapılan iş maksimum olacaktır. Aşama 1-2 ve 3-4’teki süreçler T-s diyagramı üzerinde dikey çizgilerler temsil edilir ve Carnot çevrimi‘ne daha çok benzer. Burada gösterilen Rankine çevrimi, türbinde genleştikten sonra buharın aşırı ısınma bölgesinde yoğunlaşmasını önler, bu da kondenserde oluşan enerji kaybını azaltır.
Gerçek buhar çevrimi, akışkanın sistemdeki sürtünmesi ve çevreye olan ısı kaybının neden olduğu iç bileşenlerde tersinmezlikler nedeniyle ideal Rankine çevrimi nden farklıdır. Sürtünme buhar kazanı, kondenser ve bileşenler arasındaki bağlantıyı sağlayan borularda basınç kayıplarına neden olur ve sonuç olarak buhar, buhar kazanından düşük bir basınçta çıkar. Isı kaybı yapılan net işi azaltır, bu nedenle buhar kazanında buhara ısı verilmesi yapılan net işin seviyesini korumak için gereklidir.
Değişkenler
- Q : Sisteme veya sistemden ısı akış miktarı (birim zamandaki enerji)
- ṁ : Kütlesel debi miktarı (birim zamandaki kütle)
- W: Sistem tarafından harcanan ya da sağlanan mekanik enerji miktarı (birim zamandaki enerji)
- ηtermal : Sürecin termodinamik verimi ( Thermodynamic efficiency of the process (ısı girişi başına yapılan net iş, boyutsuz)
- ηpompa, ηtürbin : Sıkıştırma (besleme pompası) ve genleşme (türbin) aşamalarının izentropik verimi, boyutsuz
- h1,h2,h3,h4 :T-s diyagramı üzerinde noktalar ile belirlenmiş entalpi değerleri
- h4s :Türbin izentropik ise akışkanın son entalpisi
- p1,p2 : Sıkıştırmadan önce ve sonraki basınç değerleri
Denklemler
Genel olarak, basit bir Rankine çevrimi ‘nin verimi aşağıdaki gibi yazılabilir,
Sonraki dört denklemin her biri, bir kontrol hacmi için enerji kütle dengesinden elde edilir. , yapılan net işin ısı girişine oranı olarak çevrimin termodinamik verimini tanımlar. Pompanın çalışması için gerekli enerji, türbinin ürettiği enerjinin yaklışık %1’ini oluşturduğundan basitleştirilebilir.
Türbin ve pompa verimlerini ele alırken, çalışma koşulları göz önünde bulundurularak ayarlama yapılmalıdır:
Gerçek Rankine Çevrimi (İdeal Olmayan)
Gerçek bir enerji santrali çevriminde ( Rankine çevrimi sadece ideal çevrim için kullanılır), pompa tarafından yapılan sıkıştırma işlemi ve türbinde gerçekleşen genleşme izentropik değildir. Diğer bir deyişle, bu süreçler tersinir değildir ve her iki aşamada entropi artmaktadır. Bu durum, pompanın çalışması için gerekli olan enerji miktarını arttırır ve türbin tarafında üretilen enerjiyi azaltır.
Özellikle, buhar türbininin verimi su damlacıklarının oluşumu ile sınırlı olacaktır. Su yoğunlaştıkça, su damlacıkları yüksek hızda türbin kanatlarına çarpar, çukura ve erozyona neden olur. Bu durum türbin kanatlarının ömrünü ve türbin verimini yavaş yavaş düşürür. Bu sorunun üstesinden gelmenin en kolay yolu, buharı aşırı ısıtmaktır. Yan tarafta görülen T-s diyagramında, 3 numaralı aşama, buhar ve su karışımı iki fazlı bir sınırdadır. Bu nedenle genleşmeden sonra buhar çok ıslak olacaktır. Aşırı ısınma ile, diyagram üzerinde 3 numaralı aşamada sağa (ve yukarı) hareket edecek ve bu sayede genleşmeden sonra daha kuru bir buhar elde edilir.
Organik Rankine Çevrimi
Organik Rankine çevrimi ‘nde (ORC), su ve buhar yerine n-pentan veya tolüen gibi organik bir sıvı kullanılır. Bu, ortalama olarak 70-90 °C civarında çalışan güneş göletleri gibi düşük sıcaklıktaki ısı kaynaklarının kullanılmasına izin verir. Çevrimin verimi, düşük sıcaklığına bağlı olduğu için sonuç olarak çok daha düşüktür, ancak bu düşük sıcaklıkta ısı kazanımındaki düşük maliyet nedeniyle daha faydalı olabilir. Alternatif olarak, suyun kaynama sıcaklığından daha yüksek kaynama sıcaklığına sahip sıvılar kullanılabilir ve bu termodinamik olarak yararlı olabilir.
Rankine çevrimi , aracı akışkanı bu tanımda kısıtlamamaktadır. Bu nedenle, ”organik çevrim” ismi sadece bir pazarlama tekniğidir ve organik Rankine çevrimi ayrı bir termodinamik çevrim olarak görülmemelidir.
Süperkritik Rankine Çevrimi
Süperkritik bir sıvı kullanılarak uygulanan Rankine çevrimi , ısı rejenerasyonu kavramlarını birleştirir ve süperkritik Rankine çevrimi, rejeneratif süperkritik çevrim (RGSC) adı verilen birleşik bir sürece dönüşür. Bu çevrimde sıcaklık kaynakları 125-140 °C için optimize edilir.
Kaynak: Wikiwand