YAZILARINIZI GÖNDERİNİZ

Haber, makale, firma ya da ürün incelemelerinizi bekliyoruz.

YAZARIMIZ OLUN

Düşüncelerinizi Özgürce Duyurun, Paylaşın.

İdeal Gaz Çevrimleri

| 6 Ağustos 2016

İdeal gaz çevrimleri carnot çevrimi ve pistonlu motorların teorik çevrimleri (Otto, diesel, karma,stirling, ericsson) olarak 2 ana gruba ayrılmıştır.

İdeal Gaz Çevrimleri

İdeal Gaz Çevrimleri

A) Carnot Çevrimi:

Bu çevrim 1824 yılında Fransız bilim adamı Nicolas Leonard Sadi Carnot tarafından ortaya atılan çevrimdir. Isı makinelerinin ideal çevrimi olarak kabul edilmektedir. Carnot çevriminin P-v ve T-s diyagramı şekildeki gibidir.

Carnot Çevrimi

Şekilde görüldüğü gibi çevrim, iki izentropik ve iki izotermik işlemden meydana gelmektedir. Çalışma maddesine dışarıdan iş verilerek 1-2 noktaları arasında izotermik (TL=sabit) ve 2-3 noktaları arasında izentropik olarak sıkıştırılmakta; sıcaklığı ve basıncı artan çalışma maddesi, 3-4 noktaları arasında izotermik (TH=sabit) ve 4-1 noktaları arasında da izentropik olarak genişleyerek iş yapmaktadır. Bilindiği gibi, sıkıştırılan bir gazın basıncı ve sıcaklığı artmakta, bunun aksine, genişleyen bir gazın da basınç ve sıcaklığı azalmaktadır. 1-2 noktaları arasında sıkıştırmaya bağlı olarak artma eğiliminde olan sıcaklığın (TL) sabit kalabilmesi için, sistemin soğutulması yani sistemden ısı atılması, 3-4 noktaları arsında ise, genişlemeye bağlı olarak azalma eğiliminde olan sıcaklığın (TH) sabit kalmasını sağlamak için de sisteme ısı verilmesi gerekmektedir. Carnot çevrimi, teorik olarak, kapalı veya sürekli akışlı açık bir sistemde gerçekleştirilebilir.

Sitemden atılan ısı miktarı QL= Q2= mRTL.ln(v1/v2) , siteme verilen ısı miktarı da QH=Q4=mRTH.ln(v4/v3) eşitlikleriyle hesaplanabilir. Çevrimin ısıl verimi den nt=1-QL/QH bağıntısından bulunur. Buradan da izentropik durum için Carnot çevriminin ısıl verimi ncarnot=1-TL/TH bağıntısı elde edilir.

Örnek:

Şekilde şematik olarak gösterilen Carnot ısı makinesi, 627 C sıcaklıktaki bir sıcak kaynaktan 500 kJ ısı almakta ve 27 C sıcaklıktaki soğuk kaynağa ısı vermektedir. Bu makinenin ısıl verimini ve soğuk kaynağa verilen ısı miktarını hesaplayınız.

Carnot Çevrimi Örnek

Çözüm:

ncarnot=1 – (27+273)/(627+273)=0,667 veya %66,7 bulunur. Buradan da ısı miktarı QL=QH(TL/TH)=500(300/900)=166,67 kJ olur.

B) Pistonlu Motorların Teorik İdeal Gaz Çevrimleri

1) Sabit Hacim (Otto) Çevrimi:

Sabit hacim çevrimi, ilk defa 1862 yılında Beau de Rochas tarafından açıklanmış olmakla birlikte, çevrimin uygulaması ilk olarak1876 yılında Nikolaus August Otto tarafından yapılmıştır. Otto, aynı yılda, sıkıştırmalı, dört zamanlı, pistonlu içten yanmalı ilk motoru piyasaya sürmüştür. Otto çevriminin P-v ve T-s grafiği şekildeki gibidir.

Otto Çevrimi

Otto motorunun ısıl (termik) verimi nt=1- (T4-T1)/(T3-T2) bağıntısından bulunabilir. Verim sıkışma oranına (ε) bağlı olarak nt= 1- 1/(εk-1) şeklinde de belirtilebilmektedir. Burada v1/v2=ε dur. Buna göre sıkışma oranı arttığında verim artmaktadır.

2)Sabit Basınç (Diesel) Çevrimi:

Rudolf Deisel 1892 yılında kendi adıyla anılan bir motor üretmiş ve patent almıştır. Bu motorun çevrimine Deisel çevrimi denmektedir. Otto motorunda hava ve yakıtın birlikte sıkıştırılması verimi düşürmekte idi. Dizel motorunda hava ve yakıt ayrı ayrı sıkıştırılarak verim artışı sağlanmaktadır. Bu motor ε=24/1 sıkıştırma oranına kadar olanak sağlamaktadır. Bu çevrim, bir sabit basınç, bir sabit hacim ve iki izentropik işlemden meydana gelmektedir. Çevrimin P-v ve T-s diyagramı aşağıdadır.

Diesel Çevrimi

Diesel çevriminde hacimsel sıkışma oranı ε=v1/v2, sabit basınçta genişleme oranı (ön genişleme oranı) p=(v3/v2)=(T3/T2) şeklindedir. Diesel çevriminin ısıl verimi isen t= 1- 1/(εk-1) * (pk-1)/(k(p-1)) bağıntısıyla bulunur.

3)Karma Çevrim:

Günümüz modern dizel motorlarında yanmanın ilk aşaması sabit hacime yakın olurken, son aşaması yaklaşık olarak sabit basınçta gerçekleşmektedir. Siteme ısının bir kısmının sabit hacimde, geri kalanının da sabit basınçta verildiği çevrime karma çevrim denir. Bu çevrimin P-V ve T-S diyagramları aşağıdaki gibidir.

Karma Çevrimi

Karma çevrimde hacimsel sıkıştırma oranı ε=v1/v2, sabit hacimde basınç artış oranı λ= (P3/P2)=(T3/T2) ve sabit basınçta genişleme (ön genişleme) oranı p=(v4/v3)=(T4/T3) dür. Bu durumda ısıl verim t= 1- 1/(εk-1) * (λpk-1)/[(λ-1)+kλ(p-1)] şeklindedir.

4)Stirling Çevrimi:

R.Stirling (1816) tarafından tasarlanan, dıştan ısı vermeli stirling motorunun teorik çevrimine ait P-v ve T-s diyagramları, şekildeki gibidir.

Stirling Çevrimi

Çevrim, iki izoterm ve iki sabit hacim işleminden oluşmaktadır. Kapalı bir silindir içerisinde bulunun çalışma maddesine ısı, özel bir ısı eşanjörü-ısıtıcı tarafından verilir. Isının dışarıya atılması ise diğer bir ısı eşanjöründen-soğutucudan olmaktadır. Motor için gerekli olan ısı, silindirin dışındaki özel bir yanma odasından sağlanmakta ve burada kesintisiz bir yanma sürdürülmektedir. Bu siteme verilen toplam ısı qs=Cv(TH-TL)+RTa.ln(P2/P1), sitemde işe çevrilen net ısı ise qnet=(TH-TL)R.ln(P2/P1) dir. Bu durumda basit (regeneratörsüz) Stirling çevriminin ısıl verimi de nt=qnet/qs oranından bulunur. Regeneratörlü Stirling çevriminde ise dışarıya atılan ısı, regeneratör yardımıyla tekrar sisteme kazandırılır.

Bu çevrimde siteme verilen toplam ısı qs=Cv(TH-TL)+RTa.ln(P2/P1), işe çevrilen net ısı ise, qnet=(TH-TL)R.ln(P2/P1) dır.

5)Ericsson Çevrimi:

Ericsson çevrimi, izohorların yerini izobarların alması dışında, Stirling çevriminden farksızdır. Bu çevrim günümüz gaz türbinlerinin ideal çevrimi olarak değerlendirilmektedir. Ericsson çevriminin P-V ve T-s diyagramı aşağıdaki gibidir.

Ericsson Çevrimi

Ericsson çevrimine regereratör eklenirse, bu regeneratör 4-1 izobarı boyunca dışarıya atılan ısıyı bünyesinde depolayarak, 2-3 izobarı boyunca tekrar sisteme verir.

İsveçli John Ericsson’un yaptığı motorlar, 19. Yüzyılda, dikkate değer sayıda imal edilmiş ve kullanılmıştır. Bu motorlarda, her çevrim için taze hava alınıyor ve dolaylı yoldan ısıtılıyordu (dıştan yanmalı). Başka bir değimle sistem açık sistemdi. Ericsson, 1853 yılında, yaptığı motorlardan dört tanesini 2200 tonluk bir gemiye dizayn ederek, bu konuda bir ilki başarmıştır.

Kaynak: Mehmet TAŞKAN, İdeal Gaz Çevrimleri

Yorum Yazınız

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir