MühendislikTermodinamik

Brayton Çevrimi Nedir ?

0
Brayton çevrimi

Brayton çevrimi, ilk olarak Amerikalı bir mühendis olan George Brayton’un geliştirdiği yağ yakan pistonlu motorların çalışma prensibinin temelini oluşturmak adına ortaya konmuştur. Günümüzde ise Brayton çevriminin kullanımı kompresör, gaz türbinleri ve jet motorları ile sınırlıdır.

Gaz Türbini Çevrimi

Gaz türbinleri genelde açık bir çevrimde çalışır. Çevre koşullarından kompresör vasıtasıyla çekilen hava sıkıştırılarak sıcaklığı ve basıncı arttırılır. Yüksek basınçlı bu hava ise yakıtların sabit bir basınç altında yakıldığı yanma odasına girer. Yanma odasında yüksek sıcaklığa ulaşan gazlar, enerjisini türbin üzerine aktararak yararlı iş üretmiş olur. Daha sonra ise atık gazlar ise atmosfere atılarak açık çevrim tamamlanmış olur.

İdeal Brayton Çevrimi

Yukarıda anlattığımız çevrimi bir kapalı bir çevrim olarak ele alalım. Kapalı çevrimde sıkıştırma ve genişleme işlemleri aynı kalmaktadır. Ancak yanma işlemi sisteme sabit basınçta ısı verilmesi, egzoz işlemi de çevreye sabit basınçta ısı verilmesi olarak değişmektedir. Aracı akışkanın dolaştığı bu kapalı çevrim Brayton Çevrimi olarak adlandırılır ve 4 farklı hal değişim aşamasından meydana gelmektedir.

Yukarıda şeması verilen kapalı Brayton çevrimi kompresör, ısı değiştiricisi  ve türbinden oluşmaktadır. Kompresöre giren hava sıkıştırılarak sıcaklığı ve basıncı yükseltilir. Daha sonra bu hava ısı değiştiricisine girer burada ise sisteme giren ısı ile havanın sıcaklığı maksimum noktaya ulaşır. Enerjisi yüksek bu hava türbini hareket ettirip iş üretir. Daha sonra da bu hava son ısı değiştiricisinde tamamen soğutularak çevrim tamamlanır.

Brayton Çevrimi Basınç-Hacim Diyagramı
Brayton Çevrimi Basınç-Hacim Diyagramı
Brayton Çevrimi Sıcaklık-Entropi Diyagramı
Brayton Çevrimi Sıcaklık-Entropi Diyagramı
  • 1-2: Kompresör içerisindeki izantropik (ısı alışverişinin olmadığı entropinin sabit kaldığı durum) sıkıştırma ile entropi sabit kalarak basınç ve sıcaklık artar, hacim ise düşer.
  • 2-3: Sisteme sabit basınç altında ısı girişi ile entropi ve sıcaklık büyük oranda artar.
  • 3-4: Türbinde meydana gelen izentropik genişleme ile entropi sabit kalarak sıcaklık ve basınç düşer, hacim artar.
  • 4-1: Çevreye sabit basınç altında ısı geçişi ile entropi ve sıcaklık düşer.
İlgini Çekebilir  Mühendislerin İzlemesi Gereken En İyi 15 Film

Brayton Çevrimi Enerji Korunum Denklemi ve Isıl Verimi

Kinetik ve potansiyel enerji değişimleri yok sayıldığı zaman açık çevrimli brayton çevrimi için enerji korunumu denklemi aşağıdaki gibi yazılır.

q-w= hç – hg

Özgül ısıların (bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 C° arttırmak için verilmesi gereken ısıdır.) oda sıcaklığı altında sabit olduğu kabul edilirse, sisteme ve çevreye olan ısı geçişleri aşağıdaki gibi yazılabilir.

qg=q23 = h3 – h2 = Cp (T3-T2)

qç=-q41 = h4 – h1 = Cp (T4-T1)

Verilen bu denklemler kullanılarak da ideal brayton çevrimi verimliliği aşağıdaki gibi yazılır.

wnet=qg – qç

ηth= wnet/ qg = qg – qç / qg 

ηth,Brayton = 1 – qç / qg

wnet= Yapılan net işi ifade eder.

qg = Sisteme giren ısı miktarı

qg =Çevreye aktarılan ısı miktarı

ηth,Brayton= İdeal Brayton çevrimi Termal (ısıl) verimliliği

Basınç Oranı ve Özgül Isı

Otto çevrimindeki sıkıştırma oranı gibi brayton çevriminde de gaz türbinleri için basınç oranı (r vardır ve aşağıdaki denklemdeki gibi ifade edilir.

rp=P2/P1

  • rp= Basınç oranı
  • P2 = Çevrimdeki ikinci noktadaki basınç değeri
  • P1 = Çevrimdeki birinci noktadaki basınç değeri
İlgini Çekebilir  Tersinir ve Tersinmez Hal Değişimleri

Türbin basınç oranı ve akışkanın özgül ısı oranı olan k değeri ile de termal verim ilişkisi kurulabilir. Bu değerlere göre termal verim aşağıdaki formüldeki gibidir.

ηth,Brayton= 1 – 1/rp (k-1)/k

Yukarıdaki denkleme göre soğuk hava standartları altında ideal Brayton çevrimi termal verimi gaz türbininin basınç değerine ve akışkanın özgül ısı oranına bağlıdır. Termal verim bu iki parametre ile doğru orantılı olarak artar. Brayton çevrimi termal verimliliği ile basınç oranı grafiği (oda sıcaklığında havanın özgül ısısı k=1.4 alınmıştır.) aşağıdaki gibidir.

Brayton çevrimi ısıl verimi ve türbin basınç oranı grafiği
Brayton çevrimi ısıl verimi ve türbin basınç oranı grafiği

Çevrimdeki maksimum sıcaklık yanma işleminin sonunda(grafiğe göre 3.işlem) meydana gelir ve bu sıcaklık türbin bıçaklarının dayanabildiği maksimum sıcaklıkla sınırlıdır. Türbin bıçakları ayrıca çevrimde kullanılan basınç oranını da kısıtlar. Aşağıdaki grafikte görüldüğü gibi sabit bir türbin için T3 giriş sıcaklığı ve yapılan net iş Wnet basınç oranı ile artar ve maksimum noktaya ulaşır ardından da düşmeye başlar. Bu yüzden basınç oranı ile net iş çıkışı arasında bir uyum olması gerekir. Çevrim başına daha düşük iş çıkışı ile daha büyük bir kütle akış oranını ekonomik olmayan aynı güç çıkışıyla sürdürmek gerekir. En yaygın tasarımlarda gaz türbinlerinin basınç oranı aralığı 11 ile 18 arasındadır.

Sonuç

Sonuç olarak Brayton çevrimi, sanayi devriminden bu yana kompresör ve türbin teknolojisinin çalışma prensibinin ortaya konmasında ve bunların verimlilik çalışmalarının yapılıp daha yüksek ısıl verimler elde edilmesinde büyük rol oynamıştır.

Kaynak:Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik

İlgini Çekebilir  Termodinamik Nedir? Nerelerde Kullanılır ?
Emre LEBLEBİCİOĞLU
Emre LEBLEBİCİOĞLU, 1993 yılının Ekim ayında Adana'nın Seyhan ilçesinde doğdu. İlk,orta ve lise öğrenimini burada tamamladı. 2011 yılında Karabük Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği bölümünü kazandı. 2012 yılında ise yine aynı üniversite de Mekatronik Mühendisliğinde çift anadal programına başladı. 2014 yılının ilk döneminde Erasmus programı kapsamında Bükreş Politeknik Üniversitesi'nde eğitim aldı. 2015 yılında haziran ayında Enerji Sistemleri Mühendisliğinden, ağustos ayı sonunda ise Mekatronik Mühendisliğinden mezun oldu. Mezuniyetten sonra ise yaklaşık 2 yıl solar enerji sektöründe faaliyet gösterdi. Askerlik vazifesini de yedek subay olarak tamamladı. Şuan da ise Marmara Üniversitesi İngilizce Makine Mühendisliği bölümünde tezli yüksek lisans yapmaktadır. İleri seviyede İngilizce ve başlangıç düzeyinde Almanca bilmektedir.

En İyi 11 Ücretsiz Android Oyunu 2018

Önceki Yazı

En İyi 10 Android Eğitim Uygulaması

Sonraki Yazı

Yorum

Cevap Yaz

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Bunları da beğenebilirsiniz

Bu konuda daha fazla Mühendislik