Enerji Verimliliğine İlişkin En Uygun Teknikler Kaynak Belgesi
Yüklə 4,67 Mb.
|
|
eşittir. dS cv ∑ dt
Değişim oranı
j Tj 132
Isı içerisinde Entropi
transfer oranı
. ∑ m i si- ∑ m e se i144 2444 of4e3 oran kütle
içerisinde entropi transfer oranı .
. (W/K)
Denklem 7.15
üretimi
. Qj ise anlık sıcaklığın Tj olduğu durumlarda sınırdaki alanda ısı trasferinin süre oranını gösterir. Qj/Tj oranı entropi transferine karşılık gelen oranı temsil eder. K terimi ise kontrol hacmi içerisinde geri dönüşmezlik sebebiyle entropi üretim süresi oranına denk gelir. 7.1.2.4
7.1.2.4.1 Ekserji analizi ekserji
“0” ölü durum için kullanılır. s 0 ) C 2 / 2 gz (J/kg)
Denklem 7.16 334
Enerji Verimliliği  Ekler
Bir kütle kontrol hacmi sınırları etrafında akarken kütleye ve iş akışına eşlik eden ekserji transferi vardır. Bu işlem; özel akış ekserjisi ya da madde buharının fiziksel ekserjisi olarak adlandırılır: e (h h0 ) T0 ( s s 0 ) C 2 / 2 gz (J/kg) 7.1.2.4.2 Ekserji dengeleri Denklem 7.17 Kapalı sistem için ekserji dengesi enerji ve ekserji dengelerinin kombinasyonuyla elde edilir. Kapalı sistemdeki ekserji değişikliği ısıya eşlik eden ekserji transferine, işe eşlik eden ekserji transferi eksi ekserji tahribatına eşittir. Denklem:
E E 2 E1
Ekserji değişimi
( T0 )Q W-P0 (V2 -V1 ) 1 Tj
Isıya eşlik Eden ekserji transferi 2 Ekserji tarhribatı
{
Ekserji transferi
dt Ekserji Değişim
oranı T0 . dVcv ∑ (1- ) Q j –( W cv -P0 dt ) ∑ m ei -∑ m e ee - Tj i e
Ekserji
Transfer oranı
ekserji tahribat oranı
Denklem 7.19 7.1.2.4.3 İkinci yasa verimliliği: ekserji verimliliği Termal verimlilik ve performans katsayısı termodinakimlerin ilk yasasına dayanır ve en iyi performans değerlerini kaynak olarak almaz. Ancak ekserji verimliliği ya da ikinci yasa verimliliği bu eksikliği telafi eder ve tersine çevrilebilir bir işletim tahmini sağlar. Ekserji verimliliği termodinamik olarak diğerlerinden daha etkin olan enerjinin kullanılması amacıyla araçların ayırt edilmesi bağlamında faydalıdır. Bunlar, termal sistemin performansının artırılması için alınan mühendislik önlemlerinin etkinliğinin değerlendirilmesi için kullanılabilir. Ekserji verimliliği; geri kazanılan ekserji ile temin edilen enerji arasındaki oran olarak genel bir biçimde tanımlanır. = Egeri kazanılan Etemin edilen (boyutsuz) Denklem 7.20 Ekserji verimliliği ifadeleri analiz edilen sisteme bağlı olarak farklı biçimler alabilir. Isı motoru için, temin edilen ekserji motora transfer edilen ısının ekserjisindeki düşüştür. Bu da reddedilen ısı ekserjisi ile temin edilen enerji arasındaki farktır. Net iş çıktısı, geri kazanılan ekserjidir. Dondurucu ya da ısı pompası için temin edilen ekserji iş girdisidir. Geri kazanılan ekserji; ısı pompası için yüksek sıcaklık aracında transfer edilen ısının ekserjisi ve dondurucu için düşük sıcaklık aracından transfer edilen ısı ekserjisidir. Enerji Verimliliği 335
 Ekler
7.1.3
7.1.3.1 Özellik diyagramları, tablolar, veri bankaları ve bilgisayar programları Özellik diyagramları Durum önermelerine göre basit saf maddenin iki durumlu değişkeni belirlenmişse, üçüncüsü de belirlenir. Bu da maddenin durumunun iki bağımsız özellikle bir diyagramda gösterilebileceği anlamına gelir. Bir maddenin başlıca beş özelliği, özellik diyagramlarında şu şekilde gösterilir: basınç(P), sıcaklık (T), özel hacim (v), Özel entalpi (h), özel entropi (s) ve kalite (x) (her iki fazın karışımı müdahilse) . En fazla karşılaşılan özellik diyagramları ise basınç-sıcaklık (P-T), basınç-özel hacim (P-v), sıcaklık-özel hacim (T-v), sıcaklık-(özel) entropi (T-s)ve (özel) entalpi-(özel) entropi (h-s). Bu diyagramlar proseslerin grafiklerle anlatılması açısından faydalıdır. Buna ek olarak, ilk üç diyagram maddenin üç fazı arasındaki ilişkinin açıklanması için faydalı olabilir. Örneğin; Resim 7.1’de yer alan T-s diyagramı. T-s diyagramları termdodinamiklerde yaygın olarak kullanılır çünkü proses geri dönüşmezliklerini görsel olarak açıklamak açısından faydalıdır. Sabit- hacim, sabit- basınç, sabit- entalpi hatları T-s diyagramlarında incelenebilir. T-s diyagramlarındaki dikey çizgiler prosesleri açıklar. izentropik (aynı entropi) sıkıştırma/genleştirme. Kubbe içindeki yatay çizgiler izotermal fazın değiştiği anlamına gelir. (buharlaşma/yoğunlaşma). T v=sabit
p=sabit kritik
nokta h=sabit
p=sabit v=sabit
sıvı sıvı-
sıvı- buhar
buhar BuharBuhar s resim 7.1: Sıcaklık-entropi diyagramı 7.1.3.2 Özellik tabloları, veri bankaları ve simülasyon programları Gerçekte tablolar yeterli değildir. Birçok maddenin termodinamik özelliklerinin belirlenmesi gerekir. (hem saf hem de karışım özellikleri). Aslında karmaşık termodinamik veri bankaları ve ilgili fiziksel özellik modelleri bilgisayarlı enerji simülatörünün kalbidir. Belirsizlikler ya da uygun olmayan veriler uygun enerji çzöümlerinin reddedilmesine neden olabilir. Bu yüzden ithiyaçlar so derece önemlidir. Ancak piyasada önemli sayıda veri tabanı ve bilgisayar programı bulunmaktadır. Birbiriyle çelişen veriler bulunsa bile iyi kriterlerin belirlenmesi sonucunda seçim yapma esnasında sorunlar ortaya çıkmaktadır. Birçok durumda, kalite ve güncel bilgi önemlidir. İdeal olmayan davranışlardan ayrılmanın normal olduğu karışım özellikleri hesaplanırken bu faktörler göz önünde bulundurulur. Bunlara ilişkin veriler American Petroleum Institute, API (US); Beilstein Institute of Organic Chemistry,Beilstein; Design Institute for Physical Property Data, DIPPR of AIChE; Deutsche Gesellshaft 336
Enerji Verimliliği  Ekler
für Chemisches Apparatewesen, Chemische Technik und Biotechnologie e.V., DECHEMA; Physical Property Data Service, PPDS in the U.; ve diğerleri. Örneğin; karışım verilerinin başlıca kaynağı DECHEM iken DIPPR kapsamlı ve saf bileşen verileri sunar. Termodinamik özelliklerinin hesaplanması için kullanılabilecek kapsamlı ve ticari simülasyon programları kolaylıkla bulunabilir. En yaygın kullanılan ticari markalı üç program: ASPEN PLUS, HYSIM, ve PRO/II. Ancak, bu bilgisayar paketleri bir analistin ihtiyacı olan rutin enerji tasarrufu hesaplamalarından çok daha fazlasını içerebilir ya da tam aksine uzmanlık alanını yansıtayabilir. Bu programların kullanımı ve bakımı masraflıdır. Analistin kendi simülasyon çözümlerini ve saf madde özeliklerini oluşturmasına katkı sağlayacak orta dereceli çözümler , EES, Thermoptim, ve BBlocks’dir. Burada önemli olan analistin hangi programın değerlendirmeye değecek olduğunu belirlemesidir. Birçok durumda bu programların ilk aşamada üstünün çizilmesi önerilmez. 7.1.3.3
Verimsizliklerin belirlenmesi Bunlar, Bölüm 1.2.2.6’da yer almaktadır. 7.1.4 Terimler Sembol C E Anlam Hız
Ekserji Ekserji oranı Kütle birimi başına ekserji Toplam ekserji Yerçekimi hızı Entalpi
Geri dönüşmezlik Geri dönüşmezlik oranı Kinetik enerji Kütle
Kütle oranı Basınç
Potansiyel enerji Isı
Isı oranı Entropi
Zaman Sıcaklık İç enerji, enerji Kütle birimi başına iç enerji Hacim Özel hacim İş İş oranı
kaldırma, pozisyon Birim
m/s J J/s J/kg J m/s2 J J/kg
J J/s
J kg kg/s Pa J J J/s J/K
J/(kgK) s K J J/kg
m3 m3/kg
J J m 337 E e ET g H H I, . I KN m . . m P, p PT Q Q S
t T
U V V
. W z Enerji Verimliliği .
Sembol Anlam
Birim - - J/K J/(kgK)
Yunan harfleri Termal verimlilik Entropi üretimi
Çevre koşulları Ele alınan özelliğin ortamalası Kompresör Kontrol hacmi Alt simge 0
C cv 7.1.4.1 Biblografya Anderson, E. E. Thermodynamics. International Thomson Publishing. 1994 Avallone, E. A. Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers. 9th Edition. McGraw Hill. 1978 Bejan, A.; Tsatsaronis, G. and Moran, M. Thermal Design and Optimization. Wiley Interscience. 1996 Çengel, Y. A. and Boles, M. A. Thermodynamics: an engineering approach. International Edition. Mc Graw Hill. 1994 Danner R.P.; Spencer C.F.; Nagvekar M. Thermophysical Properties for Design Simulations in Developments in the Design of Thermal Systems, Ed. By R.F. Boehm, Cambridge Univ. Press, 1997 Hering, E. and Modler, K. Grundwissen des Ingenieurs. München: Carl Hanser Verlag, cop. 2002 Lozano, M.A. and Valero, A. Determinación de la exergía para sustancias de interés industrial. Ingeniería química. Marzo 1986 Moran, M. J. and Shapiro, H. N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 4th Edition. John Wiley & Sons. 2000 Moran, M. J.; Shapiro, H.N.; Munson, and Dewitt. Introduction to thermal systems engineering. John Wiley & Sons. 2003 Moore, W.J. Physical Chemistry, 1974 Perry, R. H. and Green, D. Perry’s chemical engineers’ handbook. Mc Graw Hill. 1984 The CRC Handbook of thermal engineering. Kreith F. Editor in chief. CRC Press Springer. 2000 Valero, A. and Lozano, M.A. Los balances de energía, entropía, exergía y energía libre. Métodos para el diagnóstico de instalaciones industriales. Ingeniería química. Mayo 1987 Valero, A. and Lozano M.A. An Introduction of Thermoeconomics in Developments in the Design of Thermal Systems, Ed. By R.F. Boehm, Cambridge Univ. Press, 1997 Valero-Capilla A. and Valero-Delgado A. Fundamentals of energy thermodynamics, 2005
Wark, K. Thermodynamics. Mc Graw Hill. 1983 338
Enerji Verimliliği  Ekler
7.2
7.2.1 Termodinamik geri dönülmezliğe yönelik durum çalışmaları Durum 1. Kısma araçları Kısma araçları sanayide sıklıkla bilinir, vanalar aracılığıyla basıncın dşürülmesi ve kontrol edilmesi için kullanılır. Kısma prosesi izentalpik olduğu için ( entalpi artış ve düşük akımları eşittir) enerji kaybı yaşanmaz ve termodinamiklerin ilk yasasına göre enerji verimliliği en uygun düzeydedir. Ancak, bu herhangi ek bir fayda sağlamadan sıvının entropisini artıran ve basıncı azaltan mekanik geri dönüşmezliktir. Sonuç olarak, ekserji kaybolur. Sıvının, ürbin genleşme prosesinde enerji üretim kabiliyeti daha azdır.
Olduğunca yüksek seviyede tutulmalıdır çünkü bu sıvının taşınması için kompresörlerin ya da pompaların kullanımını engeller. (ekstra kullanılabilir enerji). Sanayi işletmelerindeki en yaygın uygulama türbin giriş basıncını tasarım koşullarında tutmaktır. Bu, türbini kontrol etmek için emme valflarının kullanılması ve istismar edilmesi anlamına gelir. İkinci yasaya göre basınç özellikleri flotasyonuna sahip olmak (değişken basınç) ve emme valflarını tamamen açık tutmak daha mantıklıdır. Vanaların mümkün olduğunca büyük olması gerekir. İyi bir kısma işlemi %25-50 oranında akış yerine maksimum akışın %5-10’u kadar basınç düşüşü ile gerçekleştirilebilir. (eskiden vana boyutlarının küçük olduğu gibi) sıvıyı harekete geçiren pompa değişken koşullara göre boyutlandırılmalıdır. Son olarak, borular kısma araçları gibi çalışır. Bu borular, içlerinden akan sıvının basıncını düşürürler. Gereksiz vana, dirsek, kavis gibi küçük engeller dışında iyi malzemelerle gerçekleştirilen tasarımlar proses içerisinde ekserji kayıplarını sınırlandırırlar. Her koşulda tesis içerisinde mevcut tüm enerji seviyelerini hesaba katan ekserji hesaplamaları gerçekleştirilmelidir çünkü birinci yasa bakış açısıyla geri dönüşmezliklerin belirlenmesi zor ve ya imkansızdır. Sayısal örnekler Bir güç tesisinde birimin kurulması sırasında yüksek basınç türbininden (P = 40 kg/cm2, T = 350 ºC) çıkan buharın alınmasının ardından turbo pompalarını beslemek için kullanılır. Turbopompa 8 kg/cm2lik giriş basıncıyla çalıştığından yüksek basınç türbininden gelen buhar kısılmalıdır. (bkz. Resim 7.2) Aşağıda yer alan termodinamik örneğinde buhar değişkenleri vananın girişinde ve çıkışında değerlendirilir. Proses, T-s ve h-s diyagramlarında kabataslak çizilmiştir.(bkz. Bölüm 7.3) ve nominal akış 45.000kg/saat olduğunda ekserji akışı sağlanır. 1 P1= 40 kg/cm2 T1= 350 °C Resim 7.2: Buhar kısma prosesi 2 P2= 8 kg/cm2 Enerji Verimliliği 339
 Ekler
Çözüm
Termodinamiklerin ilk yasası; kısma prosesiyle ilgili iş ya da ısı transferi olmadığı için prosesin izentalpik olduğunu ortaya çıkarır: 0 = m1(H2 H1) >H2 =H1 Denklem 7.21 Özellik tabloları aracılığıyla elde edilen özel entropi ve entalpi:
h1 = 3091.95 kJ/kg ve S1 = 6.58 kJ/kg K P2 ve h2 = h1 T2 = 319 ºC S2 = 7.30 kJ/kg K T h = 3091.95 kJ/kg T1 T2 1 2 h 1 h1 = h2 2 s1 s2 S s1 s2 S Resim 7.3: örnek buhar kısma prosesinin T-S ve h-S diyagramları Özel akış ekserjisi aşağıdaki gibi hesaplanır: e = H – T 0s Denklem 7.22 T0 = 273 K, potansiyel ve kinetik enerji göz ardı edilebilir. Bu yüzden: ve
e2 = 3091.95 – 273 x 7.30 = 1099.05 kJ/kg e1 = 3091.95 – 273 x 6.58 = 1295.61 kJ/kg Bu proses tamamen geri dönüşmezdir. (mekanik dönüşmezlik). Sistemin ekserji dengesiyle ekserji kaybı telafi edilir. Isı ya da iş tarnsferi olmadığından ekserji dengesi düşer: I m (e 1 e 2 ) 45000kg / h 1 s / h (1295.61 1099.05) 2457 kW 2.457 MW 3600 340
Enerji Verimliliği  Ekler
7.2.2
Durum 2. Isı değiştiriciler Isı değiştiriciler iki buharın ısıyı değiştiridiği araçlardır. Her ısı transferi sıcaklık farkının bir sonucudur ve bu yüzden entropi üretimi ve ekserji tahribatı ile yakından alakalıdır. Bu yüzden minimum ekserji kaybı ile maksimum ısı transfer verimliliği fikri arasında tutarsızlıklar bulunmaktadır. Resim 7.4’te görüldüğü gibi ters akışlı ısı değiştrici, sıcak sıvı T1,in de olduğunda, T1,out e soğutulur. Böylece T2,in den T2,out, ye ısıtma sağlayan soğuk sıvıya ısı gönderir. Prosesteki ekserji kaybı aşağıdaki gibi hesaplanır: Kinetik ve potansiyel enerjideki değişiklik göz ardı edilebilir. İş ilişkisi mevcut değildir. İlk tahmin olarak basınç düşüşü göz ardı edilebilir ısı değiştiricide meydana gelen geri dönüşmezlik aşağıdaki gibidir: I = (e1,in + e2,in) – (e1,out + e2,out) = (h1,in + h2,in) – (h1,out + h2,out) - T [(s1,in + s2,in) – (s1,out + s2,out)] = T0 [m1Cp1 ln T1,out
+m2Cp2 ln T1,in
T2,out T2,in
Denklem 7.23 Yukarıdaki denklemden anlaşıldığı üzere I her zaman pozitiftir ve ters akışlı ısı değiştiricide ve paralel akışlı alt ve üst değiştirici arasında sıvıların giriş ve çıkışlarındaki sıcaklık farkı sonucunda artar. Herhangi bir durumda ters akışlı ısı değiştirici ekserji açısından eşzamanlı değiştiriciden (paralel-akış) daha iyidir çünkü benzer sıcaklıkta ekserji sisteme yayılır. Isı değiştiricilerde yer alan geri dönüşmezlikler iki faktöre bağlıdır: ısı transferi sıcaklık farkıyla ve sıvı sirkülasyonu sonucunda basınç kaybıyla gerçekleşir. Hem sıvı friksiyonu hem de geri dönüşmez ısı transferi sıvı akışının azaltılmasıyla düşürülebilir. Ancak ısı değiştiriciden aynı etkiyi almak için daha geniş transfer alanı gereklidir. Örneğin, daha geniş ısı değiştiriciler tasarlanmalıdır. Ters akışlı ısı değiştiricinin kullanımının tüm işletmeye yayılması, ısıtılacak ya da soğutulacak tüm akışlara dağıtılması sonucunda ısının akmak zorunda olduğu sıcaklık değişimi oldukça azdır. Bu da proseslerin enerji entegrasyonuna ve enerji kaskadlarının kullanılmasına yol açar. Bu, ısı değişimi ağlarının entegrasyonu için geliştirilmiş pinç metodu felsefesidir. Entegrasyon, güç devrelerine ve dondurucu devrelerine verimli bir şekilde yayılabilir. Özetle bu prosedür, değerlendirilebilecek termodinamik ve teknik koşullar altında daha düşük buhar (yada herhangi bir ısı kaynağı) ve daha düşük soğutma suyu tüketimi (ya da herhangi bir soğutma kaynağı) sağlar. Sıvı T1,in Sıvı T2,out Sıvı T2,in Sıvı T1,out Resim 7.4: ısı değiştiricinin ters akışı Enerji Verimliliği 341
Sayısal örnek Kazan ara ısıtıcısında (bkz. Resim 7.5), 1 100 000 kg/saat buhar 40 kg/cm2 basınçta of steam 350 den 540 ºC ye kadar ısıtılır. Buhar tarafından absorbe edilen ısı yakma prosesindeki eksoz gazlarından gelir. ısı transferinin gerçekleştiği ortalama sıcaklık 1000 ºC’dir. Resim 7.6’da proses T-s ve h-s diyagramlarında kabataslak olarak gösterilmiştir. Buhar tarafından absorbe edilen ısı ve ekserji kayıpları belirlenir. Q P1 = 40 kg/cm2 T1 = 350 °C P2 = 40 kg/cm2 T2 = 540 °C Resim 7.5: buhar akışının ara ısıtma prosesi Çözüm Resim 7.5’te yer alan sistemin enerji dengesi: m (h2 – h1) = Q özellik tabloları aracılığıyla elde edilen özel entalpi ve entropi : P1 ve T1: h1 = 3091.95 kJ/kg ve s1 = 6.58 kJ/kg K P2 ve T2: h2 = 3530.85 kJ/kg ve s2 = 7.21 kJ/kg K. Böylece elde edilen ısı transferi: Q = 11 100 000 x (3530.85 – 3091.95) = 438.9 kJ/kg = 482.7 x 106 kJ/h T-s ve h-s diyagramları Resim 7.6’da gösterilmiştir: T P = 40 kg/cm2 2 1 h h1 h2 2 1 P = 40 kg/cm2 s1 s2
s1 s2 s Resim 7.6: örnek buhar ara ısıtma prosesinde T-s ve h-s diyagamları 342
Enerji Verimliliği  Ekler
Özel akışlı ekserji aşağıdaki gibi hesaplanır: e = h – T0s T0 = 273 K, potansiyel ve kinetik enerji göz ardı edilebilir. Yani: e1 = 3091.95 – 273 x 6.58 = 1295.61 kJ/kg ve e2 = 3530.85 – 273 x 7.21 = 1562.52 kJ/kg ortaya çıkan ekserji kaybı ise: 7.2.3
Durum 3. Karıştırma prosesleri Sıvıları farklı bileşenlerle ya da sıcaklıkla karıştırma işlemi sanayide yaygın olarak kullanılan bir prosestir. Bu konsept; sıcaklık kontrolü için temperleme proseslerini, kalite kontrolü için proseslerin karıştırılmasını, arıtma prosesleri için maddelerin karıştırılmasını ve damıtmayı kapsar. Örneğin; aynı sıcaklıkta aynı basınçta ve n1 ve n2 de farklı ideal gazların diyabatik karışımı her bir akışım mol sayısına eşittir. Karıştırma prosesindeki entropi üretimi her bir gazın entropi artışına denk gelir. Bunun sebebi bu gazların P’den karışımın yeni kısmi basıncına doğru genleşmesidir.
1 P1 [n1 R ln - n1 n 2 P
P2]R ∑ P
Pi = xiPi ve xi I = T0 = - RT0 xi ln xi
ekserji kaybı şu şekilde hesaplanır ni
Bu ifade daima pozitiftir ve xi = 0.5 değerine göre simetriktir. xi sıfır eğiliminde ise bu değer de sıfır eğiliminde olur. (maksimum saflık). Resim 7.7’de Ii/RT0 karşısında xi karışımındaki bileşenlerden birinin molar fraksiyonu gösterilmektedir. xi = 0 olduğunda maksimum ekserjiye ulaşılır. Ancak bu koşullar altında her iki bileşeni de ayırmak nispeten daha kolaydır. Karışım saflaştırıldığı için ayrılan bileşenin mol başına ekserji kaybı artar. Yüklə 4,67 Mb. Dostları ilə paylaş:
|
