Aşırı Soğutma Ekipmanları & Sistem Analizi

1. Aşırı Soğutma Ekipmanları & Sistem Analizi Gökhan SIR – 12522204 Öykü GÜRES – 13522013 Necati Bora GÜREL – 13522012

2. İÇERİK • Aşırı Soğutma Ekipmanları • Kriyojenik Sistemler için 1.Yasa Analizi • Kriyojenik Sistemler için 2.Yasa Analizi

3. Kriyojenik Sistemler – Linde Hampson

4. Sistemde Kullanılan Ekipmanlar • Isı Değiştirici • Kompresör • J-T Genleşme Valfi • Sıvı Soğutucu Akışkan Muhafaza Tankları

5. Isı Değiştiriciler – ( HeatExchangers) • Sistemde Isı değiştiricilerinden istenilen özellikler, • Düşük basınç düşümü ile maksimum effektiflik • Kompakt ve büyük ısı transferi yüzey alanı • Minimum bakım ile yüksek güvenilirlik sağlamak

6. Kompresör • Genellikle reciprocating, rotary ve screw tipi kompresörler kullanılır. • Reciprocating kompresörler, yüksek basınç uygulamalarında (Düşük soğutkan debisi) kullanılır. • Rotary tip kompresörler ise orta basınç uygulamalarında ( yüksek soğutkan debisi) kullanılır.

7. Joule Thomson Genleşme Valfi Kısılma valfinin amacı Soğutkanın akışını kısarak, basıncını değiştirmektedir. Yoğuşturucudan gelen yüksek basınç ve sıcaklıktaki aşırı soğutulmuş sıvı soğutkanın, basıncını ve sıcaklığını düşürerek buharlaşma basıncına getirmek için kullanılmaktadır. Soğutkanın bir kısmı buharlaştırıcıya girmeden, kısılma vanası içinde buharlaşmaya başlamaktadır. Bir diğer işlevi ise, kompresör durduğu zaman, soğutma devresindeki basınç farklılığını dengelemektir.

8. Sıvı Soğutucu Akışkanı Muhafaza Tankları • Kriyojenik tanklar, içlerinde sıvı fazda bulunan gazları - Sıvılaştırılmış Doğalgaz(LNG), sıvılaştırılmış azot(LIN), sıvılaştırılmış argon(LAR), sıvılaştırılmış oksijen(LOX) - taşımak ve depolamak amacı ile üretilmektedir. Tanklar, içinde bulunan gazin -196 ºC ve daha düşük sıcaklıkları muhafaza etmeye yönelik tasarlanmaktadırlar. • Her bir tank, iç içe geçirilmiş iki adet tanktan oluşmaktadır. İç tanklarda 304L paslanmaz çelik malzeme kullanılmaktadır. Dış tank için(Zarf) S355J2G3 malzeme kullanılmaktadır. Tanklar perlit agregası ve vakum tekniği ile izole edilmektedir.. • Üretimi tamamlanan tanklar sıvı azot ile yıkanarak bir taraftan oksijenden bağımsız hale getirilmekte ve bir taraftan da termik gerilmeleri bertaraf edebilmek için ön soğutma işlemine tabi tutulmaktadırlar.

9. KriyojenikSistemler için1. Yasa Analizi Kriyojenik Sistemler; • Basit Linde-Hampson Sistemi • Ön Soğutmalı Linde-Hampson Sistemi • Çift Basınçlı Linde-Hampson Sistemi • Claude Sistem

10. Basit Linde-Hampson için 1. Yasa Analizi İkinci sistem sınırı için 1. yasa uygulandığında;

11. Kompresör için 1. yasa; • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke Sürekli akış için kompresördeki 1. yasa;

12. JT valfi için 1. yasa; • Basınç düşümü sırasında iş yapmaz.(W) • Isı geçişi için alanın küçük, zamanın kısa olması sebebiyle akış adyabatik kabul edilebilir.(q) • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke Sürekli akışlı açık sistemdeJT valfi için 1. yasa;

13. Ön soğutmalı Linde-Hampson için 1. Yasa Analizi Sistem sınırı için 1. yasa uygulandığında;

14. Ana kompresör(izotermal) için 1. yasa; • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke Sürekli akış için kompresördeki 1. yasa;

15. Yardımcı kompresör(izantropik) için 1. yasa; • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke • Isı kondenserden atılır. (Sistem sınırında Q=) Sürekli akış için kompresördeki 1. yasa;

16. JT valfi için 1. yasa; • Basınç düşümü sırasında iş yapmaz.(W) • Isı geçişi için alanın küçük, zamanın kısa olması sebebiyle akış adyabatik kabul edilebilir.(q) • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke Sürekli akışlı açık sistemdeJT valfi için 1. yasa;

17. Çift Basınçlı Linde-Hampson için 1. Yasa Analizi; Sistem sınırı için 1. yasa uygulandığında;

18. Alçak Basınç Kompresörü için 1. yasa; • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke Sürekli akış için alçak basınç kompresöründeki 1. yasa;

19. Yüksek Basınç Kompresörü için 1. yasa; • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke Sürekli akış için yüksek basınç kompresördeki 1. yasa;

20. JT valfi için 1. yasa; • Basınç düşümü sırasında iş yapmaz.(W) • Isı geçişi için alanın küçük, zamanın kısa olması sebebiyle akış adyabatik kabul edilebilir.(q) • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke Sürekli akışlı açık sistemde JT valfi için 1. yasa;

21. Claude Sistemi için 1. Yasa Analizi Sistem sınırı için 1. yasa uygulandığında;

22. Kompresör için 1. yasa; • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke Sürekli akış için alçak basınç kompresöründeki 1. yasa;

23. JT valfi için 1. yasa; • Basınç düşümü sırasında iş yapmaz.(W) • Isı geçişi için alanın küçük, zamanın kısa olması sebebiyle akış adyabatik kabul edilebilir.(q) • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı çok düşük olduğu için kinetik enerjideki değişim ihmal edilebilir. (Δke Sürekli akışlı açık sistemdeJT valfi için1. yasa;

24. Türbin için 1. yasa; • İyi yalıtım yapıldığı için ısı geçişi ihmal edilir.(Q) • Akışkanın potansiyel enerji değişimi çok küçüktür ve ihmal edilebilir. (Δpe • Akışkan hızı oldukça yüksektir ve kinetik enerjisinde büyük değişiklikler olabilir. Ancak entalpideğişimiyle karşılaştırıldığında bu değişimler çok küçüktür. (Δke Sürekli akışlı açık sistemde türbin için 1. yasa;

25. KriyojenikSistemler için2. Yasa Analizi İkinci Yasa Analizi Hakkında Genel Bilgi Ön Soğutmalı Linde-HampsonSistemi İçin 2. Yasa Analizi Çift Basınçlı Linde-HampsonSistemiİçin 2. Yasa Analizi ClaudeSistem İçin 2. Yasa Analizi Basit Linde-Hampson Sistemi Ekserji Analizi Uygulaması

26. KULLANILABİLİRLİK Kullanılabilirlik belirli bir halde ve belirli bir miktarda enerjiden elde edilebilecek maksimum işi veren bir özelliktir. Kullanılabilirlik çözümlemesinde ilk hal belirlidir, bu nedenle değişken değildir. İki hal arasında sistem tarafından yapılan en çok iş, hal değişiminin tersinir olması durumunda gerçekleşir. Bu nedenle sistemden elde edilecek en çok işi belirlerken tersinmezlikler göz önüne alınmaz. Sistemden en çok işi elde edebilmek için, hal değişimi sonunda sistemin ölü halde olması gerekmektedir. Bir sistemin ölü halde olması, çevresiyle termodinamik dengede olması anlamına gelir. Ölü haldeyken sistem, çevre sıcaklığında ve basıncındadır. Sistemin çevresine göre kinetik ve potansiyel enerjileri sıfırdır. Ayrıca ölü haldeyken sistem, çevreyle kimyasal reaksiyona giremez ve çevreyle arasında dengelenmeyen manyetik, elektrik veya yüzey erilme etkileri yoktur.

27. KULLANILABİLİRLİK Yukarıda öne sürülen düşünceler ışığında şu sonuca varılabilir: Bir sistemden elde edilebilecek en çok iş, sistem belirli bir başlangıç halinden, tersinir bir hal değişimiyle çevrenin bulunduğu hale(ölü hale) gelirse elde edilir. Bu değer, sistemin verilen başlangıç halinde, yararlı iş potansiyelini veya iş yapma olanağını göstermektedir ve kullanılabilirlik diye adlandırılmaktadır.

28. TERSİNİR İŞ VE TERSİNMEZLİKLER Yukarıda açıklanan kullanılabilirlik çözümlemesi, verilen bir halde bir sitemden elde edilebilecek en çok işi belirlemek açısından yararlıdır. Enerjinin niteliğini belirlemek için araç olabileceği gibi, değişik enerji kaynaklarının iş potansiyellerini karşılaştırmaya olanak sağlar. Fakat kullanılabilirlik çözümlemesi, belirli iki hal arasında çalışan mühendislik sistemlerini incelemek için tek başına yeterli değildir. Çünkü kullanılabilirlik çözümlemesinde son hal her zaman ölü haldir, geçek mühendislik sistemlerinde ise çoğunlukla böyle değildir. Tersinir iş, belirli iki hal arasındaki hal değişimi sırasında bir sistemden elde edilebilecek en çok yararlı iş olarak tanımlanır. Bu iş, ilk ve son haller arasındaki hal değişimi tümden tersinir olarak gerçekleştiği zaman elde edilir. Son hal ölü hal olduğu zaman tersinir iş kullanılabilirliğe eşittir.

29. TERSİNİR İŞ VE TERSİNMEZLİKLER Tersinir iş ile ile yararlı iş arasındaki fark, hal değişimi sırasındaki tersinmezliklerden kaynaklanır ve I ile gösterilir.

30. İKİNCİ YASA VERİMİ Isı makineleri, soğutma makineleri, ısı pompaları gibi makinelerin çalışma etkinliklerinin bir ölçüsü olarak ısıl verim ve etkinlik katsayısı tanımlanmıştır. Bu tanımlar sadece birinci yasa göz önüne alınarak yapılmıştır, bu nedenle birinci yasa verimi olarak da bilinirler. İkinci yasa verimi ise, gerçek ısıl verimin, aynı koşullarda olabilecek maksimum(tersinir) ısıl verime oranıdır.

31. İKİNCİ YASA VERİMİ

32. SÜREKLİ AKIŞLI AÇIK SİSTEMLERİN İKİNCİ YASA ÇÖZÜMLEMESİ Birinci yasa; İkinci yasa; Bu iki denklemi kullanarak ısı geçişi terimi yok edilirse, Bulunur. Bu denklemle verilen , açık sistemlerde yapılan gerçek iştir, bu aynı zamanda yararlı işe eşittir, çünkü sürekli açık sistemlerin sınırları sabit olup çevre işi söz konusu değildir.

33. SÜREKLİ AKIŞLI AÇIK SİSTEMLERİN İKİNCİ YASA ÇÖZÜMLEMESİ Tersinir iş, yukarıdaki denklemde toplam entropi üretimi terimi sıfıra eşitlenerek bulunur: SASA sistemin bir giriş ve bir çıkışı varsa;

34. SÜREKLİ AKIŞLI AÇIK SİSTEMLERİN İKİNCİ YASA ÇÖZÜMLEMESİ Bir akışın kullanılabilirliği, akış kullanılabilirliği diye adlandırılır ve ile gösterilir. Çıkış hali ölü hal olmak üzere; SASA sistemle sıcaklığındaki bir ısıl enerji deposu arasında miktarında ısı geçişi oluyorsa, tersinir iş bağıntısı açık sistem için birince ve ikinci yasa denklemlerini yazıp, çevreyle ısı geçişini gösteren terimi yok ederek bulunur:

35. Ön Soğutmalı Linde-Hampson Sistemi İçin 2. Yasa Analizi

36. Ön Soğutmalı Linde-Hampson Sistemi İçin 2. Yasa Analizi Kompresör (1-2) Isı Değiştirici – 1 (2-3 , 8-9 , d-e)

37. Ön Soğutmalı Linde-Hampson Sistemi İçin 2. Yasa Analizi Isı Değiştirici – 2 (3-4 , 7-8) Boru Parçaları (4-5 , g-7 , 9-1)

38. Ön Soğutmalı Linde-Hampson Sistemi İçin 2. Yasa Analizi J-T Valfi Boiler

39. Çift Basınçlı Linde-Hampson Sistemi İçin 2. Yasa Analizi

40. Çift Basınçlı Linde-Hampson Sistemi İçin 2. Yasa Analizi Kompresör-1 (1-2) Kompresör-2 (3-4) ID

41. Çift Basınçlı Linde-Hampson Sistemi İçin 2. Yasa Analizi Boru Parçaları

42. Çift Basınçlı Linde-Hampson Sistemi İçin 2. Yasa Analizi J-T – 1 J-T – 2

43. Çift Basınçlı Linde-Hampson Sistemi İçin 2. Yasa Analizi Boiler-1 Boiler-2

44. Claude Sistemi İçin 2. Yasa Analizi

45. Claude Sistemi İçin 2. Yasa Analizi Kompresör (1-2) Isı Değiştirici – 1 (2-3 , 9-10)

46. Claude Sistemi İçin 2. Yasa Analizi Isı Değiştirici – 2 (3-4 , 8-9) Isı Değiştirici – 3 (4-5 , 6a-7) Türbin

47. Claude Sistemi İçin 2. Yasa Analizi Boru Parçaları

48. Claude Sistemi İçin 2. Yasa Analizi J-T Boiler

49. UYGULAMA KABULLER Her bir boru parçasındaki basınç kaybı 10 kPa ve ısı kazancı 10 kJ/kg’dır. Isı değiştiricisindeki basınç kaybı 10 kPa’ dır. Tç=22 C ve Pç=1 bar Çevrim aşağıdaki diyagramda gösterildiği gibi gerçekleşmektedir.

50. UYGULAMA