TR201618096T1 - Termodi̇nami̇k güç çevri̇m yöntemi̇ ve uygulama si̇stemi̇ - Google Patents

Abstract

Gaz dolaşımlı bir güç çevriminde gazı sıkıştırma ve genleştirme arasında dolaşım dışına alıp yeterli sürede ısıtan basıncı arttıktan sonra çevrime döndürüp genleştiren bir sistem tanımlanmıştır. Burada üç adet gaz aktarma haznesi (6,7,8) bir adet ısıtma haznesinden (4) oluşan bir ısıtma sistemi kullanılmaktadır. Yeterli miktarda gaz kütlesi, ısıtma süresi ve ısıtma yüzeyi sağlanmakta gaz piston hareket süresinden bağımsız olarak ayrı hacimde ısıtılıp, basıncı arttırabilmektedir. Sonra çevrime dönmekte, genleştirilerek güç elde edilmektedir. Genleştirilen gaz girişi ve çıkışı açık bir soğutma dolaşımında sabit basınçta soğutularak tekrar aktarma haznelerine dönmektedir. Böylece ısıtma ve soğutma işlemleri süre kısıtlamalarından kurtulmakta, büyük basınç farkları ve verim sağlanabilmektedir.

Description

TARIFNAME TERMODINAMIK GÜÇ ÇEVRIM YÖNTEMI VE UYGULAMA SISTEMI Bulus isi enerjisinden mekanik enerji elde etmek için çevrimde çalisan akiskan olarak gaz kullanan yeni bir termodinamik güç çevrimi ve bunun uygulandigi sistem konusundadir.

TEKNIGIN BILINEN DURUMU: Teorik olarak isi enerjisini en yüksek verimle mekanik enerjiye çeviren çevrimler tersinir sicak gaz çevrimleridir. Bunlara Carnot ve Stirling çevrimleri örnek olarak verilebilir. Bu konunun teorisi oldukça eski tarihlere dayanir. Örnegin Stirling çevrimi 1816 da icat edilmistir. Camot ve Stirling çevrimlerinde alinabilecek teorik verim soguk ve sicak isi kaynaklarinin sicakliginin bir fonksiyonudur. W = is, Ql sicak isi kaynagindan alinan isi, TZ sicak isi kaynagi sicakligi, Tl isinin atildigi soguk ortam veya teknik tabir ile soguk kuyu sicakligi olmak üzere asagidaki formül bir termodinamik güç çevriminde alinacak azami teorik verimi ifade eder.

Verim = W/Ql = 1 - T2/T1 Stirling çevrimi prensip olarak 4 termodinamik islemden olusur. Islem adimlari: l- Piston silindir takiminda gazin izotermal sikistirma islemi. 2- Sabit hacimde gazin isitilmasi 3- Izoterrnal genlesme. 4- Gazin sabit hacimde sogutulmasi ve baslangiç sartlarina dönülmesi.

Bu teorik adimlari uygulamada gerçeklestirmek için birçok silindir, piston, isi degistirici, reküperatör kombinasyonlari kullanilmistir. Yukarida tanimlanan çevrim adimlarinin gerçeklestirilecegi alfa, beta ve gamma adi verilen kombinasyonlar tasarlanmistir. Yaklasik 200 yildir teoride en yüksek verimi saglayan bu çevrimin uygulamada verimli bir motor haline getirilmesi konusunda çalisilmaktadir. Son yillarda yogunlastirilmis günes isigi ile saglanan isiyi mekanik enerjiye çevirme alaninda kullanilmak amaci ile Stirling motorlari tekrar ilgi odagi haline gelmistir.

Gerçek uygulamalarda ise alinan deneysel sonuçlar ve teoride alinmasi hesaplanan degerler arasinda uçurum denebilecek farklar bulunmaktadir. Burada temel sorun gazin isitilmasi için sabit bir hacimde yeterli bir süre tutulmasi gerekliligidir. Gaz bu sirada yeterli bir isi geçis yüzey alanina, yeterli bir süre boyunca temas etmelidir. Sicak cidarlar ile gaz arasinda uygun bir sicaklik farki bulunmalidir. Bu sekilde sicak isi degistirici yüzeyinden gaza etkin bir isi geçisi saglanmis olur. Gaz hacmi sabit tutulurken isitildiginda basinci da mutlak sicaklik ile orantili olarak artar. Bilindigi üzere gaz dolasimli güç çevrimlerinde gaz genlestirilerek güç elde edilir. Bu nedenle isitma sirasinda hacmin sabit tutulmasi ve gaz kütlesin sicakliginin isi kaynagi sicakligina yakin sicakliga kadar isitilmasi verimli bir sicak gaz çevriminin gerçeklestirilebilmesi için kritik önemdedir. Simdiye kadar bu tip çevrimlerin basarilin olamainasinin teoride kalmasinin nedeni de bu sorunun çözülememis olmasidir.

Simdiye kadar yapilan Stirling motorlarinda gazin isitilmasi sikistirma silindirinden genlestirme silindirine geçerken akis yolu üzerinde isitilma seklinde gerçeklestirilmeye çalisilmistir. Sogutuma sirasinda da gaz ayni yoldan ters yönde geçer. Gazin isitilmasi için kullanilacak zaman tamamen pistonun silindir içindeki hareket periyoduna bagimlidir. Bu bagimlilik gazin sabit hacimde tutularak etkin sekilde isitilinasini zor veya imkansiz hale getirrnektedir. Örnegin 3000 devir/dakika ortalama bir motor için siradan bir devir sayisidir.

Bu milisaniyeler içinde bütün termodinamik çevrim adimlarinin tamamlanmasi anlamina gelmektedir. Motorun küçük ve isitilacak gaz kütlesinin de çok az oldugu durumlarda bu kismen saglanabilmektedir. Bu uygulamada ancak minyatür boyda deney motorlarinda ve oldukça verimsiz bir sekilde yapilabilmektedir. Motor hacmi ve gaz miktari arttikça bu gazi isitmak ve sogutmak için gereken zaman artmakta ve motor devri büyük ölçüde düsmektedir. Bu da motor boyutlarini arttirmakta maliyet artmakta ve ekonomik olarak yapilmasi zorlasmaktadir. Yüksek güçteki bir motor çok büyük, agir ve pahali bir hale gelmektedir. Bu nedenle uygulamada Stirling motorlari daha çok minyatür boyda yapilabilmektedir.

Karlsruhe Universitesi Motorlar Enstitüsünün bir makalesinde - Investigation of concepts for high power Stirling engines - sayfa 3 konu ana hatlari ile asagidaki sekilde özetlenmektedir. gerektirmektedir. Buna ragmen gerçekte bu prosesin bu sekilde mükemmel uygulanmasi mümkün olmamaktadir. Birçok durumda bir dizi sapma kabullenilmek zorundadir ve bunlar hem verimi hem de özgül gücü düsürmektedir.

Pratikte mümkün olmayan duraklamali çalisma yerine sürekli çalismadan kaynaklanan en öneinli fark hacmin degismesi ( krank mili ile tahrik gibi nedenlerle) ve isi transferi için is hacmi cidarlari yerine harici isiticilar ve sogutucular isi degistiriciler kullanilmasidir. Ikinci modifikasyon asagi yukari hareketli pistonlu motorlarda isi transferi için yeterli yüzey ve zaman olmamasi nedeni ile gereklidir. Sonuç olarak bu motor silindirlerinde izotermal degil de adyabatik proseslerin gerçeklesmesine neden olur”....”Netice olarak bu sapmalar ideal prosesten çok farkli bir prosesi ortaya çikarir” Yukaridaki tanimlama Stirling motorunun temel sorunlarini özetlemektedir. Bu ifadeler bilinen Stirling motoru tasarimlari dikkate alinarak yapilmistir. Aslinda gereken motorun isitma ve sogutma sirasinda durmasi degildir. Gereken gazin isitma ve sogutma için yeterli bir süre sabit hacimli bir haznede tutulmasi ve gerçekten özgül hacmi sabit tutularak isi kaynagi sicakligina yakin sicakliga getirilmesidir. Diger taraftan gerçek bir motorda sikistirma ve genlestirrne islemlerinin izotermal- sabit sicaklikta- gerçeklesmesini beklemek gerçekçi bir beklenti de degildir.

Teoride yüksek bir verim saglama kapasitesi olan fakat basarili uygulamalari olmayan baska bir güç çevrimi de Lenoir çevrimidir. 1860 da Lenoir tarafindan patendi alinmistir. Bu bir içten yanmali güç çevrimi olarak ortaya çikmis ve uygulanmistir. Lenoir çevriminin ilk ticari üretim içten yanmali motor olarak yapildigi düsünülmektedir. Bu çevrim teorik olarak Stirling çevriininden daha basittir. Içten yanmali motor uygulamalarinda sikistirma orani arttikça verimin de arttigi bilinmektedir. Lenoir çevrimi sikistirma olmadan çalismaktadir.

Lenoir çevrimi bir içten yanmali motor olarak daha sonra ortaya çikan otto ve diesel çevrimleri ile rekabet edememistir. Otto ve Diesel çevrimleri sikistirmali çevrimler oldugundan içten yanmali motorlar olarak Lenoir çevriminden daha yüksek verimler saglamaktadir. Ilk uygulamalarinin 19. yüzyilin sonlarinda yapildigi 20. yüzyil baslarinda da üretildigi fakat daha sonra tamamen terk edildigi bilinmektedir. Lenoir çevrimi üç termodinamik islem adiminin tekrarlanmasi ile gerçeklestirilir. Sikistirma islemi yoktur.

Islem adimlari söyledir: 1) Gazin sabit hacimde tutularak isitilmasi bu sekilde basincinin mutlak sicaklik ile orantili olarak arttirilmasi. 2) Izantropik genlesme ile bu gazin isitma öncesi basinca getirilmesi. 3) Sabit hacimde sogutma ile ilk hale birinci adim baslangicindaki hale dönülmesi.

Bu çevriinin distan yanmali bir kapali çevrim olarak uygulanmasi halinde Stirling çevrimindeki sorun burada da aynen ortaya çikmaktadir. Bu sorun da yukarida ifade edildigi üzere sürekli dolasan bir gaz nasil olup da bir haznede tutulur ve sabit bir hacim ve yeterli süre saglanarak etkin sekilde isitilabilir sorunudur. Bilinen stirling motoru mantigi ile gazi isitma için harcanacak zaman arttirildigi takdirde motorda 0 sirada genlesmenin durmasi gerektigi var sayilmaktadir. Bu da motorun toplam gücünü düsürmekte büyük agir pahali bir motor küçük güçler verebilmektedir. Bu da ekonomik bir çalisma ihtimalini ortadan kaldirmaktadir.

Benzer sekilde genlesme sonrasinda gazin etkin sekilde sogutulmasi ve basincinin ve/veya özgül hacminin düsürülmesi kritik öneme sahiptir. Bilinen Stirling motoru mantiginda gazin sogutulmasi da genlestirme silindirinden sikistirma silindirine geçis sirasinda gazin soguk yüzeyler ile temas ettirilmesi ile gerçeklestirilmeye çalisilmaktadir. Sogutma da bu sekilde çok verimsiz sekilde yapilabilmektedir. kazanmistir. Bu konu karbondioksit emisyonlarinin düsürülmesinden küresel isinmanin durdurulmasina, petrol ve dogal gazin verimli kullanilmasina, yogunlastirilmis günes isimasindan ekonomik sekilde enerji elde edilmesine kadar birçok konuda kilit teknoloji durumundadiri Su anda isi enerjisinden mekanik enerji eldesi teorik olarak alinabilecek verimin çok altinda verimlerle saglanabilmektedir. Gerçekten teorik çevrim degerlerine yakin çalisabilen makul maliyetli hafif ve küçük sicak gazli güç çevrim motorlarinin yapilabilmesi bu sorunlarin çözümünde önemli bir adim olacaktir.

BULUSUN ÇÖZÜMÜNÜ AMACLADIGI TEKNIK PROBLEMLER: Bulus sicak gaz çevrimlerinin bu temel sorunlarini çözmeyi amaçlamaktadir. Sorunlar kisaca söyledir. 1) Yeterli miktarda gaz nasil özgül hacmi sabit tutularak ve yeterli sürede kesintisiz sekilde isitilir ve basinci arttirilir. 2) Ayni anda ayni motorda gazin genlestirilmesi ile güç üretimi nasil kesintisiz sürdürülür. 3) Bu motorda gaz genlestirme ve güç üretimi kesintisiz olarak sürerken yeterli miktarda gazin yeterli sürede sogutulmasi nasil kesintisiz olarak gerçeklestirilir.

Bu sorular birbiri ile dogrudan alakalidir. Bir gaz kütlesinin isitilmasi ile basinci arttirilir.

Baska bir gaz kütlesinin sogutulinasi ile de basinci düsürülür. Iki gaz kütlesi arasinda genlestirilerek güç elde edilir. Bu islemler basinç farki elde etmek için beraber kullanilan kilit önemdedir. Genlestirrne ve güç eldesi için basinç farki bu sekilde temin edilir.

Bulus bu iki sorunun çözüldügü sikistirmasiz bir motor tanimlamaktadir. Bu motor gazi sabit hacimde isitma, genlestirerek güç elde etme ve sabit basinçta sogutma seklinde üç çevrim adimindan olusan bir güç çevrimi gerçeklestirecektir. Bu motorda üç termodinamik islemi yani gazin isitilmasi, genlestirilmesi ve sogutulmasi ayni anda kesintisiz sekilde sürdürülecektir. Gazin sikistirilmasi ve genlestirilmesi islemleri bilindigi üzere çok sayida hareketli parçadan olusan sistemler kullanilarak yapilir. Sikistirma ve genlestirine islemlerinde önemli sürtünme ve isi kayiplari ile karsilasilir. Sikistirma islemi olmadan yapilan bir çevrimde sürtünme kayiplari gibi geri dönüsü olmayan kayiplar da önemli ölçüde azaltilmis olacaktir.

Bu özelliklerdeki bir motorun sikistirrnasiz olmasi çok Önemli bir ilerleme getirecektedir.

Bilindigi üzere gazlarin sikistirma islemi ayni zamanda gazin sicakligini da yükseltmektedir.

Bu durumda isitma ancak bu gazin sikistirma sonu sicakligindan daha yüksek sicaklikta bir isi kaynagi ile gerçeklestirilebilir. Örnegin 300 K sicakliktaki bir gazin sikistirildigini bu sirada basinci ile beraber sicakliginin da artarak 500 K ne çiktigini var sayalim. Böyle bir motorda ancak 500 C den daha yüksek sicaklikta bir isi kaynagi ile gaz isitilabilir ve basinci arttirilabilir. Fakat sikistirrnasiz ve gazin özgül hacmi sabit tutularak yapilan bir isitmada çok daha düsük sicakliktaki isi kaynaklarindan güç elde etmek mümkün olacaktir. Örnegin gaz sicakliginin 300 K ve basincinin 30 bar oldugunu var sayalim. Bu gazi özgül hacmini sabit tutarak sicakligini 500 K ne çikardigimizda basinci da 50 bara çikacaktir.

Sikistirmasiz motorlarda genlesme orani da düsük oldugundan çevrim verimi de düsük olacaktir. Fakat genlesme sonunda gazda kalan atik isinin isitilacak gazin ön isitmasinda kullanilabilme olanagi vardir. Bu da isitmada gereken net isi girisi ihtiyacini önemli ölçüde düsürecektir. Sonuç olarak hem basit yapili hem de verimi yüksek bir motor yapma imkani bu bulus konusu motorda sunulmaktadir.

Bu motor distan yanmali oldugu için birbirinden farkli birçok yakitin kullanilabilecegi bir motor olacaktir. Bu motorun özgül güç ve devir sayisi yönünden mevcut otto ve diesel motor degerlere ulasilmasi ve verim olarak da bu motorlarin verimlerinin asilmasi hedeflenmektedir. Özellikle distan yanmali güç sistemleri konusunda bu bulusun çok kritik avantajlar saglayacagi beklenmektedir. Distan yanmali güç sistemlerinin en büyük avantaji gereken sicaklikta ve isil kapasitede herhangi bir isi kaynagindan güç saglamaya imkan verinesidir. Örnegin kömür yakilmasi veya yogunlastirilmis günes isigindan saglanan isi belirli bir isil kapasite ve sicakligi sagladigi takdirde böyle bir sistemde isi girisi olarak kullanilabilir. Su anda distan yanmali güç sistemi olarak yaygin olarak kullanilan yalnizca rankine çevrimine göre çalisan buhar türbinli güç sistemleridir. Yogunlastirilmis günes isimali sistemlerde kullanilmak üzere de Stirling motor üniteleri üzerinde de çalisilmaktadir.

Fakat Stirling motorlarinin bilinen sorunlari da varligini sürdürmektedir. Bulus ile sunulan sistemin kömürlü ve nükleer isi kaynakli elektrik santrallerinden tasit araçlarina kadar bilinen güç sistemlerinin yerini alacaktir. Bunun yaninda tabiattaki düsük sicaklikta bol miktarda bulunan düsük sicakliktaki isi kaynaklarindan yüksek verimli ve kompakt yüksek özgül güçlü bir motor ile güç elde etmek mümkün olacaktir.

BULUSUN TEMEL ESASLARI: Bulus ile ortaya konulan motorda gazin sabit hacimde isitilmasi, genlestirilmesi ve sabit basinçta sogutulmasi seklinde 3 ayri terinodinamik islem adimi ayni anda sürekli olarak gerçeklestirilir. Bu motorda veya güç sisteminde gazin sikistirma islemi yoktur. Gaz isitma safhasinda bir süre çevrimde dolasim disina bir isitma haznesine alinip isitilir. Bu isitmada yeterli zaman ve etkin isi transfer sartlari saglanir. Bu isitma sirasinda özgül hacmi sabit tutulur ve bu nedenle basinci da mutlak sicakligi ile orantili olarak artar. Belirli bir basinç ve sicakliga ulasan gaz tekrar çevrime döner ve genlesme islemine tabi tutulur. Genlesme sirasinda gazdan is alinir. Genlesme sonrasi gaz sabit basinç altinda sogutulur ve tekrar sabit hacim altinda sikistirma islemine girer. Stirling motorunun aksine gazin isitma ve sogutma safhalarinda izledigi yollar farklidir ve bir subab ve zamanlama sistemi tarafindan akislar çevrim zamanlamasina göre kontrol edilir. Sistemde sensörler ve bir elektronik kontrol sistemi bulunur. Sogutulan gazin atik isisi isitilan gazin ön isitmasinda kullanilir. Bu sekilde sisteme disaridan net isi girisi ihtiyaci azaltilir ve sistem verimi arttirilir. Bu amaçlar isitilan ve sogutulan gaz kütleleri arasinda isi geçisini saglamak için bir ara isi degistirici kullanilir. Sogutulan ve isitilan gaz kütleleri bir ters akisli isi degistirici seklinde kapali borularda birbirine ters yönde akitilir. Bu sirada isitilacak gazin ön isitmasi sogutulan gazdan alinan isi ile gerçeklestirilir. Sogutulan gazi mümkün oldugunca sogutmak için bu iki gaz arasi isi degistiriciden sonra sogutulan gaz bir son kademe soguk isi degistiricide sogutulur. Bu son kademe sogutmada çevreden uygun ortamdan saglanan bir soguk akiskan örnegin deniz suyu tatli su veya hava ile dis ortam sicakligina yakin sicakliga kadar getirilir. sicaklikta gereken isi girisini saglayacak herhangi bir isi kaynagi kullanilabilir. Örnegin bir kömür firinindan saglanan isi, bir sivi veya kati yakitin yanmasi ile saglanan isi, nükleer reaktör kaynakli isi, yogunlastirilmis günes isimasindan saglanan isi, jeotermal isi veya bir motorun sogutma sisteminden veya egsoz gazindan atik isisi isi girisi olarak kullanilabilir.

Bu çevrim düsük sicakliktaki isi kaynaklarindan güç saglamak için özellikle uygundur. Örnegin denizlerin alt ve üst seviyedeki sulari arasindaki sicaklik farklari veya hava sicakligi ile deniz suyu sicakligi arasindaki farklar kullanilarak enerji temini için özellikle uygundur. Örnegin 100 bar basinçta 300 K sicaklikta olan gaz sabit hacimde 360 K sicakliga isitildiginda 120 bar basinca çikacaktir. Burada kritik olan konu büyük miktarda gazi sürekli etkin sekilde ayni anda isitma ve sogutmak bu sekilde çevrime yeterli miktarda Bu bulusta sunulan çevriminde ikinci kritik özellik gazin sogutulmasinin gerçekten sabit basinç altinda yeterli süre soguk yüzeylere temas ederek gerçeklesecegi bir yapinin ortaya konmus olmasidir. Bu soguina islemi bu motorda genlesme veya piston hareket sürelerinden tamamen bagimsiz olarak gereken sürede yapilabilmektedir. Böylece gaz gerçekten teorik degerlere yani isinin atildigi soguk kuyu sicakligina yakin sicakliga kadar soguyabilmektedir.

Bulusta tanimlanan sogutma islemi hem girisi hem çikisi ayni anda açik olan ve içinden sürekli akis olan bir açik sogutma sistemi olarak tanimlanmaktadir. Bu sogutma sisteminde basinç sabit kalmakta sicaklikla özgül hacim beraberce orantili olarak degismektedir. Bu da belirli bir genlesme baslangici basinç ve sicakligi olan gazin daha fazla genlestirilmesini ve daha fazla güç saglanmasini mümkün kilacaktir. Çevrimin uygulamasi ileride sekiller üzerinde ayrintili olarak tarif edilecektir. Bu tanimlanan sistemde isitma ve sogutma islemleri simdiye kadar sicak gaz dolasimli güç çevrimlerinden çok daha etkin sekilde gerçeklesmektedir. Bu çevrimde Stirling çevriminin aksine isitma süresi mil dönüs sürelerinden veya gaz sikistirma genlestirme stroklari sürelerinden tamamen bagimsizdir. Gaz isitma islemi gazi bir basinçli gaz haznesine alip yeterli süre tutarak gerçeklesmektedir. Bu isitma haznesine gaz alinip bir süre dolasim disinda tutulmaktadir. Isitma haznesinde yeterli isi geçis yüzeyi ve gazin içerde tutulma süresi saglanmaktadir. Gaz istenilen sicakliga ve basinca getirildikten sonra tekrar çevrime dönmekte ve genlesmeye gönderilmektedir. Gazin isitma haznesine giris ve çikisinda özgül hacmi degismemekte fakat isi kaynagi sicakligina yani T max sicakligina yakin sicakliga kadar isitilabilmektedir.

Bu bulusta sunulan sistemde gazin sikistirma ve genlestirme islemleri arasinda dolasimi Stirling motorundan tamamen farklidir. Stirling motorunda gaz sikistirma sonrasi genlestirmeye geçerken geçis yolu üzerinde isitilmaktadir. Genlestirme sonrasi sikistirmaya geçerken yine ayni yol üzerinden geçmekte ve bu geçis sirasinda sogutulmaktadir. Yani gaz her iki yönden de geçerken ayni yol üzerinden ard arda ters yönlerde geçmektedir. Bu mevcut Stirling yapisinda gazin gidis yönünü tayin etmek için bir subab veya yönlendirme sistemi söz konusu degildir. Bu sekilde isi geçis yüzeyleri de yalniz gazin geçisi sirasinda kullanilmaktadir. Gazin isitilmasi ve sogutulmasi zaten mevcut Stirling motorunda yetersiz ve problemli iken isi transfer yüzeyleri de zainanin küçük bir kisminda kullanilabilmekte ve isi transferinde büyük bir Ölü zaman da bulunmaktadir. aktarilmaktadir. Bu isitma tüpünün hacmi bir strokta basilan gaz hacminden çok daha fazlasini alacak sekilde yapilmistir. Bu tüpün içinde daha önceden basilmis ve yeterli süre kalarak isitilmis olan basinçli sicak gaz bulunmaktadir. Soguk gaz bu basinçli sicak gaz tüpüne aktarilirken ayni anda tüpteki sicak basinçli gaz da disari alinmaktadir. Bu çikan gaz belirli bir yeterli süre sabit haciinde isitilmis ve basinç ve sicakliga ulasmis durumdadir ve genlesmeye bu gaz gönderilmektedir. Örnegin her piston strogunda 10 gram gaz gazin genlestirildigini var sayalim. Bu sicak basinçli gaz ihtiva eden tüpün hacmi bundan çok daha fazla gaz alacak büyüklüktedir. Örnegin 1000 gr gaz alacak hacimde bir isitma haznesinin kullanildigini var sayalim. Bu durumda isitma haznesine soguk gaz olarak giren gaz 100 piston strogu boyunca haznenin içinde kalmakta ve sicak isi transfer yüzeylerinden isi almaktadir. 100 piston strogu sonunda belirli bir sicakliga ulasmis oldugunda tüpün disina alinip genlesme ünitesine verilmektedir.

Bu tüpün içinde isi transfer yüzeyi de gaz ile sicak cidar arasinda yeterli isi transfer yüzeyini saglayacak isi geçis alanina sahiptir. Isitilacak gaz bu isitma tüpüne soguk gaz girisi olarak girmektedir. Bu isitma tüpünden ise daha önceden tüpe basilmis önceden yeterli bir süre sicak isi transfer yüzeyleri ile temas etmis sicak ve basinçli gaz alinmaktadir. Tüpe giren gazin Özgül hacmi ve çikan gazin özgül hacmi teorik olarak birbirine esittir. Bu sekilde gazin sabit hacimde isitilarak basincinin arttirilmasi sarti da gerçeklestirilmis olur. Gaz önceden belirlenmis bir süre tüpte kalir ve sicak isi geçis cidarlarina temas eder. Önceden belirlenmis bir sicaklik ve basinca ulastiginda tüpten alinir ve genlesmeye gönderilir. Bu sekilde gazin isitilmasinin için bir mil dönüsü veya piston strogu ile sinirli zaman kullanma zorunlulugu da asilmis olur. Gazin isitma haznesine girme ve çikma isleminde gaz geçis hazneleri seklinde yeni bir kavram kullanilacaktir. Bu sekilde belirli bir basinçtaki gaz çok daha yüksek basinçta gaz ihtiva eden bir isitma haznesine aktarilabilecektir.

Gazin sogutulmasi bu bulus konusu sistemde sabit basinç altinda sogutma seklinde yapilacaktir. Genlesmeden çikan gaz bir sogutma isi degistiricisine girmektedir. Bu sogutma isi degistiricisinin hacmi de bir strokta giren gaz miktarindan çok daha fazlasini alacak büyüklüktedir. Örnegin silindir piston takiminin her genlesme strogunda genlestirdigi gaz 10 gr ise soguk isi degistirici hacmi 1000 gr gaz alacak sekilde yapilmaktadir. Bu soguk isi degistiricinin girisine genlesmeden gelen sicak gaz girmektedir. Bilindigi üzere güç çevrimlerinde isinin atildigi ortama soguk kuyu denilmektedir. Hesaplarda T min seklinde ifade edilen en düsük sicaklik da soguk kuyu sicakligi olarak geçmektedir. Soguk kuyu dan alinan soguk akiskan bir isi transfer cidarinin bir tarafinda akmakta cidarin diger tarafinda ise sogutulacak gaz akmaktadir. Bu gaz içerde soguk cidar ile temas ederek sogumakta ve yeterli bir süre içerde kalip önceden belirlenen bir sicaklik araligina kadar sogutulduktan sonra isi degistiriciden çikmaktadir. Bu çikan sogutulmus sikistirma ünitesine girmektedir.

Simdiye kadar bilinen Stirling çevriminin aksine gaz piston stroku süresinden çok daha uzun bir süre soguk yüzeylerle temas etmekte ve bu sirada basinci da sabit kalmaktadir. Bu durumda çok daha iyi sogumaktadir.

SEKILLERIN AÇIKLAMASI: Bulusu sekiller üzerinde ifade etmek üzere 4 sekil sunulmaktadir.

Sekil 1 de çevrimin teorik basinç hacim diyagrami gösterilmistir.

Sekil 2 de bu çevriinin nasil uygulanacagina dair sematik sistem ve çevrimin gazi sogutma anindaki gaz akislari gösterilmistir.

Sekil 3 de bu çevrimin uygulamasi gaz genlesme sirasindaki gaz akislari gösterilmistir.

SEKILLERDEKI REFERANSLARIN AÇIKLAMASI: rçpwsawêwwrçpwaowêwwrç P-V diyagraminda gazin sabit hacimde isitma öncesi hali P-V diyagraminda gazin isitma sonrasi genlesme öncesi hali P-V diyagraminda gazin genlesme sonrasi sogutma öncesi hali Basinçli gaz isitma haznesi Gaz geçis odasi Gaz geçis odasi Gaz geçis odasi Genlestirme silindiri Genlestirme pistonu Gaz geçis odasina soguk gaz giris subabi Gaz geçis odasindan sicak basinçli gaz çikis subabi Gaz geçis odasindan isitma haznesine gaz çikis subabi Gaz geçis odasina isitma haznesinden gaz giris subabi Gaz geçis odalarindan isitma haznesine gaz geçis yolu Soguk isi degistiriciden gaz geçis odalarina gaz giris yolu Genlestirme silindirinden gaz tahliye yolu Gaz geçis odalarindan genlestirme ünitesine sicak basinçli gaz çikis yolu Genlestirme pistonu yukari hareket yönü Genlestirme silindirinden gaz çikisi Ara isi degistiriciye genlestirilme silindirinden gaz girisi Ara isi degistiriciye sicak gaz girisi Ara isi degistirici Ara isi degistiriciden gaz çikisi Sogutma haznesine gaz girisi Soguk isi degistiriciye sogutucu akiskan girisi Soguk isi degistirici 32. Soguk isi degistiricidcn sogutucu akiskan çikisi 33. Sogutma haznesinden sogutulmus gaz çikisi 34. Gaz geçis odasina soguk gaz girisi . Gaz geçis odalarindan isitma haznesine gaz basan pompa 36. Gaz geçis odalarindan genlestirineye basinçli gaz girisi 37. Sicak isi degistirici 38. Sicak isi degistiriciye isitma akiskani girisi 39. Sicak isi degistiriciden isitma akiskani çikisi 40. Isitma haznesi çikisindaki sicak gaz BULUSUN SEKILLER ÜZERINDE AYRINTILI AÇIKLAMASI: Sekil 1 de örnek bir çevrimin basinç hacim diyagrami gösterilmektedir. Diyagramda 1-2 arasi çevrimin birinci adimi olarak sabit hacimde isitma, 2-3 arasi çevrimin ikinci adimi olarak izantropik genlesme, 3-1 arasi da sabit basinç altinda izobarik sogutma ile gazin ilk haline dönmesi gösterilmektedir. Teorik olarak çevrimin üç adimi söyledir: 1- 2 Sabit Özgül Hacimde Isitma: Çevrimin ilk adiminda gaz bir isitma haznesine alinmakta ve bu sekilde gazin mutlak basinci mutlak sicakligi ile orantili olarak arttirilmaktadir. Bu adimda hacim Voll : V012 sabit kalmakta sicaklik Tl den TZ sicakligina çikmaktadir. Bu islem sonunda basinç da mutlak sicaklik ile orantili olarak artmakta ve TZ / Tl = P2 / Pl seklinde ifade edilecek sekilde bir basinç artisi saglanmaktadir. Bu adimda gaza - Q in I isi girisi verilmektedir.

Uygulamada gaza verilen isinin önemli kismi 3. çevrim adimindaki sabit hacimde soguma sirasinda sogutulan gazdan alinan atik isi olacaktir. 2-3 Genlestirme ve Güç Eldesi: Bu adimda teorik olarak gazin basinci P2 degerinden P3= Pl degerine izantropik genlesme ile düsürülmektedir. Bu genlesme sirasinda is elde edilmektedir. Bu adimda 82:83 sabit kalmaktadir. Gazdan -W out- is alininaktadir.

Sicaklik ta T2 degerinden T3 degerine düsmektedir. Uygulamada ise sürtünmeler ve isi kayiplari nedeni ile bu izantropik sikistirma elde edilemeyeceginden belirli bir izantropik genlestirme verimi söz konusu olacak ve entropi de artacaktir. Teorik olarak bu adimda alinan W out isi net ise W net esittir. Bunun nedeni sikistirma ile gaza iS W in isini vermenin sikistirmasiz gaz çevriminde gerekli olmamasidir.10 3-1 Sabit Basinçta 7 lzobarik- Sogutma: Bu adimda basinç PS = Pl seklinde sabit kalarak yani izobarik olarak gaz sogutulmaktadir. Izobarik soguma ile gazin özgül hacmi mutlak sicakligi ile orantili olarak azalmaktadir. Sicaklik genlesme sonundaki T3 degerinden l. kademede tanimlanan sikistirma öncesi Tl degerine düsürülmektedir. Bu sekilde çevrimin 3. adimi sonunda gaz 1. adim basindaki sartlara geri dönmektedir. Bulus ile sunulan motorda bu sogutulan gazdan alinan isi sabit hacimde isitilan gaza aktarilacaktir. Sogutulan ve isitilan gazlar arasinda bir ters akisli isi degistirici ile isi degisimi saglanacaktir. Bu sekilde atik isinin çok önemli kismi kazanilacak ve verimde çok önemli artis saglanacaktir.

Bulusta simdiye kadar bilinen motorlarin aksine yukaridaki üç adimin da ayni anda kesintisiz olarak sürdürüldügü bir sistem sunulmaktadir.

Sekil 2 de bu motorda çevrimin üç isleminin de kesintisiz olarak nasil ayni anda gerçeklestirilecegi gösterilmektedir. Bu motorda bir gaz kütlesi özgül hacmi sabit tutularak kesintisiz olarak isitilir. Bu isitma bir sicak ve basinçli gaz ihtiva eden bir isitma haznesinde (4) gerçeklestirilir. Gazin isitma süresi mil dönüsü veya piston strogu ile sinirli degildir. Bu haznede (4) isitma sürekli olarak devam eder. Isitma haznesinde (4) isitilan gaz kütlesi de bir mil dönüsünde genlestirilen gaz miktarindan çok daha fazladir. Ayni anda baska bir gaz kütlesi de bir sogutma haznesinde (5) sabit basinç altinda sogutulur. Sogutma haznesinde (5) gazin sogutuldugu süre de mil dönüsü veya piston strok süresinden çok daha uzundur.

Bu sogutulan gazin kütlesi de bir piston strogunda genlestirilenden çok daha fazladir. Gazin genlesme ve güç saglama islemi de sürekli olarak devam eder.

Sekil 2 de ve Sekil 3 de gösterilen sematik sistemler prensip olarak ayni sistemdir. Yalniz Sekil 2 de genlesme pistonunun yukari hareketi sirasinda silindirdeki gazin sogutma islemine iletilmesi sirasindaki çalisma düzeni gösterilmistir. Sekil 3 de ise ayni sistemin güç saglama ve gazin genlestirme islemi sirasindaki çalisma düzeni gösterilmistir. Motorda gaz akislari belirli bir düzen içinde arka arkaya sekil 2 ve sekil 3 de gösterilen adimlari tekrarlainaktadir.

Sekil 2 de sematik olarak temel yapi gösterilmistir. Burada bir adet isitma haznesi (4), bir adet gaz sogutma haznesi (5), üç adet gaz geçis haznesi (6,7,8) , bir adet gaz genlestirme ünitesi (9) bulunur. Sekil 2 de gazin genlestirildigi bir piston (10) silindir (9) takimi gösterilmistir. Gazin sikistirma ve genlestirme islemi piston silindir takimlarinda degil de baska bir yöntem ile örnegin döner pistonlar ile de yapilabilir. Fakat alisilmis ve yaygin yapi oldugu için burada piston silindir (9,10) takimi gösterilmistir. Sekilde 2 de 3 adet es yapida gaz geçis odasi (6,7,8) gösterilmistir. Her gaz geçis (6,7,8) odasi birbiri ile es yapidadir. Her geçis odasinin dört adet gaz yolundan (15,I6,l9,2l) gaz girisi veya çikisi vardir. Her gaz geçis odasina soguk hazneden (5) gaz girisi (19) vardir. Her gaz geçis odasinin sikistirma ünitesine (9) gaz çikisi (21) vardir. Her gaz geçis odasinin gaz isitma haznesinin soguk gaz girisine (17) gaz verme ve sicak gaz çikisindan (18) gaz alma kabiliyeti vardir.

Her gaz geçis odasinin bu gaz yollarini açip kapatan subablari (11,12,13,14) bulunmaktadir.

Her gaz geçis odasinin (6,7,8) sogutma haznesinden (5) gelen gazin (19) alindigi birer gaz giris subabi (11) bulunmaktadir. Yine her gaz geçis odasinin (6,7,8) sicak basinçli gazi genlestirme ünitesine ilettigi bir gaz çikisi (21) bulunmaktadir. Gaz geçis odalarinin (6,7,8) her birinde isitma haznesi ile arasinda iki gaz yolunu açip kapatan ikiser gaz subabi (13,14) bulunur. Geçis hazneleri (6,7,8) ile isitma haznesinin (4) soguk gaz girisi (17) arasinda bir gaz yolu (15) vardir. Yine geçis odalari ile isitma haznesinin (4) sicak gaz çikisi (18) arasinda baska bir gaz yolu da (16) vardir. Her gaz geçis odasinin (6,7,8) isitma haznesinin (4) soguk gaz girisine (17) giden gaz yoluna (15) açilan subablari (13) bulunmaktadir. Yine her gaz geçis odasinin (6,7,8) sicak gaz haznesi (4) sicak gaz çikisindan (18) gelen (16) gazi içine aldigi bir gaz giris subabi (14) bulunur. Bu gaz geçis odalarinin (6,7,8) sayisi en az iki adet olacaktir. Sekilde 3 tane (6,7,8) gösterilmistir fakat 3 den fazla da olabilir.

Sekil 2 de üç adet isi degistirici (26,31,37) gösterilmistir. Bu isi degistiricilerden biri ara isi degistirici (26) olarak kullanilmaktadir. Bu isi degistiricide (26) genlesme sonrasi gazda yapilmaktadir.

Sekil 2 de görüldügü gibi genlestirme silindirindeki (9) piston (10) yukari (22) dogru hareket etmekte ve genlestirilmis gazi silindirden disari (23) tahliye etmektedir. Bu gaz genlestigi için basinci düsmüs fakat içinde atik isi veya iç isisi kalmis ve sogutulmasi gereken bir gaz kütlesidir. Sekli karisiklastirmamak için bu silindir tahliye subabi gösterilmemistir. Bu subab silindirden gaz çikisi (23) ile ara isi degistirici arasindaki yolu (20) açip kapatmaktadir. Genlestirme pistonu (10) yukari çikarken bu tahliye subabi açilmakta silindirdeki gaz (23) ara isi degistiriciye dogru yol (20) almaktadir. Pistonun asagi inisi basladiginda ise tahliye subabi tekrar kapanmakta ve silindir ile ara isi degistirici arasindaki gaz akisi (20) durmaktadir.

Silindirden tahliye edilen gaz (20) ara isi degistiriciye (24,25) girer. Sekilde bu ara isi degistirici (25,26,27) isitma haznesinin (4) içinde gösterilmistir. Fakat ayri bir hazne veya isi degistirici olarak konumlandirinak da mümkündür. Burada önemli olan genlesme sonrasinda gazda kalan iç isi ile isitilan gazin ön isitmasini yapmaktir. Sekil 2 isitma haznesinin soguk gaz girisinden giren gaz (17) ilk olarak bu ara isi degistiricinin (26) isi transfer yüzeyleri ile karsilasmaktadir. Sogutulan gaz akisi sirasinda (24,25,26,27) bir isi transfer cidarinin bir tarafinda disariya isi vermektedir. Ara isi degistirici (26) cidarinin diger tarafinda ise isitilan gaz (28) ters yönde akmakta ve bu isiyi alarak ön isitma isleminden geçmektedir. Sekilde ara isi degistirici (26) helisel sarilmis boru olarak gösterilmistir. Fakat uygulamada üzeri isi transfer kanatlari olan düz boru veya plaka gibi bilinen isi degistirici kombinasyonlari da kullanilabilir. Dogal olarak iki akiskan arasinda isi geçisi olmasi için bir sicaklik farki olmalidir. Sogutulan gazin bu akis sirasinda sicakligi azalinakta ve en soguk halinde iken isitilmak üzere hazneye yeni giren gaza isi (28) vermektedir. Sogutulan gaz hazneye yeni girdiginde ve en yüksek sicakliginda iken de belirli bir isi almis olan isitilan gaza isi vermektedir. Örnek olarak bu ara isi degistiriciye (26) genlestirme isleminden (23,20,24) gelen gazin 700 K sicaklik ile girdigini (25) var sayalim. Burada isisini isitma haznesine sayalim. Isitma haznesine yeni giren gazin da bu isiyi alarak ( 17) 300 K sicakliktan 670 K sicakliga kadar isindigini var sayalim. Burada bir ters akisli isi degistirici yapilmis olinaktadir. Bu durumda ara isi degistirici ile yapilan bu ön isitmada isitilan gazin sogutulan gaz sicakligina yakin sicakliga kadar belirli bir sicaklik farki ile isitilmasi mümkündür. Bu isitma islemi için sisteme net bir harici isi girisi gerekmemektedir. Sogutulan gaz bu ara isi degistiriciden çiktiktan sonra inümkün olan en düsük sicakliga indirilmek üzere bir son kademe soguk isi degistiriciye (5) girer. Burada bir soguk akiskan kullanilarak bu gazdan isi alinir. Sekilde helisel sarilinis bir boru isi degistirici (31) içinden bir soguk akiskan geçisi (30,32) gösterilmektedir. Bu soguk akiskan uygun bir sivi veya gaz olabilir. Örnegin deniz suyu veya bir radyatör sisteininde sogutulan tatli su veya ortam havasi sogutma akiskani olarak kullanilabilir. Bu son kademe isi degistirici de tercihen bir ters akisli isi degistirici olarak çalismaktadir. Sogutulmus (33) gaz buradan çikip gaz geçis haznelerinden birine dolmaktadir.

Genlesme silindirindeki piston bu sogutma dolasimina gaz basarken bu hattin içinde daha önceki stroklarda basilmis gaz bulunmaktadir. Örnegin piston bu hatta gaz bastigi anda ara isi degistiricinin (25,26,27) ve son kademe soguk isi degistirici hacimlerin (5) içinde daha önceden basilmis ve belirli bir süredir disarina isi veren gaz bulunmaktadir. Örnegin pistonun (10) bir strokta bastigi gaz (23) miktarindan çok daha fazlasi mesela 100 kati gaz ara (25,26,27) ve son kademe (5) isi degistiricilerin içinde bulunmaktadir. Sogutma hattinin gazi (23) bastigi anda sogutma hattinin diger tarafindan sogutulmus gaz da aktarma odalarindan birine dolmaktadir. Gazin hareketi ve gaz geçis odasina dolmasi için pistonun silindirdeki gazi basmasi kullanilmaktadir.

Sekilde birbiri ile es yapida üç adet geçis odasi (6,7,8) gösterilmistir. Bu gaz geçis odalari (6,7,8) bulus konusu motorda ayni anda üç termodinamik islemin birden kesintisiz olarak yapilabilmesi için kritik bir oynamaktadir ve daha önce tanimlanmamis yeni bir kavramdir.

Gaz geçis odalari birbirleri ile es yapida oldugundan her gaz geçis odasinda ayni isi yapan subablar ayni referans numaralari ile isaretlenmistir. Sekil 2 ve Sekil 3 de 3 adet gaz geçis odasi gösterilmistir. Bu sistemin uygulamasinda asgari iki adet gaz geçis odasi olmasi gerekmektedir. Sayilari üç veya daha fazla da olabilir. Bu gaz geçis odalari her piston strogunda arka arkaya birbirleri ile görevlerini degistirmekte ve belirli bir düzene göre motorun çalismasinda süreklilik saglamaktadirlar. Bu geçis odalarina (6,7,8) gaz veren veya alan gaz yollarindaki (15,16,l9) gaz geçisleri belirli bir düzene göre gaz geçislerini baslatir Sekil 2 de genlestirme silindirindeki piston (10) yukari çikarken silindirdeki (9) gazi da tahliye (23) etmektedir. Bu gaz bir ara isi degistiriciye dogru yol (20,24) almakta ve da belirli bir seviyeye inmistir. Bu gaz süpürme sonucu bir gaz yolu (19) ile gaz geçis odalarindan birine (7) soguk gazi dolmaktadir. Genlestirme silindirinin gaz tahliye (23) subabi ile soguk gazin doldugu gaz geçis odasinin (7) soguk gaz giris subabi (11) ayni anda açiktir. Bu durumda tahliye sirasinda silindirin içindeki (9,23) basinç ile geçis odasina ile basinç düsüsü kadar bir basinç farki vardir. Bu teorideki sabit basinç altinda sogutma varsayimina yakin bir sonucun uygulamada alinabilmesini saglayacaktir. Yine gaz geçis (7)10 odasina dolan gaz hem ara isi degistiricide hem de son kademe isi degistiricide belirli bir süre kaldiktan ve belirli bir soguma yaptiktan sonra gaz geçis odasina girdigi için son kademe sogutucu akiskan sicakligina belirli bir yakinlik saglanarak sogutulmaktadir.

Sogutma sirasinda basinç yaklasik olarak sabit kaldigindan soguma sirasinda gazin yogunlugu artmaktadir. Örnegin silindirden tahliye (23) sirasinda gazin 600 K sicaklik 10 bar basinç altinda ve 2 lt = 0.002 m2 hacimde oldugunu var sayalim. Aktarma odasina (7) da ayni kütlede gazin girdigini (34) fakat basincin `10 bar olmakla beraber sicakligin 300 K ne düstügünü var sayalim. Bu durumda aktarma odasina giren gazin (34) hacmi de yariya düsecek yani 1 lt olacaktir. Bu gaz geçis odasina (7) soguk gaz (34) doldugu anda bu gaz geçis odasinin giris subabi (11) kapanmaktadir. Ayni sirada piston (10) üst ölü noktaya çikmis ve silindirin tahliye subabi da kapanmistir. Eger tek genlesme silindiri kullaniliyor Uygulamada sik durma tekrar baslama seklinde bir akis bu sogutma hattinda belirli bir basinç dalgalanmasina neden olacaktir. Sogutma hattinin içinde sürekli gaz olacagindan sogutma islemi de sürekli olarak devam edecektir.

Sekil 2 bir sicak ver basinçli gaz ihtiva eden isitma haznesi (4) gösterilmistir. Bu haznedeki (4) gaz sürekli olarak sicakligi gaz sicakligindan daha yüksek cidarlar (26,37) ile temas etmekte ve isi almaktadir. Baska bir ifade ile bu haznedeki gazin isitilmasinda herhangi bir kesinti olmamaktadir. Gazin isitilmasi için iki adet isi degistirici (26,37) gösterilmistir. Bu haznedeki (4) gaz miktari da her genlesme strogunda genlestirilen ve daha sonra silindirden tahliye edilen gaz miktarindan çok daha fazlasini almaktadir. Örnegin her strokta silindirde (9,10) 10 gr gazin genlestirildigini ve sonra silindirden sogutma hattina (23) basilarak tahliye edildigini var sayalim. Böyle bir durumda isitma haznesinde örnegin birkaç kilogram gibi bir gaz kütlesi bulunacaktir. Bu sekilde isitma haznesinin soguk gaz girislinden giren bir gaz kütlesi birkaç yüz genlesme ve tahliye strogu boyunca sürekli olarak sicak isi transfer yüzeylerine temas edecek sürekli olarak isitilacaktir.

Sekil 2 de önceki strokta içine soguk gaz doldurulmus olan bir gaz geçis odalari (6,8) bulunmaktadir. Isitma haznelerinin içine doldurulan (19) soguk gazin basinci ve sicakligi isitma haznesinin (4) içindeki gazin basinç ve sicakliginin çok altindadir. Fakat prensip olarak gaz geçis odasina doldurulan (34) soguk gazin yogunlugu ile isitma haznesindeki sicak ve basinçli gazin yogunlugu aynidir. Örnegin geçis odalarina (19) doldurulan soguk sayalim. Isitma haznesindeki gazin da yogunlugunun 10 kg/m3 sicakliginin 900 K ve basincinin da 30 bar oldugunu var sayalim.

Her çevrimde bir gaz geçis odasina soguk gaz doldurulmakta (19) ve soguk gaz girisi (11) kapatilmaktadir. Ardindan gaz geçis odasindaki (6,8) gaz isitma haznesinin (4) soguk gaz girisine (17) aktarilir (15) ve isitma haznesi çikisindaki (18) isitma islemi tamamlanmis sicak ve basinçli gaz geçis odalarina (6,8) aktarilir (16). Bu amaçla gaz geçis odalari (6,8) ile isitma haznesi (4) arasinda iki gaz yolu birden (15,16) ayni anda açilir. Subablar (13,14) açilana kadar gaz geçis odalarindaki (6,8) basinç isitma haznesindeki (4) basincin çok altindadir. Bu subablarin (13,14) ve gaz geçis yollarinin (15,16) ikisinin birden açilmasi ile bu gaz geçis odalari (6,8) ile isitma haznesi (4) arasinda basinç esitlenir. Gaz geçis odalarindaki (6,8) soguk gaz zorlanmis dolasim (15,35) ile isitma haznesinin soguk gaz girisine (17) doldurulur. Bu amaçla gaz geçis yolu üzerine bir dolasim pompasi (35) konulabilir. Veya baska bir zorlanmis dolasim yöntemi de kullanilabilir. Geçis odalarindaki (6,8) gazin yerine de isitma haznesinin (4) sicak gaz (18) çikisindaki belirli bir sicakliga ulasmis gaz (40) geçer. Yani geçis odalarindaki (6,8) soguk gaz (15) ile isitma haznesindeki (4) sicak ve basinçli gaz kütleleri karsilikli olarak yer degistirmis (16) olur. Ardindan geçis kapanir. Bu sekilde isitmanin sürekli olarak yapildigi bir sistem saglanmis olur.

Sekilde ayni anda iki adet gaz geçis odasi (6,8) ile isitma haznesi arasinda karsilikli gaz degisimleri gösterilmistir. Iki veya daha fazla gaz geçis odasindaki gazlar ile isitma haznesi arasinda yer degisiminin su faydasi vardir. Bu sekilde gazlarin yer degisimi için daha uzun süre kullanabilmek imkani dogar. Uygulamada bu gaz geçis odalarindan birisi ile isitma haznesi arasinda gaz geçisi daha erken açilmasi digerinin daha geç açilmasi seklinde yapilabilir. Bu durumda gaz geçis hazneleri ile isitma haznesi arasinda gazlarin yer degisimi için süre daha uzun tutulmus olacaktir. Ayni anda 3 veya daha fazla sayida gaz geçis odasi ile isitma haznesi arasinda gaz geçisi de yapilabilir.

Sekil 2 de gösterilen gaz akislari tamamlandiginda gaz geçis haznesine (6) sicak ve basinçli gaz doldurulmus ve isitma haznesi (4) ile aradaki gaz akislari (15,16) ve subaplari (13,14) kapatilmistir. Isitma haznesinden (4) çikan (18) sicak gazin yerine ayni kütlede isitilacak soguk gaz (17) doldurulmus olur. Bu sekilde isitma haznesindeki gazin toplam kütlesi ve isitilan gazin özkütlesi de sabit kalmis olur.

Sekil 2 de gösterilen islemler tamamlandigi anda bir isitma haznesine (7) soguk gaz (34) doldurulmus (19) ve hazne giris subabi (11) kapatilmistir. Bunun ardindan gelecek strokta içine soguk gaz doldurulmus olan geçis haznesindeki (7) gaz ile isitma haznesi (4) gaz arasinda karsilikli yer degisimi yaptirilacaktir. Gaz geçis odalarina (6,7,8) gazi veren gaz odalarinin çevriindeki rolleri de arka arkaya belirli bir düzen içinde degismektedir. Içine soguk gaz doldurulan geçis odasi bir sonraki çevrimde içindeki gazi isitma haznesine vermekte ve isitma haznesindeki sicak basinçli gazi da içine almaktadir. Bunun ardindan gelen çevrimde ise ayni haznedeki sicak ve basinçli gaz genlestirilerek güç elde edilmektedir. Ardindan gelen çevrimde ise ayni gaz geçis odasina tekrar soguk gaz doldurulmakta ve yukaridaki çevrim adimlari tekrarlanmaktadir.

Sekil 3 de ayni sistemin gazin genlestirilmesi ile güç elde edilmesi sirasinda çalismasi sematik olarak gösterilmektedir. Bu sirada piston (10) üst ölü noktadan alt ölü noktaya dogru inis hareketine baslamistir. Bu sirada silindirden disari gaz tahliye (20) yolu subabi kapanmistir. Onun yerine gaz aktarma haznelerinden sicak ve basinçli gazi silindire ileten gaz yolu (21,36) açilmistir. Bu gaz yolu (21) sira ile hangi geçis haznesinin genlestirmeye sicak ve basinçli gaz verme sirasi gelmis ise ondan gaz almaktadir. Yukarida ifade edildigi gibi bir önceki strokta bir gaz geçis odasina (6) isitma haznesindeki sicak ve basinçli gaz doldurulmustur. Sekil 3 de bu geçis haznesindeki sicak ve basinçli gazin silindire tasinmasi ve bununla güç elde edilmesi gösterilmektedir. Bu suretle güç pistonu (10) basinçli gaz tarafindan asagi dogru itilmektedir. Sekli karisiklastirmamak için gösterilmemis olan bir krank biyel mekanizmasi ile asagi dogru itilen piston krank milini döndürmektedir.

Uygulamada birden çok sayida örnegin iki veya daha fazla sayida silindir kullanilabilir. Bu durumda her silindir için iki veya daha fazla sayida gaz aktarma odasi kullanilacaktir.

Piston (10) asagi inene ve genlesme strogu bitene kadar genlestirine gaz yolu (21) açik kalir ve silindire gaz (36) dolar. Bu arada da bosalan gaz odasinin (6) basinci ortam basincina düsmüs olur. Bu arada Sekil 3 de iki adet gaz geçis odasi (7,8) ile isitma haznesi (4) arasinda da gaz yer degisiminin (15,16) devain ettigi görülmektedir. Piston (10) alt ölü noktaya ulastiktan sonra tekrar Sekil 2 de gösterilen çalisma düzenine geçisir. Silindirde kalan gaz sogutma hattina verilir ve sogutma hattinin çikisindaki soguk gaz ise bosalan gaz geçis haznesine doldurulur. Sekil 3 de bir gaz genlestirme odasinin (8) isitma haznesi ile arasindaki karsilikli gaz yer degisiminin devam ettigi gösterilmektedir. Sekil 3 de ayrica baska bir gaz geçis odasi ile isitma haznesi arasinda gaz yer degisiminin daha yapilmakta oldugu gösterilmektedir. Bu önceki çevrimde içine soguk gaz (19) doldurulmus olan gaz geçis odasidir (8). Bundan sonra yapilacak strokta ise içine sicak basinçli gaz doldurulmakta olan gaz geçis odasindaki (8) gaz genlestirilecektir. Bu strokta içindeki gaz bosalan gaz geçis odasina (6) ise gelecek strokta soguk gaz girisi (19) verilecektir.

Uygulamada tek silindir piston takimi (9,10) degil birden çok silindir piston takimi kullanilacagindan her silindir tahliyesinde bu sogutma hattina sicak gaz (23) verilecek ve sogutma hattinin sonundaki soguk gaz da bir gaz geçis odasina doldurulup (34) bu oda girisi (1 l) kapatilacaktir. Sekil 2 ve 3 de tek bir genlestirme ünitesi gösterilmis olmasina ragmen uygulamada tercihen birden çok genlestirme ünitesi kullanilacaktir. Bu durumda bir genlestirme ünitesinde gaz genlestirilir ilen baska bir genlestirme ünitesinde ise genlestirilmis gaz sogutma isi degistiricilerine basilacaktir. Yani ayni anda hem Sekil 2 ve hem de Sekil 3 deki islemler gerçeklestirilecektir. Bu durumda gaz aktarma odalarinin sayisi da 3 veya daha fazla olabilir. Gaz genlestirme ünitesi olarak sekillerde silindir piston takimlari gösterilmistir. Fakat bunlarin yerine bilinen herhangi baska bir gaz genlestirme sistemi de kullanilabilir. Örnegin bir döner pistonlu gaz genlestirme ünitesi de kullanilabilir.

Bulusta sunulan sistemin bir geri beslemeli otomatik kontrol sistemi olacaktir. Sisteme disaridan talep edilen mil momenti, devir sayisi bildirilecektir. Sistemden talep edilen güç, moment ve devir sayisi karakteristiklerine göre sisteme isi girisi ve gaz akis subab açilma kapanma zamanlamalarina kumanda edilecektir. Bu sekilde sistemin anlik olarak çalisma karakteristikleri ayarlanacaktir.

Bulus ile sunulan sistemde dogrudan hava kullanmak ve isi kaynagi olarak da bu havanin içinde bir yanma olinasini saglamak da mümkündür. Bu durumda Sekil 2 ve 3 de gösterilen sistemlerde soguk gaz girisi dogrudan açik ortamdan alinan hava olmaktadir. Son kademe sogutucu (5) bulunmamakta onun yerine dogrudan açik dis ortamdan alinan hava (19) gaz geçis odalarina (6,7,8) alinmaktadir. Isitma haznesinde (4) ise sürekli yakit verilmekte ve içeri alinan hava içinde yanma yapilarak sicaklik ve basinç arttirilmaktadir. Bu sistemde atik isilar da benzer bir kapali çevrimli sistemde tekrar güç elde edilmesinde kullanilabilir. Örnegin hava ve yanma ile çalisan bir açik sistem ve bunun isisini kullanan bir kapali sistem kombinasyonu yapilir. Bu durumda Sekil 2 ve Sekil 3 de gösterilen sistemde gaz isitma haznesinde gazi isitmak için içine yakit verilip yanma yapilir. Bu durumda sistemde dolasan gaz hava olacaktir. Tercihen yine genlesme sonrasi gazda kalan atik isi ile bu havanin ön isitmasi yapilacaktir. Bu amaçla ara isi degistirici (26) yine kullanilacaktir. Genellikle gaz veya sivi yakitin yanma sicakligi 2100 K civarindadir. Sistem sikistirmasiz çalismasi durumunda gazin örnegin 300 K ortam sicakligindan 2100 K sicakliga sabit hacimde çikartilmasi söz konusudur. Bu da yine teorik olarak sabit hacimde isitma durumunda basincin kabaca 7 kat gibi artmasi söz konusudur. sicakliga çikartmak istenir. Sekilde son kademe sicak isi degistirici (37) gösterilmistir. Bu isi degistiricide (37) gazi isitma için isi degistiricinin metal cidarinin (37) bir tarafinda isitilacak gaz diger tarafinda da bir isitici akiskan veya baska bir isi giris kaynagi bulunur.

Bu örnegin gaz, sivi veya kati herhangi bir yakitin yanmasi ile elde edilen sicak gaz olabilir. Örnegin bir yanma odasindan gelen hava ile yakitin yanmasi ile ortaya çikan sicak gaz bu isi degistirici (37) girisinden (38) verilebilir. lsisini isitilacak gaza (28,40) aktardiktan sonra da sogumus olarak disari (3 9) çikar.

Uygulamada bu sekilde gösterilen sistemin tamami sekilde gösterilmeyen bir basinçli haznenin içinde çalisacaktir. Bu haznenin içinde belirli bir basinçta gaz bulunmaktadir. Bu haznenin dis ortam ile arasinda bir basinçli gaz izolasyonu yapilmistir.

Burada Sekil 2, 3 de gaz geçis odalari veya tüpleri ve kapali isitma haznesi kullanmanin neden kritik bir önem tasidigini vurgulamak gerekmektedir. Teknigin bilinen durumunda gazi isitmak için bir alternatif açik isitma odasi veya açik yanma odasi kullanmaktir. Örnegin açik yanma odasi 20 bar basinçta gaz varsa havayi yanma odasina sokmak için 20 bar basincin üzerine kadar sikistirmak zorunlulugu vardir. Bu durumda örnegin ortamdan alinan 1 bar basinçtaki hava 20 bar basinca kadar sikistirilir ve bu arada öneinli ölçüde de isinir. Yanma odasina bu sikistirilmis hava verilir yakit püskürtülür yanma gerçeklestirilir.

Bu açik yanma odasinda yanma sonunda basinç degismez fakat gazin sicakligi ve hacmi artar. Bu 20 bar basinçtaki sicak gaz türbinde tekrar açik hava basincina yani 1 bara genlestirilerek güç elde edilir. Bu da sikistirma islemine büyük bir güç harcaninasina neden olur. Sonuçta da çevrimden saglanacak gücün önemli kismini bu gazi yanma odasina sokacak kadar sikistirmaya harcamak zorunlulugu ortaya çikar. Türbinde elde edilen gücün önemli bir kismi da kompresörde sikistirma islemine harcanir. Böyle bir çevrimde çok yüksek sicakliklar olmasina ragmen verim Carnot çevriminin çok altinda kalir. Bu bilinen Brayton çevrimine göre çalisan açik yanma odali gaz türbinlerinde karsilasilan durumdur.

Teknigin bilinen durumunda diger bir alternatif ise kapali yanma odasi veya isitma haznesi kullanmaktir. Burada yanma odasinin veya isitina haznesinin her seferinde bosalmasi ve tekrar dolmasi söz konusudur. Örnegin pistonlu motorda açik ortamdan alinan hava 1 bar basinçtan 20 bar basinca sikistirilir. Bu sirada gazin basinci ile beraber sicakligi da artar.

Piston silindir içinde üst ölü nokta civarina vardiginda ve sikistirma tamainlandiginda yakit püskürtülür veya atesleme yapilir. Gazin sicakligi ve basinci hizla artar. Örnegin 20 bar ve 600 K den kapali sabit hacimde yanma sonucu gaz 60 bar ve 1800 K e çikar. Kisaca kapali yanma odali bir çevrim kullanildiginda gazin yanma odasi azami basincindan çok daha az bir sicakliga sikistirilmasi ve sikistirma islemine çok daha az güç harcanmasi mümkündür.

Bu sekilde kapali yanma odasi kullanildiginda sikistirma islemine harcanan güç de açik yanina odali bir sisteme göre çok daha azdir. Fakat böyle bir kapali yanma odali sistem uygulamada yalniz içten yanmali motorlarda verimli sekilde kullanilabilmektedir. Bunun nedeni ise bir yanma veya isinma odasinda milisaniyeler içinde isinmanin yalniz havanin içinde yakit yanmasi durumunda saglanabilmesidir. Bu da uygulamada Otto ve Diesel çevrimine göre çalisan pistonlu motorlarda saglanabilmektedir. Bu motorlarda da yanma sirasinda 2000 C gibi sicakliklar oldugundan sogutma yapilmak zorunlulugu vardir. Yakitin enerjisinin önemli kismi sogutma ile alinmasi ve ortama atilmasi zorunlu olmaktadir. Yine enerjinin önemli kismi da egsoz gazindaki atik isi olarak ortama atilmaktadir ve bunun genel olarak kazanimi söz konusu degildir. Teknigin bilinen durumunda Stirling motorlari da bilinen içten yanmali pistonlu motor sistemi ile isletilmeye çalisilmistir. Bir gaz kütlesini temas ettigi cidarlar araciligi ile disaridan milisaniyeler içinde etkin hizli bir isinma saglamak mümkün olmamistir.

Bu bulusta tanimlanan sistemde bir geri beslemeli otomatik kontrol sistemi gazin sicaklik basinç hiz gibi parametrelerini çesitli yerlerden ölçecektir. Sistemden talep edilen güç karakteristiklerine göre sisteme isi girisi ve gaz akis zainanlamalari gibi çikis parametrelerine kumanda edilecektir. Bu sekilde istenilen güç, moment ve devir sayisi saglanacaktir. - 32:53 Q in\ W ou'r 1 \ P1=P3 Q OUT

Claims (13)

ISTEM LER:
1. l. Isi enerjisinden mekanik enerjisi saglayan, çevrimde çalisan akiskan olarak bir gaz kullanan ve gazi isitarak sicaklik ve basincini arttirma, genlestirerek güç elde etme, sogutarak isitma 'Öncesi sartlara getirme seklinde ard arda tekrar edilen üç termodinamik çevrim adimindaii olusan bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; - birden fazla sayida es yapili gaz aktarma odasi (6,7,8) ve en az bir adet içinde bir isitma haznesi (4) kullanilmasi, - isitma haziiesiiideki (4) gazin sürekli olarak bu gazdan daha yüksek sicakliktaki Cidarlara (26,37) temas etmesi bu sekilde gaza sürekli bir isitma isleminin uygulanarak gazin sicaklik ve basincinin aittirilmasi, - gaz aktarma odasina belirli bir kütlede gazin (33) alinmasi (34) ve ardindan bu gaz girisinin (1 l) kapatilmasi, - gaz aktarma odasinda isitma haznesindekinden daha düsük sicaklik ve basinçta gaz elde edilmesi, - gaz aktarma odasi ile isitma haznesi arasinda iki gaz yolunun (15,16) açilmasi, gaz aktarma odasindaki gazin isitma haznesinin soguk gaz girisine aktarilmasi (15) ve ayni anda isitma haznesinin sicak gaz çikisiiidaki gazin da gaz aktarina odasina alinmasi (16) ardindan bu iki gaz yolunun (15,16) kapatilmasi, - gaz aktarma odasinda isitma haznesinde isitilarak basinci ve sicakligi arttirilmis gaz elde edilmesi, - bu gaz aktarma odasi ile geiilestirme ünitesi arasinda bir gaz yoluiiuii açilarak gaz aktarma haznesindeki gazin genlestirilmesi ve güç elde edilmesi adimlari ile karakterize edilmesidir.
2. 2. Istem 1 deki gibi bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; -isitma haznesinin (4) hacminin gaz aktarma haznelerinin (15,16,17) hacminden daha fazla olmasi, -gaz aktarma hazneleriiiden (15,16,17) birinden bir seferde isitma haznesine (4) aktarilan (16) gaz kütlesinden daha büyük bir gaz kütlesinin isitma haziiesinde (4) kesintisiz bir isitiiia islemine tabi tutulmasi adimlari ile karakterize edilmesidir.
3. Istem 1 deki gibi bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; -gaz aktarma haznesi (6) ile isitma haznesi (4) arasindaki gaz geçisleri (15,16) açilmazdan önce her iki haznedeki (4,6) gazlarin esit özgül hacimde olmasi, bununla beraber isitma haznesindeki (4) gazin sicakliginin ve basincinin aktarma haznesindeki (6) gazin sicaklik ve basinciiidan daha yüksek olmasi, -gaz aktarma haznesiiideki gazin isitma haznesine verilmesi ve yerine ayiii kütlede fakat sicakligi ve basiiici daha yüksek bir gaz kütlesinin gaz aktarma odasina doldurulmasi, -bu gazlarin birbiri ile yer degisimi soiirasinda gaz aktarma haziiesiiide sabit özgül hacimde isitilarak basinci sicakligi ile dogru orantili olarak arttirilmis gaz kütlesi elde edilmesi, -gaz aktarma odasindaki bu gazin geiilestirmeye verilerek güç elde edilmesi adimlari ile karakterize edilmesidir.
4. 4. Istem 1 deki gibi bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; -gaz aktarma haznelerinden (6,7,8) en az biriiideki gaz ile isitma haznesindeki (4) daha yüksek basinç ve sicakliktaki gaz kütleleri arasinda yer degisimi yapilmasi, -ayni anda isitma haznesindeki (4) gazin isitilinasinin devam ettirilmesi, -ayni anda baska bir gaz aktarma haznesine genlestirilinis ve ardindan sogutulmus (19) gazin doldurulmasi, -ayni aiida baska bir aktarma haznesindeki gaziii da genlesme ünitesiiie aktartilarak genlestirilmesi, -gazi sabit hacimde isitarak basincini arttirma ve bu sekilde isitilarak basinci arttirilmis gazi genlestirerek güç elde etme islemlerinin beraberce, ayni anda ve kesintisiz olarak sürdürülmesi adimlari ile karakterize edilmesidir.
5. Istem 1 veya 4 deki gibi bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; -gaz aktarma haziieleriniii (6,7,8) birbiri ardina tekrar edilen her çevrimde islevlerini belirli bir çalisina düzenine göre degistirmesi, -bir gaz aktarma odasina bir çevrimde soguk isi degistiriciden (5) gelen (19) gazin doldurulinasi (34) ve ardindan bu gaz girisinin (11)kapatilmasi, -ayni gaz aktarma odasiniii bir sonraki çevriinde içindeki gazi isitma haziiesiiie vermesi yerine gaz isitma haznesinden isitilmis ve basinci arttirilmis gaz almasi,-ayni gaz aktarma odasinin ardindan gelen çevrimde içindeki isitilinis ve basinci arttirilmis gazi genlestirine ünitesiiie vermesi, -ayni gaz aktarma odasinin ardindan gelen çevrimde içine soguk isi degistiriciden (5) gelen (19) gazin doldurulmasi (34), -çevriinin ayni islem adiinlarinin ayni sekilde tekrar edilerek sürdürülmesi adimlari ile karakterize edilmesidir.
6. 6. Istem 1 deki gibi bir güç çevrim yöiitenii olup özelligi; -genlestirme isleminden çikan gazin sogutuldugu, bu gazdaii alinan isinin isitma haznesindeki gazin isitilmasinda kullanildigi bir ara isi degistirici (26) kullanmak, -isitma haznesindeki (4) gazin sicakligini, sogutulan gazin verdigi isiyi kullanarak belirli bir sicakliga kadar arttirmak, -daha sonra gazin sicakligini baska bir isi degistirici (37) kullanilarak isitma haznesinden (4) çikis (18) sicakligina kadar getirmek, -isitma haznesindeki (4) gazin isitilmasi için kullanilan çevrime disaridan net isi girisini azaltarak çevrim verimini arttirmak adimlari ile karakterize edilmesidir.
7. 7. Istem 1 veya 6 daki gibi bir güç çevrim yöiitemi olup özelligi; - ara isi degistiricinin (26) isitilan (28) ve sogutulan (24) gazlarin bir isi degistirici cidarin (26) iki tarafinda birbiri ile zit yönde akitildiklari bir ters akisli isi degistirici olmasi ile karakterize edilmesidir.
8. 8. Istein 1 veya 6 daki gibi bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; -isitma haznesinin (4) içine yerlestirilmis kapali bir boruda (37) bir isitici akiskanin dolastirildigi bir isi degistiricinin haznedeki (28,40) gazi isitmak için kullanilmasi, -isitici akiskanin akis yönünün (38,39), hazne içinde isitilan gazin akis (28,40) yönünün tersine olmasi, -gazin sicak hazne çikisinda (18) hazneye yeni giren ve en yüksek sicakliginda olan akiskan (38) tarafindan isi verilerek isitilmasi adimlari ile karakterize edilmesidir.
9. 9. Istem 1 deki gibi bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; -isitma haznesindeki (4) gazin haznenin disina yerlestirilmis bir kapali boruya zorlanmis akis ile basilmasi, -bu kapali borunun sicakligi gaz sicakligindan daha yüksek bir isitici ortam içinde bulunmasi, -gaz bu isitici ortam içindeki bom içinde ilerlerken sicakliginin da arttirilmasi, -bu isitici boru çikisinda sicakligi arttirilmis gazin aktarma haznesine alinmasi adimlari ile karakterize edilinesidir.
10. 10. Istem 1 deki gibi bir güç çevrim yöntemi Olup özelligi; - genlesme isleminden çikan gazin hem girisi (29) hem çikisi (33) ayni anda açik olan bir haznede (5) sogutulmasi, -bu sogutma haznesinin (5) hacminin bir çevrimde genlestirilen gaz kütlesinden daha fazlasini alinasi, -bu sogutma haznesinde (5) sicakligi gaz sicakligindan daha düsük cidarlara (31) gazin temas ederek sogumasi, - bu sogutma haznesine (5) giren gazin bir çevrim süresinden daha uzun bir süre -bu sogutma haznesinden (5) çikan gazin (19) gaz aktarma odalarindaii (6,7,8) birine doldurulmasi adimlari ile karakterize edilmesidir.
11. ll. Istem 1 veya 10 daki gibi bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; - genlesme isleminden çikan gazin (23) arka arkaya iki adet isi degistiriciden (26,5) olusan bir sogutma hattindan geçirilerek sogutulmasi, - gazin girdigi ilk isi degistiricide (26) gazin biraktigi isinin isitilan gazin (28) 'Ön isitmasinda kullanilmasi -bu sogutma hattinin gaz girisine (20) genlesme ünitesinden gelen genlestirilmis gazin (23) girmesi, -bu sogutma hattimn çikisindan (19) gaz aktamia odalarina (6,7,8) gaz çikmasi, -gaz sogutma isleminin kesintisiz olarak devam etmesi adimlari ile karakterize edilinesidir.
12. 12. Istem 1 veya 10 daki gibi bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; - sogutma hattina gaz giris (23) basinci ile sogutma hattindaii gaz çikis (19) basinci arasinda gazin aradaki hatta basinç kaybina denk bir basinç farki olmasi, - gazin genlestirme sonu basincinin gaz aktarma odasina giris basinci ile sogutma hatti boyunca basinç kaybi toplamina esit olmasi adimlari ile karakterize edilmesidir.
13. 13. Istem 1 deki gibi bir güç çevrim yöntemi olup özelligi; - gazin aktigi hatlar üzerine basinç ve/veya sicaklik ölçen sensörler konulmasi, -anlik istenilen mil momenti ve devir sayisi karakteristiklerine göre sisteme isi girisinin ve gaz akis zamanlamalarinin degistirilmesidir.