Ekserji nedir?
Ekserji, bir sistemin içinde bulunduğu çevre koşullarına göre üretebileceği azami faydalı iş miktarıdır. Termodinamiğin birinci yasası enerjinin miktarını izler ve enerjinin yoktan var edilemeyeceğini, yok edilemeyeceğini söyler. İkinci yasa ise enerjinin bir kalitesi olduğunu ekler: 1000 K sıcaklıktaki bir kilojul ile 300 K sıcaklıktaki bir kilojul aynı miktarda enerjidir ama aynı miktarda iş üretemez. Ekserji bu kaliteyi ölçen büyüklüktür ve enerjinin aksine korunmaz — her gerçek süreçte bir kısmı geri dönüşsüz olarak yok olur. Bu yok oluşa ekserji yıkımı denir ve sistemin içindeki tersinmezliklerin doğrudan ölçüsüdür.
Enerji analizi neden tek başına yetmez?
Bir gaz türbininin enerji verimi hesaplandığında, yakıtın kimyasal enerjisinin bir kısmının egzoz gazlarıyla ve ısı kaybıyla sistemden ayrıldığı görülür. Ancak enerji analizi bu kaybın tamamını tek bir kalem olarak toplar ve "burada bir kayıp var" demekle yetinir. Oysa bu kaybın bir bölümü termodinamik yasaları gereği kaçınılmazdır, bir bölümü ise daha iyi tasarımla geri kazanılabilir. Ekserji analizi ikisini birbirinden ayırır ve kaybın hangi bileşende yoğunlaştığını gösterir. Gaz türbinlerinde en büyük ekserji yıkımı tipik olarak yanma odasında ortaya çıkar; çünkü yakıtın kimyasal enerjisinin kontrolsüz bir sıcaklık artışıyla ısıya dönüşmesi, yüksek tersinmezlik içeren bir süreçtir. Bu, enerji analizine bakan bir mühendisin göremeyeceği bir sonuçtur: yanma odası enerji açısından son derece verimli görünür.
İleri ekserji analizi: kayıp kimin suçu?
Klasik ekserji analizi her bileşendeki yıkımı ayrı ayrı verir ama bir soruyu cevapsız bırakır: bir bileşendeki kayıp o bileşenin kendi verimsizliğinden mi kaynaklanıyor, yoksa diğer bileşenlerin ona dayattığı çalışma koşullarından mı? İleri ekserji analizi yıkımı endojen ve eksojen bileşenlere ayırarak bu soruyu cevaplar. Aynı yaklaşım kaybı kaçınılabilir ve kaçınılamaz olarak da ayırır. Pratik önemi şudur: bir bileşende büyük bir kayıp görünüyor olması, o bileşene yatırım yapmanın kazanç getireceği anlamına gelmez — kayıp eksojen ve kaçınılamaz nitelikteyse iyileştirme başka yerde aranmalıdır. Prof. Dr. Yasin Şöhret ve ekibi bu ayrımı deneysel bir turbojet motorun ana bileşenleri üzerinde hesaplayarak yayımlamıştır.
Ekserji verimi tek bir sayı değildir
Bir motorun ekserji performansı sabit bir katsayı gibi düşünülemez; irtifa, uçuş hızı ve güç ayarıyla birlikte değişir. Bu yüzden anlamlı bir değerlendirme, motoru tek bir tasarım noktasında değil uçuş zarfının tamamında incelemeyi gerektirir. Şöhret’in çalışmaları arasında bir kargo uçağının üç milli turboprop motorunun uçuş boyunca ekserji analizi ve bir insansız hava aracının keşif görev zarfı boyunca ekserji haritalaması yer alır. Bu tür çalışmalar, yerdeki test sonuçlarıyla gerçek görev koşullarındaki davranışın neden farklılaştığını görünür kılar.
Alternatif yakıtlar tabloyu nasıl değiştirir?
Yakıt değişimi yalnızca emisyon değerlerini değil, motorun termodinamik davranışını da değiştirir. Hidrojenin alt ısıl değeri, yanma sıcaklığı ve alev hızı kerosenden farklıdır; bu da yanma odasındaki tersinmezliği ve dolayısıyla ekserji yıkımını doğrudan etkiler. Şöhret’in bu alandaki çalışmaları arasında hidrojen kullanımının bir turbojet motorun ekserjetik performansına etkisi, hidrojenle çalışan kavramsal bir ramjet motorunun ekserji temelli değerlendirmesi ve hidrojen yakıtlı buji ateşlemeli bir motorda ateşleme zamanlamasının enerji ve ekserji dengesine etkisi bulunmaktadır.
