Buhar makinaları

Buhar makinaları

Buhar makinasına, genellikle insanlığın gelişmesine teknolojinin yaptığı en büyük katkı gözüyle bakılır. İlk buhar makinasını izleyen iki yüzyıllık süre içinde ticaret ve sanayi, o zamana kadar görülenin çok üstünde bir hızla gelişti. Yaşamın bütün yönlerini etkileyen bu har makinası, hemen hemen yalnızca yararlı amaçlara hizmet eden bir kaç buluştan biridir.
Buhar Gücünün Etkisi

Buhar makinasının önemi, ilk kez kömür madenciliğinin gelişme siyle vurgulandı. 1712’den önce sularla kaplı olan kömür yatakların da çalışmak olanaksızdı. Sonra Tho mas Newcomen (1663-1729). suyu dışarı pompalayabilecek bir buhar makinası (2) geliştirdi. Bu son derece basit bir makinaydı ve bir kaç parçası dışında bütünüyle yerel ustalar tarafından kolaylıkla yapıla bilmekteydi. Ne var ki, silindirinin her vuruştan sonra soğutulması gerektiğinden, çok fazla yakıt harcıyor bu nedenle de yalnızca bol ya kıt bulunan madenlerde kullanılabiliyordu.

1769’da James Watt (1738 1819)
tarafından yapılan makinada (5) çalışma çevriminin sıcak ve soğuk evreleri birbirinden ayrılmıştı; böy-lece enerji kaybı, yakıt tüketimi üçte iki oranında düşürerek azaltıyordu. Sonuç olarak, Watt’ın ma kinası yakıtın az ve pahalı oldu ğu yerlerde de kullanılabildi.

VVatt’ın makinası demir işçili ğinin gelişmesine yolaçmış, dökme demirin kolaylıkla elde edilebilir olması İngiltere’de büyük bir sınai gelişme dönemini başlatmıştır.

XIX. yüzyılın ortalarına doğru, va-tay ve düşey tip buhar makinaları ortaya çıkmış ve özellikle dokuma fabrikalarında kullanılan güçlü üretim araçları olarak geliştirilmişlerdir

Buhar gücünün etkili olduğu başka bir alan da ulaştırmaydı. Richard Trevithick’in (1771-1833) öncülüğünde geliştirilen buharlı lokomotifler (4), kanal mavnalarından dana ucuz ve daha hızlı ta şımacılık sağlayan demiryolu ağlarının kurulmasına yolaçtı. Buharlı gemiler aracılığıyla artık kıtalararası yolculuk kısa zamanda tamamlanıyor, rüzgar ve hava koşul larından bağımsız olan gemiler kullanılabiliyordu

Buhar gücünün kullanılmasında başka bir önemli aşama da 1884
yılında Charles Parsons (1854-1931) tarafından buhar türbininin bulun-masıyle yapıldı. Bunun öncekilerden üstünlüğü, yaratılan hareketin ileri geri değil dönen bir mil halinde elde edilmesiydi. Artık bağlantı çubuklarına, krank ve eksantrik gibi karmaşık mekanik düzenlere gerek yoktu. Bu buluşu izleyen 20 yıl içinde 70.000 BG’lik Parsons türbinleri ile çalışan transatlantiklerin, saatte 45 km’yi bulan bir hızla yol almaları gerçekleştirildi
Buhar Makinalarının Çalışma İlkeleri

Buhar makinası, buhardaki ısı enerjisini kullanılabilir güç haline dönüştürür. Suyun sıvı halden gaz haline dönüşünceye kadar ısıtılmasıyla ortaya çıkan gaza buhar denir. Eğer bu işlem kapalı bir kapta (kazanda) yapılıyorsa, ısının artırılmasıyla sıcaklık ve basınç yükselir. İsı yakıt, güneş yada nükleer reaktör gibi değişik kaynaklardan elde edilebilir. Çok kullanılan buhar makinalarında buhar basıncı bir mili döndürebilecek şekilde bağlanmış olan pistonu iter Türbinde ise buhar, memelerden püskürerek
kirişe takılı bir bağlantı da pistonun ileri geri hareketi ile aha pompayı çalıştırır’ dı. Bir boru havayı ve yoğunlaşmış olan suyu dışarı atmaya, bir küçük pompa da suyu üst depoya [5] aktarmaya yarardı.
atarak ağırlığı azalttı Ayrıca, ocağı kazan kovanı içine yerlesti-
rerek ve dışarı atılan buharla kazanı besleyen suyu ısıtarak, tasarruf sağladı Bundan sonra, motoru demir raylor üstünde yürüyecek şekilde tekerlekler üzerine yerleştirmek küçük bir adım
dı ve burada görüleı lokomotif, 1803 yılın demiryollarının elveı liliğini kanıtladı. Tel’ yatay silindir, kazan yerleştirilmişti ve vo lan her iki dingili de bir dişli çark takımı ile döndürüyordu.
4) Richard Trevithick

yüksek basınçlı buhar kullanımına önayak oldu ve basıncı 22,7 kg/6,5 sm2’ye çıkararak oldukça küçük makinalardan büyük güç elde etti. Aynı zamanda yoğunlaştırıcıyı
2) Newcomen’in 1712

de yapılan makinası. hareketi pompalara bir piston ve bağlantı aracılığıyla ileten ilk buhar makinasıdır. Kazandan [1 ] gelen buhar, silindire [2] geçer ve piston [31 pompa çubuklarının
ağırlığı ile çekilerek yukarı çıkardı. Ardından buhar kesilir ve püskürtülen soğuk su |4), içerdeki buharı yoğunlaştırırdı. Böyle-ce ortaya çıkan vakum pistonu gene aşağı iten bir basınç oluşturur,
1) Savery’nin 1696’da 2

yaptığı buhar maki-nası basıncı vakumu ve yoğunlaşmayı birleştiren ilk makina-dır Kazandan [1j gelen buhar, çalışma bölmesine [2] geçer ve musluk (3] kapanır.

Bir püskürtücüden [4] serpilen soğuk su, buharı yoğunlaştırarak [2] de bir vakum yaratır ve buraya [5] ten su çeker. Gene [2] ye gönderilen buhar, suyu yukarıya, süpabtan [6] dışarı iter.
3) Küçük, güçlü buhar makinaları. Tre-vithick’in 1803’te gerçekleştirdiği lokomoti fin akıllıca aelistiril-miş yeni şekilleriydiler. Bu buhar makina-ları, o zaman varolan ve sonraları özel olarak yapılan makina-lara
bağlanınca, insanları ağır işler yapmaktan kurtardı, üretimi artırdı ve birçok sanayi dalında maliyeti düşürdü. Richard Hoe nun burada görülen baskı makinası (1847), bir kağıt şerit ile üstünde harflerin bulunduğu silindirden
oluşan bir döner makineydi Buhar gücü aynı zamanda tarımı da etkiledi. Kendi kendine yürüyen ilk başarılı yol araçları olarak bilinen çekme makinaları, ağır treylerleri ve harman ma-kinalarını çekip çalış-tırabiliyordu.

;ürbin çarkının kanatlarına vurur

Bu işlem tersine de çevrilebilir, îğer buhar yoğunlaştırıcıda soğu-ulursa gene su haline gelir. Kapa-ı bir kap içindeyken hacim kü-;ülmesi enerjinin yenilenmesini ¡ağlayan bir vakum yaratır. Bu iki lke 1693’da Thomas Savery’nin (1650-1715) su pompalayan bir marinada buhar gücüyle vakumu bir-ırada kullanmasından yaklaşık /üzyıl önce biliniyordu (1).

Buharın çalışma çevrimi sıramda yoğunlaşması, enerji kaybı lemektir. Buhar makinaları, buha-■ı en yüksek sıcaklığa çıkaracak, :evrim sırasında yoğunlaşmayı en ıza indirecek ve buharı en düşük sıda dışarı atılana değin genleş-irecek şekilde tasarlanıyordu. \maç, buhardan alınabilecek en azla ısı enerjisini almaktı. Bu da iuharın, makinaya giden borular ia, kazandan gelen dumanı kulla iarak, kızdırıcı denen sistemle ısırılması ile sağlandı. Modern bir îantralda aşırı ısıtılmış buhar 600 C /e kadar çıkabilir. Buharı çevrimin bir bölümünde kullandıktan sonra, sıcak kazan boruları arasından getirerek bir kez daha ısıtmak verimi nrtırır. Bu yolla kazandaki yakıtın vanmasıyle elde edilen ısı, bu-
hara enerji sağlamak üzere üç kez kullanılmış olur. Dışarı atılan buhar silindir duvarlarını soğutur. Bunu önlemek için silindirin çevresi buhar gömleği denilen, kızgın buharla dolu bir kılıfla kaplanır.
Yakıt Tasarrufu

Isıdan tasarruf etmenin başka yolları da vardır. Kazana verilen suyun, buharlaşmadan önce kaynama noktasına getirilmesi yararlı olur. Ancak kazana ulaşmadan önce suyun yakıt tasarrufu sağlayacak biçimde yapılması gerekir. Bunu elde etmenin iki yolu vardır. Ekonomizer, kazandaki sıcak gazların içinden geçen borulardan oluşmuştur ve bu borulardan geçirilen su 93°C’ye kadar çıkar. Ancak, 370°C’lik bir buharlaşma sıcaklığı gerektiren modern bir sant-ralda daha fazla ön-ısıtma gereklidir. Kazanı besleyen su, türbin sisteminin değişik noktalarından alınan ve daha önce ana türbinlere güç sağlamış olan buharla ısıtılır. Besleme suyu ısıtma ara-devresi denen bu sistem, doğrudan kazandan gelen suyun kızgın buharla önceden ısıtılmasından daha az enerji harcar
İlk tasarıların çoğu, araçlarına uygular. lerinin dönebilmesi

buhar makinasını ge- Bütün tasanlar maki- için döner

nellikle yönlendirile- nanın karşılıklı (yan- harekete dönüş-

bilir mekanik taşıt ola- yana) hareketini. türmek sorunuyla

rak düşünülen yol aracın tekerlek- karşı karşıyaydılar.
ayrıca bak.
124 Lokomotifler

50 Buhar gücü

98 Modern gemiler

6 Modern teknoloji
) James Watt‘ın

769’da yaptığı motor, oğunlastırıcı ile sindirin birbirinden ayılması ile daha az ya ıt harcıyordu ama, âlâ sadece bir pom-alama motoruydu, îelişen sanayi maki-
nalarının çalıştırılabilmesi için Watt’in 1784-te yaptığı çift etkili buhar makinasından sağlanan güçten yararlanmak gerekiyordu, bu makina, Newcomen makinasımn oldukça aelismisiydi. Bir ocak
(11. kazanın (21 tabanını ve yanlarını ısıtıyordu. 3.2 kg/sm2 ba sineli buhar, pistonu (7) aşağı yukarı çalıştırmak için üstü kapalı bir silindire (61 geçirilirdi. Güç. paralel bir hareket bağ-
lantısı [22] aracılığı ile merkezi çevresinde sallanan bir kirişe (23) bağlıydı. Bu hareket de. bir ucunda sıkıca bağlı sabit bir uydu dişlisi (25) bulunan bir bağlantı mili (241 ile üretim yerine
aktarılıyordu. Bu mil volan milindeki merkez dislisini [26] döndürür. Bir eklem, uydu ve merkez dişlilerini birbirine geçmiş durumda tutar. Volandaki

(27] dişler kumanda çarkı ucundaki dişlerle
(28] birbirine geçmiştir. Motorun çerçevesi tahtadan yapılmıştır; hızı ise bir regülatör [11] ile denetlenir. Buhar iki çift supap aracılığı ile silindire girip çıkabilir ve dışarı atılan buhar soğuk su
fıskiyesiyle [151 yoğun-lastırıcıda [14] yoğunlaştırılır.’ Su ve hava bir pompa [16] ile dışarı atılır ve su. şamandırayla [4] ayarlanarak besleme pompası [18] yoluyla kazana pompalanır
1 Ocak kapağı

2 Kozan

3 Su

4 Şamandıra

5 Buhar borusu

6 Silindir

7 Piston

8 Ruhar kısma supabı

9 Üst supap hücresi

10 Alt supap hücresi

11 Regülatör

12 Reaulator zinciri

13 Yoğunlaştırıcı su tankı

14 Yoğunlaştırıcı
15 Soğuk su fıskiyesi

16 Pompa

17 Besleme suyu tonkı

18 Besleme pompası

19 Besleme suyu borusu

20 Yoğunlaca verilen su

21 Piston kolu

22 Poralel hareket bağlontısı

23 Kiriş

24 Bağlantı mili

25 Uydu dislisi

26 Merkez dislisi

27 Dişli volan

28 Dişli kumanda çarkı

Buhar gücü Sanayi Devriminı getirdi, ama günümüzde hemen hemen hiç buhar makinasına raslan maz. Bununla birlikte, elektrik üre timinde buhar gücünden (türbin döndürme anlamında) hâlâ başlıca hareket sağlayıcı güç olarak va rarlanılmak tadır
Modern Güç Santralları

Modern bir termik güç santra Unda yüksek basınçlı buhar elde etmek için kazan borularında dola şan su, kömür yada yağ yakarak yada nükleer reaktörden elde edilen ısı ile kaynatılır (1). Buhar, borulardan geçerek, üzerinde tek bir mile takılı, pervaneye benzer bir dizi kanadın bulunduğu türbine gider. Memelerden kanatlara doğru püskürtülen buhar, türbini döndürür. Türbin milinin ucuna bağlı bir jeneratör de milin dönme hareketini elektrik gücüne dönüştürür.

Güç santralının üç elemanı, ya ni kazan, türbin ve jeneratör, en verimli makinanın yapılabilmesi için önemli ölçüde geliştirilmiştir. Sonuç olarak, elektrik üretiminin verimi (verilen ısı enerjisine karşı lık alınan elektrik enerjisi) 1900
yılında yüzde 5 iken 1975 yılında yüzde 40’a yükselmiştir. Başka bir deyişle, verimde bu artış sağlanma saydı, bir güç santralı aynı miktarda elektrik üretebilmek için bu nun sekiz katı kadar yakıt kullan mak zorunda kalacaktı.

Büyük bir enerji santralının kazanı, bugün saatte 200 ton a va ran toz kömür yakmaktadır. Dekovil vagonları kömürü santrala getirip büyük depolara boşaltırlar; buradan da kömür, taşıyıcılarla ka zana aktarılır Tartılan ve öğütü lerek toz haline getirilen kömür, havayla karıştırılıp vantilatörlerle madeni kanallardan ocağa gönderilir.
Buharın Elde Edilmesi

Kazan, suyu aktaran dik borularla çevrili baca şeklinde uzun bir yapıdan oluşur. Kömür-hava karışımının yanmasıyla elde edilen ısı, suyu kaynatarak buhar üretir. Bu buhar, önce buhar fıçısı içinde toplanır, sonra daha da yüksek sıcaklıklara çıkmak üzere kazanın en sıcak bölümündeki bir dizi borudan geçerek iyice kızdırılır.

Kızdırıcıdan sonra buhar doğ
ruca türbinlere (2) gider. Buhar, önce yüksek basınçlı türbine giderek, sabit türbin bıçaklarının arasından geçer. Bu bıçaklar meme görevi görürler ve püsküren bu-buharı döner bıçaklara yöneltirler. Buhar bıçakların arasından geçerken rüzgarın yel değirmenini dön dürmesi gibi, türbini döndürür. Yüksek basınçla kazandan çıktıktan hemen sonra buhar, kazana gönderilerek yeniden ısıtılır; sonra orta ve alçak basınçlı türbinlerden (3) enerjisini derece derece verip dönme gücü üreterek geçer

Sonunda, enerjisinin çoğunu tü ketmiş olan buhar, bir yoğunlaş-tırıcıda gene suya dönüşür. Yoğun laştırıcı, içinde soğutma , boruları bulunan büyük bir kaptır. Bu boruların içinde dolaşacak soğuk su çevredeki bir akarsudan sağlanır. Soğutucu su, buhardaki son ısıyı da alarak yeniden ısınmak üzere kazana gidecek sıcak suyu oluşturur. Yoğunlaşma sonucunda, vo-ğunlaştırıcının içinde bir vakum oluşur, bu vakum yoluyla da buhardan daha fazla enerji alınması sağlanır

Türbin milinin hızı, onu döndüren elektriğin frekansı ile belir lenir. İngiltere ve öteki birçok Av-
1) Modern bir güc

santralı kömürün yanmasıyla elde edilen ısı enerjisini elektriğe çevirir. Dekovil vagonlarından boşaltılan kömür tiJ. taşıyıcı bantla (21 kazanın deposuna |3] taşınır. Öğütücüde [4| toz haline gelen kömür, sıcak hava ile (51 karıştırılarak ocağın [61 içine püskürtülür ve burada gaz gibi yanar. Böyle-ce kazanın duvarlarını oluşturan boruların [71 içinde dolasan suyu kaynatır. Yanmış kömürün külü [81 bir süzme kabında birikir ve egzos gazları [9| ekonomizerdeki [12] kazan besleme suyunun önısıtmasında olduğu gibi, kızdırıcı 1101 ve ısıtıcıda 1111 da ısısını verdikten sonra hava ısıtıcısından [131 geçer, çökelticiye oradan da sonunda bacaya [15] ulaşır. Kızdırılmış buhar önce yüksek basınç türbinine 1161 gelir, sonra ısıtıcı yoluyla orta basınç türbinine (171 ve oradan da alçak basınç türbinine [18] geçer. Egzos buharı, soğutma kulesinden [20] serpilen suyla yoğun-lastırıcıda [19] gene su haline dönüşür.

Su. ekonomizer 1121 ve ısıtıcılardan [211 geçerek kazana gider Türbinin cıkıs mili doğruca jeneratöre [221 bağlanmıştır.

Alçak basınç türbini Elektrik jeneratörü
Yüksek basınç türbini Orta basınç türbini
2) Türbinler ve jene*

ratörler buhar aücü ile elde edilen dönel hareketi elektriğe dönüştürürler. Kızgın buhardan en fazla enerjiyi elde edebilmek için türbinler birkaç asamaya ayrılmışlardır. Büyük santrallarda bu sayı beşe çıkabilir ve her bir aşamada buhar bir öncekinden daha
alçak basınçta kullanılır. 600°C kadar kızdırılmış buhar, ener-jisUvn büvük bir bölümünü yüksek basınç türbininde kullanır.

Bu kademede egzos buharı gene ısıtılır ve orta basınçlı bir türbine, sonra da alçak basınçlı türbine aecer. Cıkıs mili bir jeneratörü döndürür
3) Burada şematik

olarak gösterilen alçak basınç türbininde buhar basıncının türbin kanatlarını nasıl döndürdüğü görülmektedir. Buhar basıncının en yüksek olduğu yerdeki merkez kanatlan, basıncın düşük olduğu yerdeki uç kanatlarindan daha kü cüktür.
4) Modern bir santralın türbin bölümünde, büyük bir makina küflesi ve değişik türbinler arasında buhar taşıyan yalıtılmış borular bulunur. Galeriler ve mühendislerin bakım ve denetimini kolaylaştırır. Buhaf üretici kazanlar, zemi altına da yerleştirilebilir.
rupa ülkesinde bu hız dakikada 3000 dönüş (saniyede 50 dönüş) yani 50 herz’lik (saniyedeki çevrim sayısı) bir değişken akım karşılığıdır. Amerika Birleşik Devletleri’nde bu hız normal olarak dakikada 3300 dönüş, yani 60 Hz’dır.

Elektrik jeneratörü, iki elektrik bobininden (2) oluşur. Bunlardan «rotor» adını alan bir tanesi türbin mili üzerine takılıdır ve mille birlikte döner. Tabana bağlı olan ve rotorun dışını örtecek şekilde yapılan bölme ise «stator» adını taşır. Stator ve rotorun bağlı hareketi elektriği üretir
Jeneratörler ve Verimleri

Yüksek verim elde etmek için, jeneratörü sürekli soğutmak gerekir. Bir zamanlar doğal yolla yada vantilatörlerle zorlama soğutma yapılırdı, ama 1950’lerden bu yana daha verimli olduğu için hidrojen gazı kullanılmaya başlandı. Rotor ve stator ısıyı düşüren bir hidrojen ortamında çalışır. En son modellerde rotor bobinleri, aralarından hidrojen geçen bakır borulardan imal edilmeye başlanmıştır. Stator bobinleri ise hidrojen tüpleriyle teker teker soğutulur. «Doğru-
dan soğutma» yada «iç soğutma» adı verilen bu teknikle, jeneratörün verimi iki katına çıkarılabilir.

Jeneratör 25.000 Volt dolaylarında elektrik üretir. Ev araçlarının çoğu için 250 Volt yeterlidir, ama elektriği uzaklara yüksek gerilimde taşımak daha ekonomiktir. Bu nedenle dağıtımı yaparken gerilim. ilk olarak bir transformatör ile yükseltilir (İngiltere’de 275.000 yada 400.000 Volt). Bu da, ülkeye yayılmış olan üretim santrallarını birbirine bağlayan ulusal şebekeyi besler.

Üretim santrallarını birleştirmek, bütün şebekenin en ekonomik şekilde çalışmasını sağlar. Kısmi yükle çalışan büyük bir jeneratörün verimi düşer. Bu nedenle, isteği karşılamak için verimi düşürmektense jeneratör tümüyle kapatılarak, tam yükte çalışan bir başka santraldan yararlanmak daha uygundur. Elektrik dağıtımında sorumlu olan yetkililer «değer sırasına» göre hazırlanmış bir listeden yararlanırlar. Talebin azaldığı du-lumlarda santralların hangi sıraya göre kapatılacağı,- başta en ekonomik santralin yeraldığı bir listeye »öre karşılaştırılır. Böylece en ucuz santralların taban yükü denilen yükte sürekli çalıştırılmaları sağla nır.
ayrıca bak:
48 Buhar makinaları 58 Nükleer guc
68 Elektrik üretim 66 Yakıt ve enerıı
ve dağıtımı tasarrufu