Korszerű ENERGIATERMELÉS 5.
Dr. Pátzay György
Dr. Pátzay György
1
2
A napi villamos terhelés
Az erőművek általában villamos energia termelésére épített létesítmények. Az energiaforrás szerint lehetnek: • Hőerőművek • Vízerőművek • Szélerőművek • Egyéb erőművek
(csoportokra osztva; 2001.06.20.) 6000
MW
5000
• • •
A termelt vagy szolgáltatott energia szerint: • Tisztán villamos energiát szolgáltató • Villamos energiát és hőenergiát szolgáltató erőművek
alaperőmű menetrendtartó erőmű csúcserőmű
import
4000
10 GWh
menetrendtartók, 35 GWh (földgáz, olaj, szén)
3000 2000
alaperőművek, 60 GWh 1000
Az erőművek kihasználása szerint: • Alaperőművek, egész évben egyenletesen termel, jól kihasználja a kapacitását • Menetrendtartó erőművek, igények alapján előre megszabott menetrend szerint • Csúcserőművek, csak a terhelési csúcsok idején szolgáltat energiát
Dr. Pátzay György
(atom, lignit, kapcsolt)
0 0
4
8
12
16
20
24 4
3
Dr. Pátzay György
4
1
Erőművek közötti kapcsolat szerint: • Együttműködő erőművek • Elszigetelt erőművek
Magyarország villamos energiájának döntő részét hőerőművekben állítják elő, melynek során hőenergia szabadul fel fosszilis tüzelőanyagok égetése, vagy maghasadás révén és hő-körfolyamat segítségével a hőenergia egy részét villamos energiává alakítják. Az átalakítás során mechanikai munkát nyernek a hőkörfolyamat révén, majd a mechanikai munka egy részét villamos energiává alakítják.
1. ábra: Kondenzációs erőmű
A bevezetett hőmennyiség az 1-2-3-4 görbe alatti, míg a rendszerből kikerülő hőmennyiség a 4-1 alatti területtel arányos. Kondenzációs erőműnél a kondenzátorral elvont hőmennyiség a munkafolyamat szempontjából veszteség. Ez a veszteség csökkenthető, ha az itt elvont hőmennyiséget valamilyen más célra, például fűtésre hasznosítjuk. Gyakorlatilag ez a hasznosítás akkor lehetséges, ha a kondenzációs hőmérsékletet megnöveljük (70-80°C) , azaz melegebb kondenzált vizet vezetünk ki a rendszerből. Ekkor az erőmű a villamos energián felül már hőenergiát is szolgáltat (forróvíz), melyet egyéb hasznos célra, például fűtésre lehet felhasználni. Az ilyen kapcsolt energiatermelésű (kogenerációs) hőerőművet ellennyomásos hőerőműnek nevezzük, melynek kapcsolását a 3. ábrán és a folyamat T-s diagramját pedig a 2. ábrán az 1´-2´-3-4´ -1´ pontok határolják.
Hőerőmű alaptípusok A hőerőművekben jelenleg rendszerint vizgőz-körfolyamat, az ún. Rankin-Clausius körfolyamat valósul meg. A körfolyamatnak számos hatásfokot javító változata ismert. A csak villamosenergia termelést végző hőerőművet kondenzációs erőműnek nevezzük. Ennek kapcsolási vázlata és T-s diagramja a következő 1-2. ábrákon látható:
Dr. Pátzay György
2. ábra: T-s diagram
5
Dr. Pátzay György
6
3. ábra: Ellennyomásos erőmű
Dr. Pátzay György
7
Dr. Pátzay György
8
2
4. ábra: Elvételes kondenzációs erőmű
A harmadik fontos hőerőmű alaptípusnál, az elvételes-kondenzációs hőerőműnél az ellenyomásos és kondenzációs rendszert összekapcsolják. Az ilyen erőmű kapcsolási vázlata a 4. ábrán látható. Ez utóbbi rendszer rugalmasabb, lehetőség van csak villamos energia termelésére is. Ezt a típust hívják exkrakciós kondenzációs erőműnek is. Dr. Pátzay György
9
Extrakciós kondenzációs erőmű
Dr. Pátzay György
• •
A kapcsolt (elektromos és hőenergia) energiatermelés következő példája egy gázturbinás villamos energia és egy gőz/melegvizes kazán kapcsolását mutatja.
Dr. Pátzay György
11
10
Az ún. kombinált ciklusú vagy bináris ciklusú erőműveknél például egy vagy több gázturbinás ciklus (felső ciklus) és egy gőzturbinás ciklus (alsó ciklus) van kombinálva.
Dr. Pátzay György
12
3
•
Van olyan kombinált ciklusú energiatermelő erőmű is, ahol egy dízelmotoros villamos erőművet kombinálnak egy gőz/melegvizes kazánnal.
Dr. Pátzay György
13
Az energia minőséget a hőmérséklet határozza meg. Minél magasabb a hőmérséklet, annál magasabb a minőség. Míg az energia mennyisége megmaradó, a munkavégzési potenciál nem. Amikor a hőenergia a magasabb hőmérsékletű helyről az alacsonyabb hőmérsékletű hely felé áramlik az energia minősége degradálódik.
Mekkora 1 kg szobahőmérsékletű (25 °C) víz és 1 termosz (800 cm3, 0,8kg) 100 °C-os kávé energiája, exergiája és anergiája? Az energiatartalom azonos:
Nincs olyan folyamat, melynek eredményeként adott mennyiségű hőenergiát át lehetne alakítani mechanikai energiává (energia minőség csökkenés lép fel). A rendezettség rendetlenség irányába tart. A rendszer entrópiája (S) a rendszer hőenergiájának mechanikai munkává való teljes alakításának korlátozottságát jelenti.
Qkávé
Ezzel szemben exergia és anergia tartalmuk különböző:
Evíz = (1 −
Dr. Pátzay György
A=
TL ⋅Q TH
15
TL 298K ) ⋅ Qvíz = (1 − ) ⋅1253kJ = 0kJ TH 298K
Ekávé = (1 −
Exergia (E)- egy rendszer energiatartalmának reverzibilis körfolyamatban tetszőleges más energia formává alakítható része, anergia (A)- a rendszer energiatartalmának más energiaformává át nem alakítható része. Ezek bármelyike 0 és 100% között változhat. A mechanikai energia (kinetikai és potenciális) és a villamos energia tiszta exergia, a rendszer belső energiája pedig tiszta anergia. Az exergia tulajdonképpen azt mutatja, hogy a rendszer mennyiben tér el a környezeti egyensúlytól.
TL )⋅Q TH
kJ ⋅1kg ⋅ 298K = 1253kJ kg ⋅ K kJ = c pkávé ⋅ mkávé ⋅ Tvíz = 4,2 ⋅ 0,8kg ⋅ 373K = 1253kJ kg ⋅ K
Qvíz = c pvíz ⋅ mvíz ⋅ Tvíz = 4, 2
Az összes energia átalakításban, annak egy része degradálódik, minden fizikai folyamatban az alkalmazott energia átlagos minősége csökken. Nincs olyan folyamat, ahol energia a hidegebb helyről áramolna a melegebb hely felé.
E = (1 −
14
Példa:
Energia minőség (a termodinamika 2. főtétele)
A hőenergia exergia és anergia tartalma:
Egyszerű gőzerőmű
Dr. Pátzay György
Avíz = (
TL 298K ) ⋅ Qvíz = ( ) ⋅1253kJ = 1253kJ TH 298K
Akávé = (
Dr. Pátzay György
TL 298 K ) ⋅ Qkávé = (1 − ) ⋅1253kJ = 252kJ TH 373K
TL 298K ) ⋅ Qkávé = ( ) ⋅1253kJ = 1001kJ TH 373K
16
4
100 kJ/kg hő exergiája 25 °C környezeti hőmérsékleten Hőmérséklet (oC)
E (exergia) (kJ/kg)
Alkalmazás
25
0,0
Nincs
50
100*(1-298/323)= 7,74
100
20,11
150
29,55
200
37,00
400
55,72
600
65,86
800
72,23
1000
76,59
1200
79,70
Dr. Pátzay György
Egyedi és távfűtés
Hagyományos erőművek
Gáz/gőz közegű erőművek
17
Dr. Pátzay György
rosszul szabályzott rendszer veszteségei
Dr. Pátzay György
19
Dr. Pátzay György
18
jól szabályzott rendszer veszteségei
20
5
Hőerőgép. . .
Energiatermelés hőerőművekben
Expandálás
Hevítés
HŐ
Kazán
Kondenzátor
HŐ
Hűtés
Turbina
A XX. Században az elektromos energia nélkülözhetetlen. Ez egy nagyon flexibilis, fűtésre, hűtésre, világításra, hajtásra könnyen felhasználható, könnyen szállítható és ellenőrizhető energiaforma. A civilizáció összeomlana nélküle, ezért fontos nagymennyiségű energia átalakítása elektromos energiává. A hőerőművekben történik a fosszilis és nukleáris üzemanyagokból felszabadított termikus energia átalakítása elektromos energiává. A világon üzemelő erőművek kétharmada gőztermelő erőmű, a maradék egyharmad vizi-, dieselmotoros, vagy gázturbinás erőmű. A szél- árapály- napés egyéb erőművek jelenleg fejlesztési stádiumban vannak. A termodinamikából ismert, hogy a hőtermelő körfolyamatokban a hőt magas hőmérsékletű forrásból nyerik, egy részét munkává alakítják és a maradék hőt egy alacsony hőmérsékletű nyelőbe bocsátják ki. Az összes felvett hő sajnos nem alakítható munkává. A maximális hatásfokot a Carnot körfolyamattal számíthatjuk ki, de ez csak elméleti lehetőség, mert a reális folyamatok sajnos mind irreverzibilisek és így a gyakorlati hatásfokok alacsonyabbak, mint a Carnot körfolyamat hatásfokai.
A Carnot körfolyamat
Szivattyú
1824-ben Sadi Carnot francia mérnök egy hipotetikus reverzibilis hőerőgépet fogalmazott meg (5. ábra).
Komprimálás Dr. Pátzay György
Domain
5. ábra: A Carnot-körfolyamat Dr. Pátzay György
21
A dugattyúval ellátott hengerben levegő van. Körfolyamatban történő üzemeltetésénél nettó munkavégzés nyerhető. A körfolyamat 4 lépésből áll: 1-2 Izoterm hőátadás A TH hőmérsékletű hőforrásból Qs hőenergiát közlünk a levegővel. A levegő hőmérséklete állandóan TH marad. A hő elhanyagolható hőmérséklet különbség mellett megy át. A levegő kitágul és bizonyos munkát ad le. 2-3 Adiabatikus kiterjedés Nincs hőátadás. A levegő kitágul és munkát ad le, miközben TH hőmérsékletről TL hőmérsékletre hűl le. 3-4 Izoterm hőleadás A levegő lead QR hőenergiát a TL alacsony hőmérsékletű nyelőnek. A levegő hőmérséklete állandó TL. Itt is a hő elhanyagolható hőmérséklet különbség mellett megy át. A levegőt komprimáljuk és ehhez bizonyos munkavégzés kell. 4-1 Adiabatikus kompresszió A levegőt komprimáljuk hőátmenet nélkül. Ehhez szintén bizonyos munkavégzés szükséges. 23
Dr. Pátzay György
22
A Carnot-ciklus a p-v és T-s diagramokban
Dr. Pátzay György
24
6
Az 5/b. ábrán a körfolyamat lépéseinek T-s diagramja látható, a fölvett hőmennyiség Qs, a leadott hőmennyiség pedig QR . Az 5/c. ábrán egy Carnot gőzgép működésének sémája, az 5/d. ábrán pedig a teljes körfolyamat T-s görbéje látható. A leadott nettó munkavégzés a görbe alatti területtel egyenlő. Az ábrák alapján:
Qs ≡ TH (s 2 − s1 )
QR ≡ TL (s3 − s 4 ) Illetve
Wnet = Qs − QR
η Carnot = =
TH − TL T = 1− L TH TH
mert
25
1. példa: Egy Carnot gőzgép 1200 °C-on hőt vesz fel és munkavégzés után hőt ad le egy 180 °Cos nyelőnek. A leadott munka 15 kW. Mekkora a gép hatásfoka? Mekkora a hőközlés és hőleadás sebessége? Mekkora a hatásfok javulás, ha a hőleadás 40 °C-os nyelőbe történik? Megoldás: η Carnot = 1 −
180 + 273 = 0,692 1200 + 273
QR = Qs − Wnet = 21,7 − 15 = 6,7kW
ηCarnot =
(s 2 − s1 ) = (s 3 − s 4 )
A Carnot körfolyamat hatásfoka bármely TH , TL hőmérsékleteken üzemelő gőzgép hatásfok maximumát határozza meg. A körfolyamat hatásfoka növekvő TH és csökkenő TL értékkel nő.
6. ábra: Munkavégzés reverzibilis körfolyamatban Dr. Pátzay György
Wnet QS − QR TH (s 2 − s1 ) − TL (s3 − s 4 ) = = = Qs QS TH (s 2 − s1 )
Wnet W 15 → Qs = net = = 21,7kW Qs ηCarnot 0,692
ha TL = 40 0 C 40 + 273 = 0,787 1200 + 273 Wnet = η CarnotQs = 0,787 ∗ 21,7 = 17,1 kW
η Carnot = 1 −
igy a % - os munka novekedes
Dr. Pátzay György
26
Tehát az elméletileg elérhető hatásfok 90% körül van. Gyakorlatban azonban a füstgázok hőfoka ~200 °C, metallurgiai okokból 1000 °C fölé nem mehet a hőmérséklet, így a reális körfolyamat hatásfoka nem mehet 15-40% fölé! Gépjármű motor • Th = 1200 oC = 1473 K • Tl = 500 oC = 773 K η = (1473 - 773)/1473 = 48%
Geotermális erőmű • Th = 150 oC = 423 K • Tl = 80 oC = 353 η = (423 - 353)/423 = 17%
Fosszilis tüzelésű gőzerőmű • Th = 700 oC = 973 K • Tl = 200 oC = 473 K η = (973 - 473)/973 = 51%
Valóságos elérhető hatásfokok Autó a sztrádán: kb. 5% Geotermális erőmű: 5% körül, néha <1%
17,1 - 15 = 0,14 azaz 14% 15
A gyakorlati határ a Carnot körfolyamat esetén: A környezet hőmérséklete ritkán alacsonyabb 30 °C-nál, a tüzelőanyagok égetésekor elérhető maximális hőmérséklet 2800 °C alatt van, így: η Carnot = 1 −
Dr. Pátzay György
A Carnot-ciklus csak elméletileg működik. Víz munkaközeg esetén például víz+gőz vegyes fázist kellene szállítani és komprimálni. Reális lehetőség viszont az a megoldás, ahol a rendszerbe egy kondenzátort iktatunk be és a „fáradt” gőzt lekondenzáltatjuk Rankine-Clausius körfolyamat.
303 = 0,9 3073 27
Dr. Pátzay György
28
7
A víz belső energiája A víz 0 – 100°C hőmérséklet tartományban bármely hőmérsékleten párolog. A párolgáshő 7.6-szor nagyobb mint az olvadáshő.
Belső energia (MJ)
4
vízgőz
3 2
víz
1
jég -40
-20
0 0
20
40
60
80
100
120
140
Hőm érséklet (oC)
Jég Víz Dr. Pátzay György
Hőkapacitás (J/kg-K) 2220 4190
Látens hő (MJ/kg) 0.33 2.5/0.33 = 7.6 2.5 29
Dr. Pátzay György
30
2. példa:
3. példa:
Atmoszférikus nyomású víz 100 °C-on forr és 419 kJ/kg energia szükséges 1 kg 0 °C-os víz 100 °C-os vízzé melegítéséhez. Így az atmoszférikus nyomású 100 °C-os víz fajlagos entalpiája 419 kJ/kg. További 2257 kJ/kg energia szükséges 1 kg 100 °C-os víz 1 kg 100 °C-os gőzzé alakításához. Így a 100 °C-os gőz fajlagos entalpiája hg=419+2257=2676 kJ/kg. Mivel az atmoszférikus nyomású gőz korlátolt gyakorlati felhasználással rendelkezik, ezért a kazánokban legalább 7 bar abszolút nyomású gőzt állítanak elő. Ezen nyomás fölötti gőz már megfelelő átmérőjű csővezetéken szállítható. Növekvő nyomású gőz esetén nő a sűrűség és csökken a fajlagos térfogat.
6 bar nyomású 0,94 szárazsági fokú gőz (6 m% víz, 94 m% gőz) teljes fajlagos entalpiája (158,8 °C):
hg=697,5 kJ/kg+0,94*2066 kJ/kg=2693,5 kJ/kg A gőz fázis diagramja:
A B 0°C 100°C víz hf (A-B) B C 100°C víz-100 oC gőz C D 100°C gőz- túlhevített gőz
Dr. Pátzay György
31
Dr. Pátzay György
Kritikus pont 374,15 oC, 221,2 bar
32
8
Sarjúgőz (Flash steam) Nagy nyomású adott az 1 bar nyomású víz forrpontja feletti hőmérsékletű víz nyomáscsökkentése során a csökkenő nyomású vízből részben gőz keletkezik. Ha a nagy nyomású víz hőmérséklete kisebb, mint az 1 bar nyomású víz forrpontja nem keletkezik gőz.
4. példa: 5 barg túlnyomású 159 °C hőmérsékletű vizet atmoszférikus nyomásra (0 barg) viszünk, mekkora a keletkezett sarjúgőz fajlagos mennyisége? A 159 °C-os víz fajlagos entalpiája 671 kJ/kg, a 100 °C-os vízé 419 kJ/kg.
h p1 − h p2 h fgp 21
=
671 − 419 = 0,112 kg gőz/kg víz 2257
A víz T-s diagramja Dr. Pátzay György
33
Dr. Pátzay György
34
Energiaátalakító folyamatok eredő hatásfoka Példa: dízelgenerátoros villamos vízszivattyú
Dr. Pátzay György
35
Dr. Pátzay György
36
9
A Rankine-Clausius körfolyamat
A Rankine-Clausius körfolyamat A gyakorlatban a folyamatok nem reverzibilisek, így a valós hatásfok még kisebb. Egy lehetséges gyakorlati körfolyamat a Rankine-Clausius körfolyamat. William Rankine skót mérnök volt. Körfolyamata a szén-, olaj, gáz- és atomerőművek hőtermelésének leírására alkalmazható. Az erőművekben általában fosszilis tüzelőanyagot égetnek el (magas hőmérsékletű forrás) és a környező levegő, vagy víz (tó, folyó, tenger) az alacsony hőmérsékletű nyelő. A Rankine körfolyamatban a hőhordozó, amely leggyakrabban víz, fázisváltáson megy keresztül. A Rankine-Clausius körfolyamat (röviden Rankine-körfolyamat) négy alapvető szerkezeti komponensből áll: a kazánból, a turbinából, a kondenzátorból és a szivattyúból.
Kazán
Gőzturbina
(túlhevítővel)
Villamos generátor
4 3 2 5
1
Kondenzátor
6 Szivattyú Dr. Pátzay György
37
Dr. Pátzay György
Ideális Rankine ciklus
A Rankine-Clausius körfolyamat T(K)
1-2 reverzibilis adiabatikus szivattyúzás 2-3 hevítés állandó nyomáson (részben izoterm) 3-4 reverzibilis adiabatikus expanzió 4-1 hűtés állandó nyomáson (részben izoterm)
4
4 3 2
1
5
38
3
24 3
6
2
1
3
5
1 6
T 5
2s 1
6 1-2 Folyadékhevítés 2-3 Elgőzölgés 3-4 Túlhevítés Dr. Pátzay György
4-5 Expanzió
5-6 Kondenzáció 6-1 Szivattyúzás
4s
s s (J/kg·K) 39
Dr. Pátzay György
40
10
Reális Rankine ciklus
Kazán: Itt a vízzel hőt közlünk és nagynyomású gőzt hozunk létre. Turbina: Itt a nagynyomású gőz expandál alacsony nyomású gőz keletkezik és a turbina rotorjának forgatásával munkát végez. Kondenzátor: Itt bizonyos hőleadás révén az alacsony nyomású gőz lehűl és lekondenzál vízzé. Szivattyú: Itt az alacsony nyomású vizet visszaszivattyúzzák a kazánba, melynek végén nagynyomású alacsony hőmérsékletű víz lesz belőle.
1-2 nemizentrópiás szivattyúzás 2-3 irreverzibilis hevítés 3-4 nemizentróoiás expanzió 4-1 irreverzibilis hűtés
3 2
T
A Rankine-Clausius körfolyamat
1
4
s Dr. Pátzay György
41
A Rankine-körfolyamat az a,b,c ábrán szemléltetett termodinamikai változásokon megy keresztül. Ennek lépései a következők: Állandó nyomáson hőközlés a hőhordozóval. Ez a 4-1 lépés. Az elégetett tüzelőanyag először fölmelegíti a 4es állapotban belépő hideg vizet a telítési hőmérsékletre (Tsi), majd elpárologtatja nagynyomású száraz telített gőzzé (1-es állapot). A hőhordozó izentrópikus (adiabatikus +reverzibilis) expanziója, 1-2 lépés. A kazánból érkező nagy nyomású 1-es állapotú gőz adiabatikusan és reverzibilisen expandál a turbinákon és alacsony nyomású gőz keletkezik (2-es állapot). Eközben a turbina forgatásával munkát végez.
Dr. Pátzay György
A ábrán a közölt hő Qs, a leadott hő QR, a turbinán leadott munkavégzés WT a T-s diagramokon a megfelelő sraffozott területekkel egyenlő.
Az egyszerű Rankine-körfolyamat elemzése Ha h1, h2, h3, és h4 a hőhordozó fajlagos entalpiája (kJ/kg) az 1 ,2 ,3 és 4 állapotban és elhanyagoljuk a kinetikus és potenciális energiákban bekövetkező változásokat a munkavégzés és hőátmenet mértéke mindegyik komponensre számítható. A következő, állandósult állapotra vonatkozó elemzés 1 kg munkaközeggel számolva a következő:
A kazán energiamérlege
Dr. Pátzay György
Az összes bemenő energia=az összes kimenő energiával:
h4 + Qs = h1
A hőhordozó hőleadása az alacsony hőmérsékletű nyelőnek állandó hőmérsékleten, 2-3 -as lépés. A turbinából kilépő alacsony nyomású, 2-es állapotú gőz lehűl és állandó nyomáson lekondenzál, 3-as állapotú telített víz keletkezik.
A Rankine-körfolyamat
42
Qs = h1 − h4 (kJ/kg)
A hőhordozó izentrópikus kompressziója (szivattyúzása), 3-4 lépés. A kondenzátorból kikerülő alacsony nyomású vizet szivattyúval a kazánba vezetik, ahol a 4-es állapotnak megfelelő állapotba kerül. Eközben bizonyos munkavégzés szükséges. 43
Dr. Pátzay György
44
11
A turbina energiamérlege
A szivattyú energiamérlege
Az összes bemenő energia = az összes kimenő energia
Az összes bemenő energia=az összes kimenő energia
h3 + W P = h4 (kJ/kg)
h1 = QL + WT + h2
Mivel a víz összenyomhatatlan a szivattyú munkája közelítőleg:
Ha a turbinaház jól szigetelt a QL hőveszteség kicsi és elhanyagolható (QL=0), így:
WT = h1 − h2 (kJ/kg) A kondenzátor energiamérlege
szivattyú bemenő munka = v w ( p 4 − p3 )
Az összes bemenő energia = az összes kimenő energia:
Wp =
h2 = Q R + h3
kJ kg
ahol Wp - a szivattyú bemenő munkája (kJ/kg) vw- a víz fajlagos térfogata (0,001 m3/kg körülbelül) p3, p4 - a szivattyú bemenetén és kimenetén a nyomás, (N/m2)
Q R = h2 − h3 (kJ/kg)
A nettó munka munkavégzés: Dr. Pátzay György
v w ( p 4 − p3 ) 1000
m 3 N Nm J ≡ ≡ kg kg kgm 2
45
W NET = WT − W p
Dr. Pátzay György
46
A rendszer termikus (Rankine) hatásfoka: η =
A TELJES RENDSZER ENERGIAMÉRLEGE
W rendszer nettó munkavégzése = NET rendszerrel közölt hõmennyisé g Qs
Másik fontos jellemző a munkavégzés aránya (work ratio, WR): WR=nettó munkavégzés/turbina munkavégzés=WNET/WT
Az összes bemenő energia = az összes kimenő energia Qs + W p = WT + QR Qs − QR = WT − W p QNET = WNET
ahol QNET, WNET - a rendszerbe bevitt nettó hő (kJ/kg) és a rendszer munkavégzése (kJ/kg)
S .S .C. =
A rendszer nettó teljesítmény kimenete: .
P = m∗ W NET
Dr. Pátzay György
3600 W NET
(kg/kWh)
Minél alacsonyabb a fajlagos gőzfogyasztás, annál kisebb lesz ugyanakkora elektromos energiatermeléshez szükséges gőzáram mennyisége. Ez végeredményben kisebb kazánés kondenzátorméreteket jelent, azaz minél kisebb a fajlagos gőzfogyasztás, annál kompaktabb lesz a gőzerőmű. Kisméretű erőműveknél sokszor a kondenzátort elhagyják és a turbináról lejövő fáradt gőzt kiengedik a levegőbe és a veszteséget friss tápvízzel pótolják (kipufogós üzemmód).
kg kJ kJ = = kW s kg s
ahol P - a nettó teljesítmény, kW m - a gőz tömegárama, kg/s WNET - nettó munkavégzés, kJ/kg
A Rankine ciklusban a szivattyú munkaigénye igen kicsi a turbina munkavégzéséhez képest (kb. 5%). Így WR>0,95. A kondenzálódó fáradt gőz térfogata drasztikusan csökken a szivattyúzás előtt, ezért csökken le a szivattyúzási munka.(1 kg víz térfogata kb. ezerszer kisebb mint ugyanannyi kis nyomású gőzé). Ez a Rankine ciklus fő előnye a többi ciklushoz képest. Ezzel szemben a Carnot ciklusnál, vagy a gázturbina-ciklusnál a szivattyúzáshoz, vagy a kompresszióhoz szükséges munka igen nagy, körülbelül 40%, így WR kicsi. Harmadik fontos jellemző a fajlagos gőzfogyasztás (specific steam consumption, SSC). Ez a kg/h egységben kifejezett gőz-tömegáram, amely 1 kW nettó teljesítmény kimenethez szükséges:
47
Dr. Pátzay György
48
12
5. példa: Egy nyitott áramkörű gőzerőműben az atmoszferikus nyomású és 30 °C-os tápvizet olajtüzelésű kazánba táplálják, ahol száraz, telített 10 bar nyomású gőzt termelnek. Ez a gőz turbinára kerül és izentrópikusan atmoszferikus nyomásig expandál és a környező levegőbe távozik. Határozzuk meg: • az erőmű termikus hatásfokát. • a munkavégzés arányát, • a fajlagos gőzfogyasztást. Megoldás: Ha az atmoszferikus nyomás 1 bar, p1=10 bar, p2=1 bar, t3 =30 °C A gőz-entalpia táblázatokból a 10 bar-os száraz telített gőz entalpiája: h1=hs1=2778 kJ/kg
Dr. Pátzay György
h2 = h f 2 + x2 ∗ h fg 2 = 417 + 0,872 ∗ 2258 = 2386 kJ/kg (1 bar nyomáson hf=417 kJ/kg, hfs=2258 kJ/kg) A táblázat alapján a 30 °C-os tápvíz entalpiája h3=hf=125,7 kJ/kg. A szivattyúzás munkaigénye:
(
)
W p = vw ( p4 − p3 ) = 0,001 10 6 − 105 = 900 J/kg = 0,9 kJ/kg
A szivattyúzás energiamérlege alapján h4 értéke:
h3 + W p = h4 = 125,7 + 0,9 = 126,6 kJ/kg
Az 1-2 lépés izentrópikus expanzió, így
A kazán energiamérlege alapján pedig Qs értéke számítható:
s 2 = s1
s f 2 + x 2. ∗ s fg 2 = s g1
A táblázatból 10 bar nyomás mellett sg=6,586 kJ/kgK, és 1 bar nyomás esetén sf=1,303 kJ/kgK, sfs=6,056 kJ/kgK. Így a fáradt gőz szárazsági foka (gőzaránya) x2=0,872. Ebből következik, hogy hasonlóan az entrópiára felírtak szerint:
m 3 N Nm J = = kg m 2 kg kg
A nedves (fáradt) gőz h2 entalpiája a következő megfontolások alapján határozható meg: Nyitott áramkörű (kipufogós gőz) erőmű
Azaz az x2 szárazsági fokú nedves gőz entrópiája (s2) egyenlő a telített folyadékfázis entrópiájának (sf2) és a szárazsági fokkal megszorzott párolgási entrópia (x2*sfg2) értékének összegével.
h4 + Qs = h1 49
Dr. Pátzay György
51
Dr. Pátzay György
Qs = h1 − h4 = 2778 − 126,6 = 2651,4 kJ/kg
50
1,303 + x 2 ∗ 6,056 = 6,586
Fajlagos entrópia számítása a víz-gőz rendszer különböző tartományaiban Dr. Pátzay György
52
13
Specific Volume, m 3/kg
T
P
° C
kPa
vf
vfg
vg
uf
Internal Energy, kJ/kg ufg
ug
hf
Enthalpy, kJ/kg hfg
hg
sf
Entropy, kJ/(kg·K) sfg
sg
5
0.8726
0.001000
147.02
147.02
21.020
2360.4
2381.4
21.021
2488.7
2509.7
0.07626
8.9473
9.0236
1 0
1.2281
0.001000
106.32
106.32
41.986
2346.3
2388.3
41.988
2476.9
2518.9
0.1510
8.7476
8.8986
1 5
1.7056
0.001001
77.896
77.897
62.915
2332.3
2395.2
62.917
2465.1
2528.0
0.2242
8.5550
8.7792
2 0
2.3388
0.001002
57.777
57.7781
83.833
2318.2
2402.0
83.835
2453.4
2537.2
0.2962
8.3689
8.6651
2 5
3.1690
0.001003
43.356
43.357
104.75
2304.1
2408.9
104.75
2441.6
2546.3
0.3670
8.1888
8.5558
3 0
4.2455
0.001004
32.895
32.896
125.67
2290.0
2415.7
125.67
2429.6
2555.3
0.4365
8.0148
8.4513
3 5
5.6267
0.001006
25.219
25.220
146.58
2275.9
2422.5
146.59
2417.8
2564.4
0.5050
7.8461
8.3511
4 0
7.3814
0.001008
19.527
19.528
167.50
2261.7
2429.2
167.50
2405.9
2573.4
0.5723
7.6827
8.2550
4 5
9.5898
0.001010
15.262
15.263
188.41
2247.5
2435.9
188.42
2393.9
2582.3
0.6385
7.5244
8.1629
5 0
12.344
0.001012
12.036
12.037
209.31
2233.3
2442.6
209.33
2381.9
2591.2
0.7037
7.3708
8.0745
Az ES_Stable gőztáblázat számító program Dr. Pátzay György
53
WT értéke pedig a turbina energiamérlege alapján: h1 = WT + h2 WT = h1 − h2 = 2778 − 2386 = 392 kJ/kg
(a szivattyúzás munkaigénye elhanyagolható a turbina munkavégzéséhez képest)
η=
W NET 391,1 = = 0,1475 = 14,75% Qs 2651,4
A munkavégzés aránya: WR =
WNET 391,1 = = 0,998 392 WT
A fajlagos gőzfogyasztás pedig: S .S .C. =
Dr. Pátzay György
3600 3600 = = 9,2 kg/kWh W NET 39,1
Shankey diagram
54
A kondenzátor szerepe A Carnot ciklusból kiderült, hogy a hőleadásnál a TL hőmérséklet csökkentése növelte a nettó munkavégzés mértékét és a hatásfokot. Ennek alapján illesztették be a kondenzátorokat a gőzerőművekbe. Az előző példában a 100 °C-os 1 atm nyomású fáradt gőzt kibocsátották a környező atmoszférába. Más szóval a hőleadás 100 °C-on történt. Kondenzátor beillesztésével a fáradt gőz lekondenzál és a folyadékfázis keletkezésével drasztikus térfogatcsökkenés következik be, ami parciális vákuumot okoz és p2 abszolút nyomás az atmoszférikus nyomás alá csökkenhet. Így a turbinában nagyobb az expanzió és így a munkavégzés. Ha a turbina kimenő nyomása csökken, a megfelelő telítési hőmérséklet Ts2 is csökken, azaz a hőleadási hőmérséklet is csökken. Ezt az esetet a következő példában mutatjuk be.
A nettó munkavégzés: WNET=WT-WP=392-0,9=391,1 kJ/kg
A termikus hatásfok:
Dr. Pátzay György
55
Dr. Pátzay György
56
14
Minél alacsonyabb a kibocsátási nyomás, annál jobb az erőmű hatásfoka. A rendelkezésre álló hűtővíz hőmérséklete a korlátozó tényező. Északi országokban, télen közel 0 °C a hűtővíz hőmérséklete, így télen üzemelnek a gőzerőművek a legjobb hatásfokkal. Tehát a kondenzátor fő feladata, hogy a turbina ellennyomását csökkentve, növelje a munkavégzést és így az erőmű hatásfokát. Ezenfelül a kondenzvíz recirkulálható a tápvízkörben.
6. példa: Az 5. példában szereplő erőműhöz kondenzátort illesztve a turbina ellennyomása p2=0,2 bar értékre csökkent. Határozzuk meg: • a fáradt gőz paramétereit, • a nettó munkavégzés és a hatásfok emelkedését, • 1000 kg/h gőzáram mellett az erőmű energialeadását. Megoldás: p1=10 bar, p2=0,2 bar A gőz-táblázatból a 10 bar nyomású száraz, telített gőz entalpiája: h1=hg1=2778 kJ/kg. A fáradt gőz h2 entalpiája, az 1-2 lépés izentrópikus: s = s 2 1
s f 2 + x ∗ s fg 2 = s g1 0,832 + x 2 ∗ 7,075 = 6,586 x 2 = 0,813 A fáradt gőz szárazsági tényezője x2=0,813 így:
h2 = h f 2 + x 2 ∗ h fg 2 = 251 + 0,813 ∗ 2358 = 2168 kJ/kg (Használhattuk volna a h-s diagramot (előző dián c meghatározására, de az kevéssé pontos eredményt adna.)
Zárt áramkörű gőzerőmű
Dr. Pátzay György
57
A kondenzátum entalpiája:
ábra)
is
h2
közvetlen
Dr. Pátzay György
58
h3=hf =251 kJ/kg (0,2 bar nyomáson)
(
)
A szivattyú bemenő munkája:
W p = v w ( p4 − p3 ) = 0,001 10 6 − 2.10 4 = 980 J/kg = 0,98 kJ/kg
A szivattyú energiamérlege:
h3 + W p = h4 251 + 0,98 = 252 kJ/kg
A kazán energia mérlege alapján:
h4 + Qs = h1 Qs = h1 − h4 = 2778 − 252 = 2526 kJ/kg
A turbina energia mérlege alapján pedig:
h1 = h2 + WT WT = h1 − h2 = 2778 − 2168 = 610 kJ/kg
A nettó munkavégzés: WNET = WT − Wp = 610 − 0,98 ≅ 609 kJ/kg Összehasonlítva az 1. példa adataival, a kondenzátor beillesztése jelentősen megnövelte a munkavégzést: 609 - 391,1 % - os munkavégzés növekedés = ∗ 100 = 55,7% 391,1 A termikus hatásfok: η=
Az egyszerű ideális túlhevített vízgőzös Rankine-ciklus
W NET 609 = 0,241 = 24,1% Qs 2526
hatásfok növekedés = 24,1 - 14,75 = 9,35% ami igen jelentős.
© The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998
. A nettó munkavégzés: P = m∗ WNET = 10000 ∗ 609 kg kJ = kJ
Dr. Pátzay György
3600 = 1692 kW = 1,692 MW
s kg
s
59
Dr. Pátzay György
60
15
A Termodinamika 2. törvénye és Carnot hatásfok 2. törvény:Hő nem alakítható át munkává bizonyos hőveszteség nélkül. Carnot hatásfok:A végzett munka és a rendszerrel közölt hő csak a hőmérséklettől függ. Nincs jobb hatásfokú hőerőgép a Carnot hőerőgépnél. Fontos:A hőmérséklet Kelvin vagy Rankine egységben lehet. ηc=Wnet/Qhigh= (Thigh-Tlow)/(Thigh) ηc= 1 -(Tlow/Thigh) K = ºC + 273.15 R = ºF + 459.67
A 2. törvény szerinti hatásfok A 2. törvény szerinti hatásfok a rendszer aktuális hatásfokának és a maximális lehetséges (Carnot) hatásfoknak az aránya. ηII = 2. törvény szerinti hatásfok (hatásosság) ηII= ηI/ηc ηI = 1. törvény szerinti hatásfok ηc = Carnot hatásfok
Dr. Pátzay György
61
Dr. Pátzay György
62
Eltérés az ideális Rankin-Clausius ciklustól A reális körülmények között fellépő veszteségek közül a legjelentősebbek a súrlódási és a környezetbe jutó hőveszteségek. Ezek irreverzibilitást okoznak és növelik az entrópiát. A kazánban fellépő nyomásesés következtében a kazánba belépő tápvizet a kilépő gőznyomásnál jelentősen nagyobb nyomáson kell beszivattyúzni.
Turbina veszteségek
A turbina izentrópikus hatásfoka: ηT = Aktuális turbina munka kimenet = h1 − h2 ,
Izentrópikus munka kimenet
A turbinánál fellépő veszteségek fő oka a turbina-házon keresztül távozó hőveszteség és az turbina lapátokon, valamint szelepeken áramló gőz súrlódási veszteségei. Ezek ugyancsak irreverzibilitást és entrópia növekedést okoznak. Ezen okok miatt az expanzió nem izentrópikus, ahogy azt a 19. ábra is mutatja. Az ábrán a 2-es pont az izentrópikus expanzió utáni ideális állapotot, a 2` pont pedig a reális végállapotot mutatja. A fenti okok miatt a valódi munkavégzés kisebb lesz és a kilépő fáradt gőz magasabb entalpiával, valamint entrópiával távozik.
h1 − h2
Szivattyú veszteségek Ugyancsak a súrlódási veszteségek miatt a szivattyúzás már nem izentrópikus kompresszió és így a valódi szükséges munkavégzés a szivattyúnál megnövekedik. A szivattyú izentrópikus hatásfoka: η =
Izentrópik us munka bemenet h4 − h3 = , Aktuális munka bemenet h4 − h3
Jó turbina és szivattyú konstrukciók esetén az izentrópikus hatásfokok értéke 0,8-0,85 között van. Dr. Pátzay György
63
Dr. Pátzay György
64
16
7. példa
ηT= 0.8; ηP= 0.85
A 6. példában szereplő adatok alapján, ha az izentrópikus hatásfok a turbina esetén 81% és a szivattyúnál 85%, mekkora a nettó teljesítmény kimenet? Milyenek a turbináról kilépő gőz paraméterei?
A 6. példa alapján h1 = 2778 kJ/kg; h2 = 2168 kJ/kg kJ/kg . A turbina izentrópikus hatásfoka alapján: ηT =
h3 = 251 kJ/kg;
h4 = 252
h1 − h,2 h1 − h 2
2778 − h,2 2778 − 2168 h,2 = 2290kJ / kg 0.8 =
A kilépő fáradt gőz jellemzői:
h,2 = h f 2 + x ,2 ⋅ h fg2 2290 = 251 + x ,2 ⋅ 2358 x ,2 = 0.856
(A gőztáblázatból 0,2 bar nyomásnál hf=251 és hfg=2358 kJ/kg) x2´ értéke az előző dián szereplő ábra c görbéjéhez hasonló H-s görbékből is leolvasható közvetlenül. Az így nyert gőz szárazabb, minta az ideális ciklus alapján számított érték (x2=0,813). A szivattyú hatásfoka pedig: h −h η=
4
0.85 =
Egy reális Rankin ciklus
3
h,4 − h 3 252 − 251 h,4 − 251
h,4 = 252.2kJ / kg Dr. Pátzay György
65
A kazán energiamérlege alapján: h,4 + Q s = h1
66
A kazánnyomás növekedés hatása
Q s = h1 − h,4 = 2778 − 252.2 = 2525.8kJ / kg
A turbina anyagmérlege alapján pedig:
Dr. Pátzay György
A kazánnyomás növekedése a maximális ciklus hőmérséklet növekedését okozza és így a hatásfok is növekszik. Ez a hatás ~150 barig áll fent, efölött a hfg látens hő drasztikusan csökken és így kevesebb hő megy át, így a hatásfok enyhén csökken.
h1 = h,2 + WT WT = h1 − h,2 = 2778 − 2290 = 488kJ / kg
8. példa
Látható, hogy a turbina valóságos kimeneti munkája lényegesen alacsonyabb, mint az ideális ciklus esetén (610 kJ/kg).
A 6. példánál a kazánnyomás 10 bar, a kondenzátornyomás pedig 0,2 bar volt. Ha a kazánnyomást 50 bar-ra növeljük, mekkora lesz a hasznos munkavégzés és a hatásfok növekedése? Tételezzük föl, hogy a turbinára száraz, telített gőz áramlik és az expanzió izentrópikus. Lásd 21. ábra.
A szivattyú energiamérlege alapján: h 3 + Wp = h,4 Wp = h,4 − h 3 = 252.2 − 251 = 1.2kJ / kg
A reális munka szivattyún nagyobb, mint az ideális esetben. A nettó munkavégzés:
WNET = WT − Wp = 488 − 1.2 = 486 .8kJ / kg
Az ábra szerint p1=50 bar, p2=0,2 bar. A gőztáblázatból az 50 bar nyomású, száraz, telített gőz entalpiája: h1=hg1=2794 kJ/kg és entrópiája sg1=5973 kJ/kg.K.
WNET 486.8 = = 0.193 = 19.3% Qs 2525.8 A termikus hatásfok megint csak alacsonyabb, mint ideális esetben.
A termikus hatásfok: η =
A kilépő gőz h2 entalpiájának meghatározásához (1-2 lépés izentrópikus): s2 = s1 s f 2 + x2 ⋅ s fg 2 = s g1
.
A nettó leadott teljesítmény: P = m⋅ WNET =
10000 kg kJ kJ ⋅ 486.8 ⋅ = 3600 s kg s
0.832 + x2 ⋅ 7.075 = 5.973 x2 = 0,727
= 1352kW = 1.352MW Dr. Pátzay György
67
Dr. Pátzay György
68
17
A Rankine-Clausius ciklus hatásfokának növelése
Ezután: h 2 = h f 2 + x 2 ⋅ h fg 2 = 251 + 0.727 ⋅ 2358 = 1965kJ / kg (Használhatjuk a h-s diagrammot is h2 leolvasására.)
A Rankine-ciklus hatásfoka nem túl magas, de bizonyos módosításokkal növelhető.
A kondenzátum entalpiája (0,2 bar): h 3 = h f = 251kJ / kg
A szivattyú bemeneti munkája: Wp = v p (p 4 − p 3 ) = 0.001(50 ⋅ 105 − 0.2 ⋅ 10 5 ) = 4980J / kg = 4.98kJ / kg A szivattyú energiamérlege alapján: h 3 + Wp = h 4 251 + 4.98 = h 4 h 4 = 256kJ / kg
A kazán energiamérlegével: h 4 + Q s = h1 Q s = h1 − h 4 = 2794 − 256 = 2538kJ / kg
A turbina energiamérlege alapján: h1 = h 2 + WT WT = h1 − h 2 = 2794 − 1965 = 829kJ / kg
A nettó (hasznos) munkavégzés: WNET = W T − W p = 829 − 4.98 = 824 kJ / kg η=
WNET 824 = 0,3246 = 32,46% Qs 2538
hatásfok növekedés = 32,46 − 24,1 = 8,36%
Az alacsonyabb gőznyomású esethez képest a hasznos munkavégzés 35,3%-al, a hatásfok pedig 8,4%-al nőtt. Dr. Pátzay György
69
3
3
T
2
2 4
1
70
(c) nyomás (hőm.) növelése
(a) alacsonyabb kond. nyomás (hőm.)
T
Dr. Pátzay György
1
4
s s
T
2 1
Dr. Pátzay György
(b) nagyobb túlhevítés
s
A regeneratív tápvíz előmelegítés hatása 71
Dr. Pátzay György
72
18
1. Túlhevítés
9. példa
Növelve a gőz hőmérsékletét a Carnot ciklus szerint nő a hatásfok. A kazánból kilépő nedves vagy száraz telített gőzt a túlhevítőn vezetik keresztül, amíg a gőz egy adott magasabb hőmérsékletre melegszik. Minél magasabb a túlhevített gőz hőmérséklete, annál nagyobb a hatásfok. A hőmérséklet felső határa a jelenlegi anyagok esetén ~1100 °C.
Az előző példában 50 bar nyomású, száraz, telített gőzt vezettünk a kazánból a turbinára és a kondenzátor nyomása 0,2 bar volt. Ha a kazánból kilépő gőzt 600 °C-ra hevítjük a turbina előtt, mekkora a hasznos munka ás a hatásfok növekedés? Az expanzió izentrópikus. P1=50 bar, p2=0,2 bar, t1=600 °C. A túlhevített gőztáblázatból az 50 bar nyomású és 600 °C hőmérsékletű gőz entalpiája h1=3666 kJ/kg és entrópiája s1=7258 kJ/kg.K. A kilépő gőz h2 entalpiája (1-2 folyamat izentrópikus: s 2 = s 1 s f 2 + x 2 ⋅ s fg 2 = s 1
Így x2=0,908.
0.832 + x 2 ⋅ 7.075 = 7.258
A kilépő gőz most szárazabb, mint az előző példában. Ez csökkenti a turbinalapátok erózióját. Ezután h2 értéke: h2 = h f 2 + x2 ⋅ h fg 2 = 251 + 0.98 ⋅ 2358 = 2392kJ / kg h2 értéke megint csak leolvasható a h-s diagramból is. A kondenzátum entalpiája 0,2 bar nyomáson: h 3 = h f = 251kJ / kg A szivattyú bemeneti munkája:
(
)
Wp = v w (p 4 − p 3 ) = 0.001 50 ⋅ 10 5 − 0.2 ⋅ 10 5 = 4980J / kg = 4.98kJ / kg Dr. Pátzay György
73
74
2. Újrahevítés
A szivattyú energiamérlege: h 3 + Wp = h 4
Itt a gőz átlagos hőmérsékletét más módon növelik. Miután a gőz a turbinán expandált elvezetik onnan azon a ponton, ahol éppen nedves gőz lenne és az újrahevítőben magasabb hőmérsékletre hevítik. Az újra hevített gőz aztán a turbinán a kondenzátor nyomásig expandál.
251 + 4.98 = h 4 h 4 = 256kJ / kg A kazán energiamérlege: h 4 + Q s = h1 Q s = h1 − h 4 = 3666 − 256 = 3410kJ / kg A turbina anyagmérlege szerint:
Dr. Pátzay György
h1 = h 2 + WT WT = h1 − h 2 = 3666 − 2392 = 1274kJ / kg
A nettó (hasznos) munkavégzés: WNET = W T − Wp = 1274 − 4.98 = 1269 kJ / kg Az előző példához képest a túlhevítés jelentősen megnövelte a nettó munkavégzést. A munkavégzésben a százalékos növekedés = 1269 − 824 ⋅100 = 54% 824 A hatásfok: η =
WNET 1269 = = 0.372 = 37.2% Qs 3410
A hatásfok %-os növekedés = 37.2 - 32.5 = 4.7% Ez jelentős növekedés.
Dr. Pátzay György
75
Dr. Pátzay György
76
19
A szivattyú energiamérlege: hs + W p = h6
10. példa Az előző példában az 50 bar nyomású és 600 °C-os túlhevített gőz a turbinán 0,2 bar nyomásig expandált. Az erőművet az előző dián szereplő ábra szerint módosítva a túlhevített gőz belép a nagynyomású turbinába ás 5 bar nyomásig expandál, majd ez a gőz áthalad az újrahevítőn, ahol állandó nyomáson 400 °C-ra hevül. Az újrahevített gőz ezután az alacsony nyomású turbinára kerül, ahol a 0,2 bar kondenzátor nyomásig expandál. Mekkora a növekedés hasznos munkavégzésben és a hatásfokban? Mindkét turbinán az expanziót izentrópikusnak tételezzük föl.
251 + 4,98 = h6 h6 = 256 kJ/kg A kazán energiamérlege:
h6 + QSB = h1 QSB = h1 − h6 = 3665 − 256 = 3409 kJ/kg
A nagynyomású turbina energiamérlege: h1 = h2 + WTHP WTHP = h1 − h2 = 3665 − 2955 = 710 kJ/kg
Az ábra szerint: p1=50 bar, p2=5 bar, p3=5 bar, t1=600 °C, t3=400 °C. Az entalpia értékek a h-s diagramból könnyen leolvashatók: h1=3665 kJ/kg, h2=2955 kJ/kg, h3=3270 kJ/kg, h4=2570 kJ/kg. Az alacsony nyomású turbináról távozó gőz jellemzője a diagramról ugyancsak könnyen leolvasható: x4=0,984. A gőz tehát szárazabb, mint az előző példában, így tovább csökken a turbina lapátok eróziós igénybevétele. A kondenzátum entalpiája: hs=hf=251 kJ/kg
0,2 bar nyomáson.
Az újrahevítő anyagmérlege: h2 + QSRH = h3 QSRH = h3 − h2 = 3270 − 2955 = 315 kJ/kg
Az összes közölt hő: QS = QSB + QSRH = 3409 + 315 = 3724 kJ/kg Az alacsony nyomású turbina anyagmérlege: h3 = h4 + WTLP
A szivattyú bemeneti munkája: W p = v w ⋅ (p6 − p5 ) = 0,001(50 ⋅ 105 − 0,2 ⋅ 105 ) =
WTLP = h3 − h4 = 3270 − 2570 = 700 kJ/kg
= 4980 J/kg = 4,98 KJ/kg
Az összes turbina munkavégzés: WT = WTHP + WTLP = 710 + 700 = 1410 kJ/kg A hasznos munkavégzés: WNET = WT − WP 1410 − 4,98 ≅ 1405 kJ/kg
Dr. Pátzay György
77
Dr. Pátzay György
78
Dr. Pátzay György
80
Az előző példához képest az újrahevítés jelentősen megnövelte a hasznos munkavégzést. A százalékos növekedés a munkavégzésben és a hatásfokban: % - os munka növekedés =
η=
1405 - 1269 ⋅ 100 = 10,7% 1269
WNET 1405 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 37,7% QS 3724
A hatásfok növekedés 37,7-37,2=0,5% elhanyagolható, mert a hőközlés átlagos hőmérséklete csak kicsit változott. Az újrahevítés fő előnye az, hogy csökken az alacsony nyomású turbinában a gőz nedvessége. 3. Tápvíz regeneratív előmelegítése Túlhevítéssel és újrahevítéssel együtt is a Rankine-ciklus hatásfoka nem éri el a 40%ot. Az ideális Carnot-ciklus hatásfoka a 10. példa adataival 62%. A különbség oka az, hogy a Rankine-ciklusban a hő zömét a ciklus maximális hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékleten közöljük. Ez a hatás a tápvíz regeneratív előmelegítésével csökkenthető. A regeneratív tápvíz előmelegítésnél gőzt vonnak el a turbina köztes fokozatától a kazánba belépő tápvíz előmelegítésére. Így a kazánban a hőbevitel magasabb átlagos hőmérsékleten történik.
Dr. Pátzay György
79
20
11. példa Egy hőerőműben a turbinára 50 bar nyomású, 600 °C hőmérsékletű gőz áramlik. Miután 5 bar nyomásig expandált, a gőz egy részét tápvíz előmelegítésre vonjuk el egy nyitott hőcserélőben. A hőcserélőből távozó telített víz 5 bar nyomású. A turbinán maradó gőz a 0,2 bar kondenzátor nyomásig (izentrópikusan) expandál. Mekkora a ciklus termikus hatásfoka? Mekkora a hasznos teljesítmény 10000 kg/óra gőztermelés mellett?
Mivel a turbinától elvont gőz nem tud munkát végezni a turbinán, annak munkája lecsökken.
Az előző dián szereplő ábra szerint: p1=50 bar, p2=5 bar, p3=0,2 bar, t1=600 °C.
Ugyanakkor a kazánba betáplált hőmennyiség jelentősen csökken, így a hatásfok növekszik.
Az 1,2 és 3 állapotú gőz entalpiája a h-s diagram alapján: h1=3665 kJ/kg, h2=2955 kJ/kg, h3=2390 kJ/kg. A kondenzátum entalpiája: h4=hf=251 kJ/kg 0,2 bar nyomáson. Az szivattyú bemeneti munkája:
(
)
W p1 = vw ( p5 − p4 ) = 0,001 5 ⋅ 105 − 0,2 ⋅ 105 = 481 J/kg = 0,48 kJ/kg Az 1. szivattyú energiamérlege alapján: h4 + W p1 = h5 251 + 0,48 = h5 Dr. Pátzay György
81
h5 = 251,5 kJ/kg
Dr. Pátzay György
82
A nettó munkavégzés: WNET = WT − (1 − y ) ⋅ Wp1 − W p 2 = 1194 − (1 − 0,144) ⋅ 0,48 − 4,5 = 1189 kJ/kg
h6=az 5 bar nyomású, telített víz entalpiája = hf=640 kJ/kg Lépjen ki 1 kg gőz a kazánból és y kg gőzt vonjunk el a turbinától tápvíz előmelegítésre. A tápvíz előmelegítő energiamérlege alapján:
A termikus hatásfok: η =
Összes belépő energia = összes kilépő energia y ⋅ h2 + (1 − y ) ⋅ h5 = 1⋅ h6
1189 WNET ⋅ 100 = ⋅ 100 = 39,4% Qs 3020,5
Tehát a tápvíz regeneratív előmelegítése nélküli 37,2%-os hatásfok 39,4%-ra javult, tehát fokozatonként ~2%-os javulás érhető el. A nagy erőművekben maximum 7 fokozatú előmelegítő rendszert alkalmaznak.
y ⋅ 2955 + (1 − y ) ⋅ 251,5 = 1⋅ 640 y = 0,144
.
5 5 A szivattyú bemeneti munkája: Wp 2 = v w (p1 − p6 ) = 0,001(50 ⋅ 10 − 5 ⋅ 10 ) = 4500 J/kg = 4,5 kJ/kg
A nettó teljesítménykimenet = m⋅ WNET =
10000 ⋅ 1189 = 3303 kW = 3,303 MW 3600
A 2. szivattyú energiamérlege alapján: h6 + Wp 2 = h7 640 + 4,5 = h7 = 644,5 kJ/kg A kazán energiamérlege alapján: h7 + Qs = h1 Qs = h1 − h7 = 3665 − 644,5 = 3020,5 kJ/kg A turbina energiamérlege alapján: 1⋅ h1 = y ⋅ h2 + (1 − y ) ⋅ h3 + WT 1⋅ 3665 = 0,144 ⋅ 2955 + (1 − 0,144 ) ⋅ 2390 + WT WT = 1194 kJ/kg Dr. Pátzay György
83
Dr. Pátzay György
84
21
500 Mwe telejsítményű szénerőmű 250 t szén óránként 8000 óra üzemidő mellett 2.000.000 t szén
Dr. Pátzay György
85
Dr. Pátzay György
86
9-12
9-19
Kombinált ciklusú gáz-gőzerőmű sémája 1. Kombinált ciklusok (bináris ciklusok) alkalmazása Egy erőmű termikus hatásfoka tovább növelhető bináris ciklusok (kombinált ciklusok) alkalmazásával. A bináris ciklus két külön ciklusból áll: egy magasabb hőmérsékletű (topping cycle) és egy relatíve alacsonyabb hőmérsékletű ciklusból. A legáltalánosabb bináris ciklus a gáz-gőz (turbinás) kombinált ciklus, ahol egy gázturbina (Joule-Brayton ciklus szerint) üzemel a magasabb hőmérsékletű tartományban és egy gőzturbina az alacsonyabb hőmérsékletű tartományban. Az első ciklusból, a gázturbináról kilépő forró füstgázok hevítik fel gőzzé a vizet a második ciklusban. Természetesen a kombinált ciklus alkalmazása esetén a termikus hatásfok magasabb, mint a külön alkalmazott egyes ciklusok hatásfokai.
Dr. Pátzay György
87
Dr. Pátzay György
88
22
Dr. Pátzay György
89
Dr. Pátzay György
90
Kombinált ciklusok
Amennyiben két termék van és a hatásfok eléri a 65%-ot, akkor ez kapcsolt termelés.
Dr. Pátzay György
91
Dr. Pátzay György
92
23
Ideális kapcsolt energiatermelés
2. Kapcsolt energiatermelés (Kogeneráció) Kapcsolt energiatermelés: mechanikai, villamosenergia termelése. A hőenergia lehet: • gőz (általában technológiai célra) • forróvíz (technológiai illetve fűtési célra) • forró levegő (technológiai célra, általában szárítás)
és
hőenergia
együttes
Kapcsolt energiatermelés energetikai mutatói Két fontos mutató együttes használata szükséges • összhatásfok (mennyiségi hatásfok)
• fajlagos kapcsolt villamosenergia-termelés
Dr. Pátzay György
93
Dr. Pátzay György
94
Dr. Pátzay György
95
Dr. Pátzay György
96
24
Kapcsolt energiatermelés Az energia-megtakarításnak egyik leghatékonyabb eszköze a kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés, amikor egy villamosenergia-termelő berendezés termodinamikai alaptörvények következtében elkerülhetetlenül keletkező hulladékhőjét olyan hőfokszinten tudjuk előállítani, hogy az még hőigények – elsősorban fűtési igények – kielégítésére felhasználható. Az ilyen rendszerekben a felhasznált tüzelőhő 80-90%a hasznosul villamos- vagy hőenergia formájában. E két energiaforma aránya azonban a választott körfolyamat típusától függően eltérő lehet. Ennek megfelelően a kapcsolt energiatermelést megvalósító berendezések jellemzésére két mutatót kell használni. Az egyik az összes hatásfok a két hasznos teljesítmény viszonya a bevezetett hőteljesítményhez, a másik a két hasznos teljesítmény aránya (a fajlagos villamosenergia-termelés), amely a hasznos villamos teljesítmény (Pvill) és hőteljesítmény (Qfűtési) aránya: P + Q& fűűtés P η = vill σ = vill és Q& összes Q& fűűtés Az utóbbi mutatónak az adja a jelentőségét, hogy különválasztott megtermelés esetén a csak villamos-energiát termelő folyamatok hatásfoka általában 30-40%, míg fűtési hő kb. 90% hatásfokkal állítható elő. Emiatt kedvezőbb az a megoldás, amelyben több értékes villamosenergia termelhető, azaz nagyobb a fajlagos villamosenergia-termelése.
Dr. Pátzay György
kapcsolt energiatermelés villamos energia, 20
tüzel őanyag
hőenergia 65
97
Szabályozatlan elvétel
Fűtési hőcserélők
te
tv
Tápvízelőmelegítő rendszer
Az összes hatásfok általában 80…90%, a fajlagos villamosenergia-termelés értéke – a körfolyamat paramétereitől és a hőkiadás hőfokszintjétől függően – 0,2 és 0,4 között lehet. Egy ilyen kapcsolt energiatermelés és az azt helyettesítő külön-külön termelés energiaáramait mutatja kerekített számokkal a következő ábra. Dr. Pátzay György
98
Dr. Pátzay György
100
külön hő- és villamosenergia termelés tüzelőanyag 55
villamos energia, 20 veszteség 35
Szabályozatlan elvétel Fűtési hőcserélők
100 veszteség 10
veszteség 15
Tüzelőhő megtakarítás: 55 + 75 – 100 = 30
Több évtizede ismeretes és alkalmazott eljárás a nagy távhőrendszerekben alkalmazott kapcsolt energiatermelés gőzkörfolyamatokban. Ez célszerűen több tíz, vagy inkább 100 MW-ot meghaladó csúcshőigényű távhőrendszerekben alkalmazható (általában fűtési célú) forróvíz vagy (általában technológiai célú) gőz hőhordozó előállítására. A hőkiadás módja ellennyomású vagy elvételes kondenzációs lehet. Az ellennyomású hőszolgáltató blokk turbinájában csak annyi gőzt lehet expandáltatni, amennyit a fogyasztók igényelnek vagy amennyivel a fogyasztók által igényelt forróvíz felmelegíthető. Ez azt jelenti, hogy a villamosenergia előállítása és a tüzelőanyag fogyasztás közelítőleg arányos a hőigény nagyságával. Egy ellennyomású fűtőblokk kapcsolását a következő ábra mutatja.
tüzelőanyag 75
hőenergia 65
te
tv
Tápvízelőmelegítő rendszer
Elvételes kondenzációs erőmű Az ellennyomású kapcsolt energiatermeléstől eltérően az elvételes kondenzációs kapcsolt energiatermelés esetén nincs általános kényszerkapcsolat a két termék aránya között. Az ellennyomású fűtőblokknak alapvetően három különböző üzemállapota van: Minimális kondenzáció: a kondenzátorba ömlő gőzáram nem csökkenthető nullára, még az ábrában jelölt (nem mindig beépített) torlasztó csappantyú esetén sem. Ilyenkor a blokk üzeme úgy értékelhető, mint egy közös gépben megvalósuló minimális kondenzációs és egy ellennyomású körfolyamat szuperpozíciója. Maximális gőznyelés: ilyenkor a hőkiadás növelése a villamos teljesítmény csökkenését vonja maga után. A villamos teljesítmény csökkenésének és a kiadott hőteljesítménynek az arányát fajlagos kiesett villamosenergia-termelésnek nevezzük. Közbenső tartomány: a két kiadott hasznos teljesítmény egymástól függetlenül változtatható, beállítható. Dr. Pátzay György
99
25
Dr. Pátzay György
101
Dr. Pátzay György
102
Hőerőgépek ciklusainak hatásfokai •
Rankine ciklus: villamos hőerőművek, atomerőművek, hatásfok~ 30%
•
Brayton ciklus: A Rankine ciklus javítása földgázzal és tüzelőolajjal üzemelő gázturbinák, hatásfok~ 28%
•
Kombinált Rankine-Brayton ciklus: csak földgázra, hatásfok~60%!
•
Otto ciklus: szikragyújtású belsőégésű motorok (benzinmotorok), hatásfok~30%
•
Diesel ciklus: kompressziós gyújtású belső égésű motorok (dízelmotorok), hatások~35%
Dr. Pátzay György
103
Dr. Pátzay György
104
26
53,2
56,5
Túlhevített+újrahevített+tápvíz előmelegített
Szuperkritikus
688
634
619
415
361
346
293
107
52,0
Túlhevített+tápvíz előmelegített
566
275
Dr. Pátzay György
46,5
Túlhevített+újrahevített
548
234
105
45,8
Túlhevített
507
Hőátadás hőmérséklete K °C
Dr. Pátzay György
41,4
Alap
Rankine ciklus
Hatásfok %
Rankine ciklusok elméleti hatásfokai
Efficiency (%) Dr. Pátzay György
Dr. Pátzay György
0 t t t ) ) ) ) ) e C rs nt e) nt e) lant lant lls lant wer as an an in an la la FC e t e FC GC FBC FBC ng ar kW ce p p pl pl og r pl p rb O to I c rp r p MC sh 00 ra bi m er er er d tu wer (P e er (C (S ai er 1 al ed ra w we owe ll ( ll W n n nd ow pow o olt pow ow ow tric o in fi r e a t io M io pa l c e v po l po p p p p t l t ( c W ar il d rp T m ue ss ty al ec ro ida oa bus bus ine up hoto el o i l e ( a a la G d r u l e C le m f f fi b C te e c T P tric it ( er es So Hy om o m C o m tu r C al- e fu l s xide es th Nu Bi elec C un rbin at tica co ed o d d eo as in on fi r G ri to H P o tu ne urb Be e g lid Be s rb a-c r C t ebi So ic ga r st ca ed ised arg d ur m t lt a e is m e d a L u d d W alis nd e m rg l te ui ui th r St ea La M e Fl Fl wi nt ll a St g rs ed ce ma in ile at r is de S ul s bo su c l a s r i a re C ne co i P c i g d er en ise ph el er os es lv m Di Pu At
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Villamosenergia termelés hatásfoka
108
106
27
Dr. Pátzay György
109
Dr. Pátzay György
110
Tüzelés O2/CO atmoszférában
Dr. Pátzay György
111
Dr. Pátzay György
112
28
10-1
Dr. Pátzay György
113
A hűtőgép és a hőszivattyú
Dr. Pátzay György
114
A hőszivattyú alacsonyabb hőmérsékletű helyről munka befektetésével magasabb hőmérsékletű helyre szállít hőenergiát. A szállítandó hőenergiát a környezetből (levegőből, talajból, vízből, vagy ipari maradékhőből) nyeri. A hőszivattyú alkalmas hűtésre is, ekkor a magasabb hőmérsékletű helyről szállít hőt munka befektetésével az alacsonyabb hőmérsékletű helyre. Típusai: 1. Kompressziós hőszivattyú A LEGISMERTEBB TÍPUS. Megfordított sorrendű Carnot ciklus szerint dolgozik. A bepárlóban az alacsony nyomású és hőmérsékletű hőhordozó közeg elpárolog és hőt vesz fel az alacsony hőmérsékletű forrásból. Ezután munka befektetésével kompresszorral komprimáljuk és megnöveljük a hőhordozó nyomását és hőmérsékletét. A megnövelt nyomású és hőmérsékletű hőhordozó ezután a kondenzátorban lekondenzál és hőt ad le a magasabb hőmérsékletű helyen, azaz fűt. Ezután egy expanziós szelepen alacsony nyomásra expandál és elpárologva újra hőt vesz fel az alacsony hőmérsékletű forrásból. Kompressziós hőszivattyú Dr. Pátzay György
115
Dr. Pátzay György
116
29
4
A hőszivattyú hatékonyságát az ún. munka végzés arányával( work ratio) vagy COP értékkel (coefficient of performance) jellemzik. Ez a leadott hőmennyiség és a befektetett munka aránya, a modern hőszivattyúknál COP~6, azaz 6 kW hő nyerhető 1 kW elektromos energia befektetésével. 5
2. Abszorpciós hőszivattyú A bepárlóból érkező gáz halmazállapotú munkaközeg folyékony oldószerben nyelődik el és eközben hő szabadul fel. A továbbhaladó kombinált közeget munka végzéssel a szivattyú megnövelt nyomással ejektorba juttatja, ahol külön válik a gáz munkaközeg a folyadéktól egy külső hőforrás (maradékhő, gázégő) segítségével. A nagynyomású gáz munkaközeg a kondenzátorba léve lekondenzál és hőt ad le a magasabb hőmérsékletű helyen. Ezután fojtószelepen áthaladva bepárlóban az alacsony nyomású és hőmérsékletű hőhordozó közeg elpárolog és hőt vesz fel az alacsony hőmérsékletű forrásból.
3
2
1 6
A bepárlóból érkező gáz halmazállapotú munkaközeg folyékony oldószerben nyelődik el (1) és eközben hő szabadul fel. A továbbhaladó kombinált közeget munka végzéssel a szivattyú (2) megnövelt nyomással ejektorba (3) juttatja, ahol külön válik a gáz munkaközeg a folyadéktól egy külső hőforrás (maradékhő, gázégő) segítségével. A nagynyomású gáz munkaközeg a kondenzátorba (4) érve lekondenzál és hőt ad le a magasabb hőmérsékletű helyen. Ezután fojtószelepen (5) áthaladva bepárlóban (6) az alacsony nyomású és hőmérsékletű hőhordozó közeg elpárolog és hőt vesz fel az alacsony hőmérsékletű forrásból.
Abszorpciós hőszivattyú Dr. Pátzay György
117
Dr. Pátzay György
118
A hőszivattyúk előnyei: • Alacsony hőmérsékletű hőenergiát képesek munka befektetésével megfelelő hőmérsékletű hőenergiává alakítani. • Kicsi az elektromos energia igényük és kisebb a gáz emissziójuk a szokványos hőerőgépekhez képest és kevés bennük a mozgó alkatrész.
A hőszivattyúk hátrányai: • A maximálisan elérhető hőmérséklet ~140 °C • Csak magas energiaáraknál gazdaságos a működésük • Fejlődésük során egyre bonyolultabbak
Alkalmazási területük: • Fűtés,gőzfejlesztés • Szárítás • Bepárlás, desztilláció
Háztartási hűtőgép Dr. Pátzay György
119
Dr. Pátzay György
120
30
10-6
A hőszivattyú télen fűti, nyáron hűti a házat
Hőerőgépek. . .
Turbina
HŐ
Kazán Kondenzátor
HŐ
Hőelvonás
Hőközlés
Expanzió
Szivattyú Kompresszió Dr. Pátzay György
121
Dr. Pátzay György
. . . hűtőgépek
122
Tűzcsöves kazán
Kompressor HŐ
Hűtő sprirál
HŐ
Hűtés
Melegítés
Kompresszió
Kondenzátor Folytószelep
Expanzió Dr. Pátzay György
123
Dr. Pátzay György
124
31
Vízcsöves kazán
Dr. Pátzay György
125
Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György
126
126
32
