ENERGIATERMELÉS 5.
Energiatermelés hőerőművekben
Dr. Pátzay György
1
HŐERŐMŰVEK Az erőművek általában villamos energia termelésére épített létesítmények. Az energiaforrás szerint lehetnek: •Hőerőművek •Vizerőművek •Szélerőművek •Egyéb erőművek A termelt vagy szolgáltatott energia szerint: •Tisztán villamos energiát szolgáltató •Villamos energiát és hőenergiát szolgáltató erőművek 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
2
1
A napi villamos terhelés (csoportokra osztva; 2001.06.20.) 6000
• • •
MW
alaperőmű menetrendtartó erőmű csúcserőmű
5000
import
4000
10 GWh
menetrendtartók, 35 GWh (földgáz, olaj, szén)
3000 2000
alaperőművek, 60 GWh
1000
(atom, lignit, kapcsolt)
0 0
4
8
12
16
20
24 4
Dr. Pátzay György
3
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. 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
4
2
1. ábra Kondenzációs erőmű
2. ábra T-s diagramm
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 0C) , 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´-34´ -1´ pontok határolják. Dr. Pátzay György
5
3. Ábra Ellennyomásos erőmű Dr. Pátzay György
6
3
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
7
Extrakciós kondenzációs erőmű Dr. Pátzay György
8
4
A kapcsolt (elektromos és hőenergia) energiatermelés következő példája egy gázturbinás villamos energia és egy gőz/melegvizes kazán kapcsolását mutatja.
Dr. Pátzay György
9
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
10
5
Van olyan kombinált ciklusú energiatermelő erőmű is, ahol egy dízelmotoros villamos erőművet kombinálnak egy gőz/melegvizes kazánnal.
Dr. Pátzay György
Dr. Pátzay György
11
Egyszerű gőzerőmű
12
6
Energia minőség (a termodinamika 2. főtétele) 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. 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. 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. 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. A hőenergia exergia és anergia tartalma:
E = (1 −
Dr. Pátzay György
TL )⋅Q TH
A=
TL ⋅Q TH
13
Példa: Mekkora 1 kg szobahőmérsékletű (25 oC) víz és 1 termosz (800 cm3, 0,8kg) 100 oC-os kávé energiája, exergiája és anergiája? Az energiatartalom azonos: kJ ⋅1kg ⋅ 298 K = 1253kJ kg ⋅ K kJ = c pkávé ⋅ mkávé ⋅ Tvíz = 4,2 ⋅ 0,8kg ⋅ 373K = 1253kJ kg ⋅ K
Qvíz = c pvíz ⋅ mvíz ⋅ Tvíz = 4,2 Qkávé
Ezzel szemben exergia és anergia tartalmuk különböző:
Evíz = (1 −
TL 298 K ) ⋅ Qvíz = (1 − ) ⋅1253kJ = 0kJ TH 298 K
Ekávé = (1 − Avíz = (
TL 298 K ) ⋅ Qvíz = ( ) ⋅1253kJ = 1253kJ TH 298 K
Akávé = (
Dr. Pátzay György
TL 298 K ) ⋅ Qkávé = (1 − ) ⋅1253kJ = 252kJ TH 373K
TL 298 K ) ⋅ Qkávé = ( ) ⋅1253kJ = 1001kJ TH 373K
14
7
100 kJ/kg hő exergiája 25oC 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
Egyedi és távfűtés
Hagyományos erőművek
Gáz/gőz közegű erőművek
Dr. Pátzay György
Oil furnace
15
Energy Flow
Exergy Flow
Fuel
Fuel
Heat η ex - 4%
El
Heat η ex - 5%
El
Heat η ex - 15%
Heat η en - 85%
Electric heater
Electric heat pump
Heat
El
ηen -100% El Heat
Heat
η en - “300”% Combined power and heat plant
Dr. Pátzay György
Fuel
Fuel El & heat η en - 85%
El & heat η ex - 40%
16
8
Energiatermelés hőerőművekben 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 1824-ben Sadi Carnot francia mérnök egy hipotetikus reverzibilis hőerőgépet fogalmazott meg (5 ábra). Dr. Pátzay György
5. ábra A Carnot-körfolyamat Dr. Pátzay György
17
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 18 szükséges.
9
A Carnot-ciklus a p-v és T-s diagramokban Dr. Pátzay György
19
Dr. Pátzay György 6. ábra Munkavégzés reverzibilis körfolyamatban
20
10
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 )
Q R ≡ TL ( s 3 − s 4 )
Illetve
Wnet = Qs − QR
η Carnot = =
Wnet QS − Q R TH (s 2 − s1 ) − TL (s3 − s 4 ) = = = Qs QS TH (s 2 − s1 )
TH − T L T = 1− L TH TH
mert
(s 2 − s1 ) = (s3 − 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. Dr. Pátzay György
21
Példa:
Egy Carnot gőzgép 1200 °C-on hőt vesz fel és munkavégzés után hőt ad le egy 180 °C-os 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: W W η Carnot = 1 −
180 + 273 = 0,692 1200 + 273
Q R = Qs − Wnet = 21,7 − 15 = 6,7 kW
η Carnot =
net
Qs
→ Qs =
net
η Carnot
=
15 = 21,7kW 0,692
ha TL = 40 0 C 40 + 273 = 0,787 1200 + 273 = η Carnot Qs = 0,787 ∗ 21,7 = 17,1 kW
η Carnot = 1 − Wnet
igy a % - os munka novekedes 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
303 = 0,9 3073
22
11
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!
Geotermális erőmű Th = 150 oC = 423 K Tl = 80 oC = 353 η = (423 - 353)/423 = 17%
Gépjármű motor • Th = 1200 oC = 1473 K • Tl = 500 oC = 773 K η = (1473 - 773)/1473 = 48% 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%
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 Æ Rankine-Clausius körfolyamat. Dr. Pátzay György
23
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 24
12
Dr. Pátzay György
25
Példa Atmoszférikus nyomású víz 100 oC-on forr és 419 kJ/kg energia szükséges 1 kg 0 oC-os víz 100 oC-os vízzé melegítéséhez. Így az atmoszférikus nyomású 100 oC-os víz fajlagos entalpiája 419 kJ/kg. További 2257 kJ/kg energia szükséges 1 kg 100 oC-os víz 1 kg 100 oC-os gőzzé alakításához. Így a 100 oC-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.
Dr. Pátzay György
26
13
Példa 6 bara nyomású 0,94 szárazsági fokú gőz (6 m% víz, 94 m% gőz) teljes fajlagos entalpiája (158,8 oC): hg=697,5 kJ/kg+0,94*2066 kJ/kg=2693,5 kJ/kg A gőz fázis diagrammja:
AÆB 0oCÆ100 oC víz hf (A-B) BÆC 100oC víz-100 oC gőz CÆD 100oc gőz- túlhevített gőz
Dr. Pátzay György
Dr. Pátzay György
Kritikus pont 374,15 oC, 221,2 bar
7. ábra A víz T-s diagramja
27
28
14
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.
Példa 5 barg túlnyomású 159 oC hőmérsékletű vizet atmoszférikus nyomásra (0 barg) viszünk, mekkora a keletkezett sarjúgőz fajlagos mennyisége? A 159 oC-os víz fajlagos entalpiája 671 kJ/kg, a 100 0C-os vízé 419 kJ/kg.
h p1 − h p2 h fgp 21
=
671 − 419 = 0,112 Kg gőz/kg víz 2257
Dr. Pátzay György
29
Dr. Pátzay György
30
15
Energiaátalakító folyamatok eredő hatásfoka Példa: dízelgenerátoros villamos vízszivattyú
Dr. Pátzay György
31
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 Rankin körfolyamatban a hőhordozó, amely leggyakrabban víz, fázisváltáson megy keresztül. A Rankin-Clausius körfolyamat (röviden Rankin-körfolyamat) négy alapvető szerkezeti komponensből áll (lásd 8. ábra): a kazánból, a turbinából, a kondenzátorból és a szivattyúból.
Dr. Pátzay György
32
16
Kazán: Itt a vízzel hőt
8. ábra a Rankin-Clausius körfolyamat
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.
Dr. Pátzay György
33
A Rankine körfolyamat a 9. a,b,c ábrán szemléltetett termodinamikai változásokon megy keresztül. Ennek lépései a következők:
9. ábra A Rankin-körfolyamat Dr. Pátzay György
Állandó nyomáson hőközlés a hőhordozóval. Ez a 4-1 lépés. Az elégetett tüzelőanyag először fölmelegíti a 4-es 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 (2es állapot). Eközben a turbina forgatásával munkát végez. A hőhordozó hőleadása az alacsony hőmérsékletű nyelőnek állandó hőmérsékleten, 23 -as lépés. A turbinából kilépő alacsony nyomású, 2-es állapotú gőz lehűl és állandó nyomáson lekondenzál, 3-as állapotú telített víz keletkezik. 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 34 szükséges.
17
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 (10.ábra)
Az összes bemenő energia=az összes kimenő energiával
h4 + Qs = h1 Qs = h1 − h4 (kJ/kg) 10. ábra A kazán energiamérlege Dr. Pátzay György
35
A turbina energiamérlege (11. ábra) az összes bemenő energia=az összes kimenő energia
h1 = QL + WT + h2 Ha a turbinaház jól szigetelt a QL hőveszteség kicsi és elhanyagolható (QL=0), így:
a 11. ábra A turbina energiamérlege
A kondenzátor energiamérlege (12. ábra)
WT = h1 − h2 (kJ/kg) az összes bemenő energia=az összes kimenő energia
h2 = Q R + h3 Q R = h2 − h3 (kJ/kg)
Dr. Pátzay György
12. ábra A kondenzátor energiamérlege
36
18
A szivattyú energiamérlege (13. ábra)
Az összes bemenő energia=az összes kimenő energia h3 + WP = h4 (kJ/kg)
Mivel a víz összenyomhatatlan a szivattyú munkája közelítőleg:
szivattyú bemenő munka = v w ( p 4 − p3 )
13. ábra
Wp =
v w ( p 4 − p3 ) 1000
m 3 N Nm J ≡ ≡ kg kg kgm 2
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) A nettó munka munkavégzés:
W NET = WT − W p Dr. Pátzay György
37
A TELJES RENDSZER ENERGIAMÉRLEGE (14. ábra)
az összes bemenő energia=az összes kimenő energia Qs + W p = WT + QR Qs − QR = WT − W p QNET = W NET
ahol QNET, WNET a rendszerbe bevitt nettó hő (kJ/kg) és a rendszer munkavégzése (kJ/kg) A rendszer nettó teljesítmény kimenete: .
P = m∗ W NET
14. ábra A teljes rendszer energiamérlege Dr. Pátzay György
ahol P m. WNET
kg kJ kJ = = kW s kg s
a nettó teljesítmény, kW a gőz tömegárama, kg/s nettó munkavégzés, kJ/kg
38
19
A rendszer termikus (Rankine) hatásfoka:
η=
W rendszer nettó munkavégzése = NET rendszerrel közölt hõmennyiség Qs
Másik fontos jellemző a munkavégzés aránya (work ratio, WR): WR=nettó munkavégzés/turbina munkavégzés=WNET/WT
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: S .S .C. =
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). Dr. Pátzay György
39
2. példa A 15. ábrán bemutatott 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 A nedves (fáradt) gőz h2 entalpiája a következő megfontolások alapján határozható meg: Az 1-2 lépés izentrópikus expanzió, így 15. ábra Nyitott áramkörű (kipufogós gőz) erőmű Dr. Pátzay György
s 2 = s1 s f 2 + x 2. ∗ s fg 2 = s g1 1,303 + x 2 ∗ 6,056 = 6,586
40
20
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. 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:
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 ) = 0,001 106 − 105 = 900 J/kg = 0,9 kJ/kg 3
m N Nm J = = kg m 2 kg kg
A szivattyúzás energiamérlege alapján h4 értéke:
h3 + W p = h4 = 125,7 + 0,9 = 126,6 kJ/kg A kazán energiamérlege alapján pedig Qs értéke számítható:
Dr. Pátzay György
h4 + Qs = h1 Qs = h1 − h4 = 2778 − 126,6 = 2651,4 kJ/kg
16. ábra Fajlagos entrópia számítása a a víz-gőz rendszer különböző tartományaiban
Dr. Pátzay György
41
42
21
Dr. Pátzay György
43
T
P
° C
kPa
vf
Specific Volume, m3/kg 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
Dr. Pátzay György
44
22
Dr. Pátzay György
Az ES_Stable gőztáblázat számító program
WT értéke pedig a turbina energiamérlege alapján: A nettó munkavégzés:
45
h1 = WT + h2 WT = h1 − h2 = 2778 − 2386 = 392 kJ/kg
WNET=WT-WP=392-0,9=391,1 kJ/kg
(a szivattyúzás munkaigénye elhanyagolható a turbina munkavégzéséhez képest) A termikus hatásfok: A munkavégzés aránya: a fajlagos gőzfogyasztás pedig:
η=
WNET 391,1 = = 0,1475 = 14,75% Qs 2651,4
WR =
WNET 391,1 = = 0,998 WT 392
S .S .C. =
3600 3600 = = 9,2 kg/kWh 39,1 W NET
17. ábra Shankey diagram
Dr. Pátzay György
46
23
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 3. példában mutatjuk be (lásd 18. ábra).
Dr. Pátzay György
47
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.
18. ábra Zárt áramkörű gőzerőmű
Dr. Pátzay György
48
24
3. példa
Az előző 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 2 = s1
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 is h2 közvetlen meghatározására (18/c ábra), de az kevéssé pontos eredményt adna.)
Dr. Pátzay György
49
A kondenzátum entalpiája:
h3=hf =251 kJ/kg (0,2 bar nyomáson)
A szivattyú bemenő munkája: A szivattyú energiamérlege:
(
)
W p = v w ( p 4 − p3 ) = 0,001 10 6 − 2.10 4 = 980 J/kg = 0,98 kJ/kg 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 − W p = 610 − 0,98 ≅ 609 kJ/kg
Összehasonlítva az 1. példa adataival, a kondenzátor beillesztése jelentősen megnövelte a 609 - 391,1 % - os munkavégzés növekedés = ∗ 100 = 55,7% munkavégzést: 391,1 A termikus hatásfok: ami igen jelentős.
η=
W NET 609 = 0,241 = 24,1% Qs 2526
hatásfok növekedés = 24,1 - 14,75 = 9,35% 10000 kg kJ kJ ∗ 609 = s 3600 s kg = 1692 kW = 1,692 MW .
A nettó munkavégzés: Dr. Pátzay György
P = m∗ WNET =
50
25
18/b. ábra Az egyszerű ideális túlhevített vízgőzös Rankin-ciklus © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998
Dr. Pátzay György
51
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 hőmérséklettõl 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
52
26
Dr. Pátzay György
53
Eltérés az ideális Rankin-Clausius ciklustól A reális körülmények között fellépő veszteségek közül a legjelentősebbek a súrlódási és a környezetbe jutó hőveszteségek. Ezek irreverzibiltást 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 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.
Dr. Pátzay György
54
27
19. ábra
A turbina izentrópikus hatásfoka:
ηT =
Aktuális turbina munka kimenet h1 − h2, = Izentrópikus munka kimenet 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=
Izentrópikus 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
55
4. Példa A 3. 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? Lásd 20. ábra.
20. ábra Egy reális Rankin ciklus
Dr. Pátzay György
56
28
ηT= 0.8; ηP= 0.85 A 2. 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 =
h,2 = h f 2 + x ,2 ⋅ h fg2
A kilépő fáradt gőz jellemzői:
2290 = 251 + x ,2 ⋅ 2358 x ,2 = 0.856
(A gőztáblázatból 0,2 bar nyomásnál hf=251 és hfg=2358 kJ/kg) x2´ értéke a 20. 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: η=
h 4 − h3 h,4 − h 3
0.85 =
252 − 251 h,4 − 251
h,4 = 252.2kJ / kg Dr. Pátzay György
57
h,4 + Q s = h1
A kazán energiamérlege alapján:
Q s = h1 − h,4 = 2778 − 252.2 = 2525.8kJ / kg
h1 = h,2 + WT
A turbina anyagmérlege alapján pedig:
WT = h1 − h,2 = 2778 − 2290 = 488kJ / kg
Látható, hogy a turbina valóságos kimeneti munkája lényegesen alacsonyabb, mint az ideális ciklus esetén (610 kJ/kg). h 3 + Wp = h,4
A szivattyú energiamérlege alapján:
Wp = h,4 − h 3 = 252.2 − 251 = 1.2kJ / kg
A reális munka szivattyún nagyobb, mint az ideális esetben. A nettó munkavégzés:
WNET = W T − Wp = 488 − 1.2 = 486 .8kJ / kg WNET 486.8 = = 0.193 = 19.3% 2525.8 Qs A termikus hatásfok megint csak alacsonyabb, mint ideális esetben.
A termikus hatásfok:
η=
10000 kg kJ kJ ⋅ 486.8 ⋅ = 3600 s kg s = 1352kW = 1.352MW .
A nettó leadott teljesítmény: Dr. Pátzay György
P = m⋅ WNET =
58
29
A kazánnyomás növekedés hatása 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. 5. Példa A 3. 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. 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. A kilépő gőz h2 entalpiájának meghatározásához (1-2 lépés izentrópikus): s2 = s1 s f 2 + x2 ⋅ s fg 2 = s g1 0.832 + x2 ⋅ 7.075 = 5.973 x2 = 0,727
Dr. Pátzay György
59
21. ábra Dr. Pátzay György
60
30
Ezután:
h 2 = h f 2 + x 2 ⋅ h fg2 = 251 + 0.727 ⋅ 2358 = 1965kJ / kg (Használhatjuk a h-s diagrammot is h2 leolvasására.)
A kondenzátum entalpiája (0,2 bar): A szivattyú bemeneti munkája:
h 3 = h f = 251kJ / kg
(
)
Wp = v p (p 4 − p 3 ) = 0.001 50 ⋅ 10 5 − 0.2 ⋅ 10 5 = 4980J / kg = 4.98kJ / kg
h 3 + Wp = h 4
A szivattyú energiamérlege alapján:
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 + W T WT = h1 − h 2 = 2794 − 1965 = 829kJ / kg
A nettó (hasznos) munkavégzés:
WNET = W T − Wp = 829 − 4.98 = 824kJ / 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
61
A Rankin-Clausius ciklus hatásfokának növelése A Rankin ciklus hatásfoka nem túl magas, mely bizonyos módosításokkal (22. ábra) növelhető.
Dr. Pátzay György
22. ábra
62
31
T
3
T
( c) nyomás (hőm.) növelése
3
(b) Nagyobb túlhevítés
2 4
1
2
T
1
4
s s
2 (a) Alacsonyabb kond. nyomás(hőm.)
1 s
Dr. Pátzay György
Dr. Pátzay György
63
A regeneratív tápvíz előmelegítés hatása
64
32
1. Túlhevítés 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. (lásd 23. ábra). A hőmérséklet felső határa a jelenlegi anyagok esetén ~1100 0C.
Dr. Pátzay György
23. ábra
65
6. Példa 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 0C-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 0C. A túlhevített gőztáblázatból az 50 bar nyomású és 600 0C 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 = s1 s f 2 + x 2 ⋅ s fg2 = s1
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
66
33
h 3 + Wp = h 4
A szivattyú energiamérlege:
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:
h1 = h 2 + W T WT = h1 − h 2 = 3666 − 2392 = 1274kJ / kg
A nettó (hasznos) munkavégzés:
WNET = W T − Wp = 1274 − 4.98 = 1269kJ / kg
Az előző példához képest a túlhevítés jelentősen megnövelte a nettó munkavégzést. 1269 − 824 A munkavégzésben a százalékos növekedés = ⋅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
67
2. Újrahevítés 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. Lásd 24. ábra.
24. ábra Dr. Pátzay György
68
34
7. Példa Az előző példában az 50 bar nyomású és 600 0C-os túlhevített gőz a turbinán 0,2 bar nyomásig expandált. Az erőművet a 24. 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 0C-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. A 24. ábra szerint: p1=50 bar, p2=5 bar, p3=5 bar, t1=600 0C, t3=400 0C. 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.
A szivattyú bemeneti munkája: W = v ⋅ (p − p ) = 0,001(50 ⋅ 10 5 − 0,2 ⋅ 105 ) = 6 5 p w = 4980 J/kg = 4,98 KJ/kg
Dr. Pátzay György
A szivattyú energiamérlege:
69
hs + W p = h6 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 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 WTLP = h3 − h4 = 3270 − 2570 = 700 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
70
35
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
1405 WNET ⋅ 100 = ⋅ 100 = 37,7% 3724 QS
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 Rankin ciklus hatásfoka nem éri el a 40%-ot. Az ideális Carnot ciklus hatásfoka a 7. példa adataival 62%. A különbség oka az, hogy a Rankin ciklusban a hő zömét a ciklus maximális hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékleten közöljük. Ez a hatás a tápvíz regeneratív előmelegítésével csökkenthető. Lásd 25. ábra. 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
71
Dr. Pátzay György
72
36
Dr. Pátzay György
73
Mivel a turbinától elvont gőz nem tud munkát végezni a turbinán, annak munkája lecsökken. Ugyanakkor a kazánba betáplált hőmennyiség jelentősen csökken, így a hatásfok növekszik.
25. ábra Dr. Pátzay György
74
37
8. Példa Egy hőerőműben a turbinára 50 bar nyomású, 600 0C 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? A 25. ábra szerint: p1=50 bar, p2=5 bar, p3=0,2 bar, t1=600 0C. 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 ⋅ 10 5 = 481 J/kg = 0,48 kJ/kg Az 1. szivattyú energiamérlege alapján:
h4 + W p1 = h5 251 + 0,48 = h5 h5 = 251,5 kJ/kg
Dr. Pátzay György
75
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: Összes belépő energia=összes kilépő energia y ⋅ h2 + (1 − y ) ⋅ h5 = 1⋅ h6 y ⋅ 2955 + (1 − y ) ⋅ 251,5 = 1⋅ 640 y = 0,144 5 5 A szivattyú bemeneti munkája: W p 2 = v w (p1 − p6 ) = 0,001(50 ⋅ 10 − 5 ⋅ 10 ) = 4500 J/kg = 4,5 kJ/kg
A 2. szivattyú energiamérlege alapján:
h6 + W p 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 Dr. Pátzay György
WT = 1194 kJ/kg
76
38
A nettó munkavégzés: WNET = WT − (1 − y ) ⋅ Wp1 − Wp 2 = 1194 − (1 − 0,144 ) ⋅ 0,48 − 4,5 = 1189 kJ/kg A termikus hatásfok:
η=
1189 WNET ⋅ 100 = ⋅ 100 = 39,4% 3020,5 Qs
Tehát a tápvíz regeneratív előmelegítése nélküli 37,2%-os hatásfok 39,4%-ra javult, tehát fokotzatonként ~2%-os javulás érhető el. A nagy erőművekben maximum 7 fokozatú előmelegítő rendszert alkalmaznak. .
10000
A nettó teljesítménykimenet= m⋅ WNET = 3600 ⋅ 1189 = 3303 kW = 3,303 MW
Dr. Pátzay György
77
26. ábra
27. ábra Dr. Pátzay György
78
39
9-19
További hatásfok javítási lehetőségek 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 hőmérsekletű 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
9-12
79
Kombinált ciklusú gáz-gőzerőmű sémája
Dr. Pátzay György
80
40
Dr. Pátzay György
81
Dr. Pátzay György
82
41
Dr. Pátzay György
83
Kombinált ciklusok
Amennyiben két termék van és a hatásfok eléri a 65%-ot, akkor ez kapcsolt termelés. Dr. Pátzay György
84
42
2. Kapcsolt energiatermelés (Kogeneráció) Kapcsolt energiatermelés: Mechanikai, villamosenergia és hőenergia együttes termelése. A hőenergia lehet: • gőz (általában technológiai célra) • forróvíz (technológiai illetve fűtési célra) • forró levegő (technológiai célra, általában szárítás) Kapcsolt energiatermelés energetikai mutatói Két fontos mutató együttes használata szükséges • összhatásfok (mennyiségi hatásfok)
• fajlagos kapcsolt villamosenergia-termelés
Dr. Pátzay György
85
Ideális kapcsolt energiatermelés
Dr. Pátzay György
86
43
Dr. Pátzay György
87
Dr. Pátzay György
88
44
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: Pvill + Q& fűűtés P 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.
η=
Dr. Pátzay György
89
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.
Sza bá lyoza tla n elvét el
F ű t ési h őcser élők
te
tv
Tá pvízelőm elegítő r en dszer
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
90
45
kapcsolt energiatermelés villamos energia, 20
tüzelő anyag
hőenergia 65
külön hő- és villamosenergia termelés tüzelőanyag 55
villamos energia, 20 veszteség 35
Fűtési hőcserélők
100 veszteség 10
veszteség 15
Tüzelőhő megtakarítás: 55 + 75 – 100 = 30
Szabályozatlan elvétel
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
91
Dr. Pátzay György
92
46
Dr. Pátzay György
93
Dr. Pátzay György
94
47
co al
La H yd rg ro e ga po bo Me s w T l id fi r te er ile al d e rs p d c p a w C At ow lan rb ith C t m on er G os ul T tra ate ph po pla nt s -c er w f rit ic e ue ic C l c r pl i rc So al s an el ul l( te t lid Pr atin ox am MC es g FC i p d Fl ar su e ) u am fu ris i el ed dise ce ete d Fl r ll Be ui C (S s di o d O al se C FC f o d ) Be mb ired us d La IG C St r C om tion ea ge C (C g b m FB tu as t ust io rb ur C n St i bi (P ) ea ne ne co FB m ( M al C tu W ) fir rb ed ra in e po nge fu w ) D e l-o er ie se il po pla le nt w ng e in e W r pla N as in uc nt d le de W tu ar ce r as po bin nt te Bio e r w m -to Sm ali er as -e pl s al sed le an an la ct C ric t d nd H P bi ity m u ic po oga ro nit s w (e e tu le rp rb ct l in es rica ant ls (u ha p to r Ph 10 e) G ot eo ov 0 kW th ol er ) ta m ic al po cel So ls w er la rp p ow lan t er to w er
Pu lv er is ed
Efficiency (%)
Villamosenergia termelés hatásfoka
100 90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Dr. Pátzay György 95
Dr. Pátzay György
96
48
Dr. Pátzay György
97
Dr. Pátzay György
98
49
Dr. Pátzay György
99
Dr. Pátzay György
100
50
Tüzelés O2/CO atmoszférában
Dr. Pátzay György
101
Dr. Pátzay György
102
51
A hűtőgép és a hőszivattyú
10-1
Dr. Pátzay György
103
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. Dr. Pátzay György
104
52
Kompressziós hőszivattyú Dr. Pátzay György
105
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. 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 folytószelepen áthaladva bepárlóban az alacsony nyomású és hőmérsékletű hőhordozó közeg elpárolog és hőt vesz fel az alacsony hőmérsékletű forrásból.
Dr. Pátzay György
106
53
Abszorpciós hőszivattyú Dr. Pátzay György
107
A hőszivattyúk előnyei: •Alacsony hőmérsékletű hőenergiát képesek 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, Hátrányuk: •A maximálisan elérhető hőmérséklet ~140 OC •Csak magas energiaáraknál gazdaságos a működésük •Fejlődésük során egyre bonyolultabbak Alkalmazási területük: •Fűtés,gőzfejlesztés •Szárítás •Bepárlás, desztilláció
Dr. Pátzay György
108
54
Dr. Pátzay György
10-6
Háztartási hűtőgép
109
A hőszivattyú télen fűti, nyáron hűti a házat
Dr. Pátzay György
110
55
Hőerőgépek. . . A NK U M
Turbina
HŐ
Kazán
Kondenzátor
HŐ
Hőelvonás
Hőközlés
Expanzió
Szivattyú Kompresszió Dr. Pátzay György
111
Domain
. . . hűtőgépek UN KA
Kompresszió
Kompressor Hűtő sprirál
HŐ
HŐ
Hűtés
Melegítés
M
Kondenzátor Folytószelep
Expanzió Dr. Pátzay György
Domain
112
56
Tűzcsöves kazán
Dr. Pátzay György
113
Vízcsöves kazán
Dr. Pátzay György
114
57
Dr. Pátzay György
115
58
