Toestandsgrootheden en energieconversie Dr.ir. Gerard P.J. Dijkema
Eemscentrale, Eemshaven, Prov. Groningen (c) I. Nikolic, 2006 Faculty of Technology, Policy and Management Industry and Energy Group PO Box 5015, 2600 GA Delft, The Netherlands
Het concept toestand
• De thermodynamische toestand van een systeem wordt gekarakteriseerd door de waardes van een aantal meetbare grootheden • Voor gas en/of vloeistof systemen: Druk P, temperatuur T en Volume V.
Extensief en intensieve grootheden • Druk P, en temperatuur T zijn intensieve grootheden. Ze hangen niet af van de hoeveelheid massa in/van een systeem. • Volume V is een extensieve grootheid. • Door te delen door de hoeveelheid mass kunnen we ze converteren tot specifiek volume v, die niet afhangt van de hoeveelheid massa
Extensief of intensief?
• Is de verbrandingsenthalpie ∆Hc een intensieve of extensieve grootheid? • En als ze wordt uitgedrukt als Lower Heating Value (LHV)?
Evenwichtstoestand •
De toestand van een systeem waarvan de grootheden niet veranderen zolang de externe condities gelijk blijven is een evenwichtstoestand.
•
Een systeem kan zich in verschillende thermodynamische evenwichten bevinden: • Mechanisch • Thermisch • Chemisch
•
Er zijn dan geen ongebalanceerde: • • •
Krachten Temperatuurverschillen Concentratieverschillen
Proces bijvoorbeeld energieconversie
• De toestand van een systeem verandert als dat system een proces ondergaat • Tijdens een proces ondergaat een systeem een reeks van toestandsveranderingen • Die reeks vormt het pad waarlangs het proces verloopt
Bron: http://elearn.punjab.gov.pk/home/read_book/14/64
Proces bijvoorbeeld energieconversie Set Condities 1
• De toestand van een systeem verandert als dat system een proces ondergaat • Tijdens een proces ondergaat een systeem een reeks van toestandsveranderingen
Toestands-grootheid X1 X1 = F(condities1)
(Deel)proces-stap A
Set Condities 2
Toestands-grootheid X2 X2 = F(condities2)
(Deel)proces-stap B TOTAAL PROCES
• Die reeks vormt het pad waarlangs het proces verloopt
Set Condities 3
Toestands-grootheid X1 X3 = F(condities3)
Toestands vergelijkingen •
Toestandsgrootheden: • Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V • (Chemische samenstelling)
•
Voor stoffen, systemen bestaan toestandsvergelijkingen
•
Uit experimenten blijkt: • Voor een zuivere stof gelden toestandsvergelijkingen f (P,v,T)
Toestands vergelijking zuivere stof •
Ideale gaswet: PV = nRT
of
P v’ = RT
n = aantal molen; v' = specifiek volume per mol
•
Van der Waals vergelijking
•
Peng-Robinson vergelijking http://en.wikipedia.org/wiki/Johannes_ Diderik_van_der_Waals
Toestands diagram - water
Bron: http://www.broederschoolroeselare.be/cursussen/Leerkrachten/Dewulf%20Grietje/Images/cursus4es /toestandsdiagram%20van%20water.jpg
• P-T diagram
Toestands diagram - water
Bron: http://www.broederschoolroeselare.be/cursussen/Leerkrachten/Dewulf%20Grietje/Images/cursus4es /toestandsdiagram%20van%20water.jpg
• P-T diagram
Bron: http://nuclearpowertraining.tpub.com/h1012v1/css/h1012v1_69.htm
• P-v diagram • Stippelijnen: isotherm
Water en stoom
• Toestandsvergelijking • Metingen •
stoomtabellen
Bron: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/screenshots/1074/original.jpg http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/9817-x-steam--thermodynamicproperties-of-water-and-steam
Stoomtabellen
Bron: http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-tables.asp
Toestands grootheden en thermische centrale – Rankine cyclus HP-steam generation
•
Toestandsgrootheden: • Enthalpie, H • Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V
Exhaust
Power generation
Water
Fuel
T
E
Power
Water
Air
•
Rankine cyclus (stoomcyclus) • • • • •
•
d e a b c
e: water op druk brengen met pomp a: verhitten tot kooktemperatuur b: verhitten t.b.v. verdamping c: isentropische expansie, in turbine d: condensatie door onttrekking warmte
Enthalpie ∆H = qp
Air supply
Entropie •
Toestandsgrootheden: • Enthalpie, H • Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V •
Maar ook entropie, S
•
Definitie: δS = δQ / T of
Q = ∫ T δS
of
Q = T ∆S
Bron: http://www.wikiskripta.eu/index.php/Entropie
Toestands grootheden en thermische centrale – Rankine cyclus •
Toestandsgrootheden: • Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V • Entropie, S
•
Bron: http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node65.html
•
Animatie: http://www.engr.usask.ca/classes/ME/227/rankine/cycles/rankine2/rankine2.html
Gas turbine • • • •
Afgeleid van vliegtuigturbine Combinatie • warmtebron en turbine in één apparaat Relatief goedkoop en modulair • (“skid-mounted”) Karakteristieken • werktemperatuur 1100 oC • druk 20-30 bar. • afgassen GT typisch 500 oC., 1 bar.
• • • •
Theoretisch Carnot rendement: (1- Tc/Th) = 1- (773/1373)*100% = 44% Rendement in de praktijk: 27-35%
Combinatie met restwarmte ketel voor stoomproductie: warmte/krachtcentrale
Bron: GE ger4194.pdf
Principe-schema Gasturbine Combustion Fuel
Generator E
Air
Power
Exhaust Compress
Expand
•
Bron: GE ger4194.pdf
Combustion Fuel
GE 7FB Gas turbine
Generator E
Air
Power
Exhaust Compress
Expand
Gas turbine • Beschrijf de thermodynamische cyclus
Combustion Fuel
Generator E
Air
Power
Exhaust Compress
Expand
Gas turbine • Systeem: open cyclus (deel in gas turbine, deel in omgeving) !! • Medium = lucht / verbrandingsgassen (niet water/stoom) • • • •
Compressor: van Plaag Phoog Verbranding: bij Phoog van Tlaag Turbine: isentropische expansie Omgeving: Plaag, Tlaag
Thoog Plaag, Tmidden
Combustion Fuel
Generator E
Air
Power
Exhaust Compress
Expand
Gas turbine • Systeem: open cyclus (deel in gas turbine, deel in omgeving) !! • Medium = lucht / verbrandingsgassen (niet water/stoom) • • • •
Compressor: van Plaag Phoog Verbranding: bij Phoog van Tlaag Turbine: isentropische expansie Omgeving: Plaag, Tlaag
Thoog Plaag, Tmidden
• Hoe ziet dit eruit in een P-v diagram van lucht? Combustion Fuel
Generator E
Air
Power
Exhaust Compress
Expand
Gas turbine • • • •
Compressor: van Plaag Phoog Verbranding: bij Phoog van Tlaag Turbine: isentropische expansie Omgeving: Plaag, Tlaag
Thoog Plaag, Tmidden
• Hoe ziet dit eruit in een P-v diagram van lucht?
Gas turbine • Systeem: open cyclus (deel in gas turbine, deel in omgeving) !! • Medium = lucht / verbrandingsgassen (niet water/stoom) • • • •
Compressor: van Plaag Phoog Verbranding: bij Phoog van Tlaag Turbine: isentropische expansie Omgeving: Plaag, Tlaag
Thoog Plaag, Tmidden
• Vermogen: 280 MWe • Compressieverhouding: 18.5 • Uitlaattemperatuur: 600 oC
Bron: GE ger4194.pdf
WKK-Centrale / Systeem • In de jaren ‘90 zijn veel zgn. Warmte/Kracht Centrales gerealiseerd om te voldoen aan • Warmtebehoefte (industrie, stadsverwarming) • Elektriciteitsbehoefte (industrie, huishoudens)
WKK GT
Boiler
Warmte-Kracht Centrale Rijnmond Energie http://www.hoogvliet.org/00-meer2004/01-januari/19-energiecentr.htm
Warmte-Kracht Centrale •
Technisch systeem
• Massabalans / Eenvoudige chemie: CO2 emissie • Energiebalans: Aardgas consumptie: kosten per kWh • Technologische karakteristieken: hoog energie-rendement CO2
WKK Aardgas
Lucht
GT
Boiler
Warmte
Elektriciteit
Warmte-Kracht Centrale Rijnmond Energie http://www.hoogvliet.org/00-meer2004/01-januari/19-energiecentr.htm
Warmte-kracht centrale
Thermische centrale + gas turbine HP-steam generation Exhaust
Combustion Fuel
Power generation
Water
Fuel
Generator E
T
E
Power
Power Water
Air
Exhaust Compress
Expand
Air
Air supply
Centrale met voorschakeling gas turbine Furnace / Boiler Exhaust •
Luchttoevoer vervangen door de afgassen van een gas turbine
•
Deze zijn van hoge temperatuur (400-700 oC)
•
Bevatten voldoende zuurstof i.v.m. overmaat luchttoevoer.
HP-Steam Water E
Power
T Steam Turbine
Generator
Fuel LP-Steam •
Rendements winst bestaande centrales: +/- 5 %
•
Nieuwe centrales:
Air
• tegen 10 %
Power
E
Blower
Gas Turbine
Hot Water
Generator
• nieuwste IGCC: • 60 %
Cold Water
Integrated Gas Turbine Combined Cycle (IGCC)
Heat Exchanger
Centrale met voorschakeling gas turbine Voorwaarde voor toepassing IGCC??
Integrated Gas Turbine Combined Cycle (IGCC)
Vergassing met IGCC en CO2 verwijdering Vergasser
CO2-removal
31
IGCC E-centrale
