ÅNGCYKEL CARNOT. Modifieras lämpligen så att all ånga får kondensera till vätska. Kompressionen kan då utföras med en enkel matarvattenpump.

Transkript

1 ÅNGCYKEL CARNOT Arbetsmedium: H 2 O, vanligt vatten. Isobarer och isotermer sammanfaller i det fuktiga området. Låt därför vattnet avge värme under kondensation vid ett lågt tryck (temperaturt L ) ochuppta värmeunder förångningvidett högre tryck (temperatur T H ). Använd en ideal adiabatisk kompressor samt en ideal adiabatisk turbin mellan dessa trycknivåer; värmeutbyte vid försumbar temperaturdifferens Carnotprocess, d.v.s. högsta möjliga verkningsgrad! (η th = 1 T L /T H ). 1 2 isentrop kompression 2 3 isobar/isoterm värmetillförsel 3 4 isentrop expansion 4 1 isobar/isoterm värmeavgivning Modifieras lämpligen så att all ånga får kondensera till vätska. Kompressionen kan då utföras med en enkel matarvattenpump. Problem: 1. Vätskan som utfaller i turbinen ger slitage och korrosion. Praktiskt sett kan inte ångkvalitet (specifik ångmängd) lägre än ca. 90% hanteras. 2. Högsta temperatur (T H ), och därmed η th, begränsad av den kritiska temperaturen (374 C = 647 K). 3. Vid givet massflöde minskar nettoarbetet med ökande T H. Ch Termodynamik C. Norberg, LTH

2 IDEAL ÅNGKRAFTSPROCESS Rankine cycle (William Rankine, ) Komponenter: försumbara ke och pe q w other = h e h i 1 2 isentrop kompression av vätska i matarvattenpump w pump,in = h 2 h 1 v f@p1 (P 2 P 1 ) 2 3 isobar värmetillförsel i ångpanna (uppvärmning av vätska + förångning + överhettning) q in = h 3 h isentrop expansion i turbin w turb,out = h 3 h isobar/isoterm värmeavgivning i kondensor q out = h 4 h 1 = h 4 h f@p1 w pump,in normalt sett mycket mindre än w turb,out η th = Approximativ termisk verkningsgrad: w turb,out րw pump,in w turb,out +q out րw pump,in h 3 h 4 h 3 h 1 Ch Termodynamik C. Norberg, LTH

3 VERKLIG ÅNGKRAFTSPROCESS Ideal process inga förluster förutom de som uppträder vid värmeutbyte med ändlig temperaturdifferens (internt reversibla delprocesser). Verklig process irreversibla förluster! Ideal process med försumbart pumparbete: η th,ideal h 3 h 4s h 3 h 1 Mer verklig process: irreversibel expansion i adiabatisk turbin; försumbart pumparbete; i övrigt inga förluster η th η T η th,ideal η T är turbinens isentropiska verkningsgrad (η T 0.88). Ch Termodynamik C. Norberg, LTH

4 METODER ATT ÖKA VERKNINGSGRADEN Ideal process: η th 1 T low,avg /T high,avg T low,avg = medeltemperatur vid värmeavgivning T high,avg = medeltemperatur vid värmetillförsel 1. Minska kondensortrycket minskar T low,avg T 1 > 25 C P 1 > 3.2 kpa För lågt P 1 kan ge luftinläckage Större kondensor Försämrad ångkvalitet 2. Ökad överhettning ökar T high,avg Förbättrad ångkvalitet Metallurgisk gräns ca. 650 C 3. Öka trycket i pannan ökar T high,avg Vid bibehållen turbininloppstemperatur försämras ångkvaliten Praktisk övre gräns idag: ca. 30 MPa (P cr = 22.1 MPa) Ch Termodynamik C. Norberg, LTH

5 MELLANÖVERHETTNING Går det att utnyttja att η th ökar vid ökat tryck i pannan/ånggeneratorn utan att det uppstår problem med vätskeutfällning i turbinen? Om inte inloppstemperaturen till turbinen kan ökas ytterligare: använd fler turbinsteg kombinerat med mellanöverhettning. Av kostnadsskäl används sällan mer än två mellanöverhettningar. Mer än en kan oftast bara motiveras om högsta trycket är högre än det kritiska trycket, P max > 22.1 MPa (om tillståndet efter sista turbinsteget är alltför överhettat ökar medeltemperaturen vid värmeavgivningen, vilket minskar verkningsgraden). Med en mellanöverhettning och samma turbininloppstemperaturer är det optimala mellantrycket ca. en fjärdedel av det maximala trycket. Om den metallurgiska gränsen inte fanns skulle mellanöverhettning inte behövas. Ch Termodynamik C. Norberg, LTH

6 REGENERERING Att värma allt det kalla matarvattnet från pumpen externt d.v.s. via pannan är inte termodynamiskt effektivt (sänker T high,avg ). Genom att tappa av en del av den varma ångan från turbinen kan denna utnyttjas till förvärmning av matarvattnet. Genom denna interna värmeväxling (regenerering) minskar visserligen turbinarbetet men η th ökas (minskat externt värmebehov). Rent praktisktkan regenerering ske antingen i en öppen eller i en sluten matarvattenförvärmare (eng. feedwater heater, FWH). En öppen 1 FWH kan användas för avluftning av den luft som kan ha läckt in i systemet, t.ex. via kondensorn. Effektiv värmeväxling. Billig. Nackdel: kräver extra pump. Med en sluten 2 FWH kan flöden vid olika trycknivåer värmeväxlas. Nackdel: sämre värmeväxling. För att skilja på det vatten som kondenserar i en sluten FWH och resterande ånga används s.k. ångfällor (eng. traps). Oftast kombineras bägge typerna av FWH, se t.ex. Fig Open FWH = Blandningsförvärmare. 2 Closed FWH = Ytvattenförvärmare. Ch Termodynamik C. Norberg, LTH

7 KOMBINERAD PROCESS (KOMBIPROCESS) Toppa ångkraftsprocessen (vatten) med en gasturbinprocess (luft). Ökad T high,avg ökad termisk verkningsgrad Ex. Öresundsverket, Malmö (E.ON Hitachi, 2009): Gasturbin (GE Energy): Ẇ g = 290 MW (r p = 18, T 8 = 630 C, T 9 75 C). Ångturbin (Alstom): Ẇ s = 160 MW (P 3 14 MPa, T 3 = 565 C, P 4 = (3 7) kpa; termisk verkningsgrad, η th 59%. Höga investeringskostnader men också relativt snabbt återbetalat. Ẇ net,out = Ẇg η th,g = Ẇg/ Q in Q g,out = Q s,in Ẇ net,out = Ẇs η th,s = Ẇs/ Q s,in η th = η th,g +η th,s η th,g η th,s Ex. η th,g = 0.39, η th,s = 0.33 η th = 0.59 Ch Termodynamik C. Norberg, LTH