Miljöfysik. Föreläsning 3. Värmekraftverk. Växthuseffekten i repris Energikvalitet Exergi Anergi Verkningsgrad

Transkript

1 Miljöfysik Föreläsning 3 Växthuseffekten i repris Energikvalitet Exergi Anergi Verkningsgrad Värmekraftverk

2 Växthuseffekten Simuleringsprogram för olika områden

3 Fråga O För att värma en liter rumstemperat vatten till 100 C behöver man 300 kj som oordnad molekylrörelse. Antag att vi kunde ordna så att alla vattenmolekylerna plötsligt fick sin rörelse i samma riktning. Vad är kastrullens hastighet? Man får försumma kastrullens massa. Termisk energi oordnad rörelse Om vi kan förvandla oordnad rörelse till ordnad blir det användbart om vi vill t.ex. flytta på någonting eller driva en motor. Vi kan göra dessa omvandlingar (t.ex. i en ångturbin i ett värmekraftverk).

4 Värmekraftverk Värmekraftverk Man omvandlar termisk energi till kinetisk energi. Vattenånga med högt tryck sätter ett turbinhjul i rotation. Turbinhjulet sitter på samma axel som en elektrisk generator. Varför skulle värmekraftverket (ovan) inte fungera?

5 Värmekraftverk En tryckskillnad behövs för att driva hjulen. Trycket måste sänkas på turbinens utloppssida. Man måste kyla ångan med en värmeväxlare (vattnet från havet kan användas). För att få ett värmekraftverk som funkar måste vi förlora energi (spillvärme)

6 Verkningsgraden Man kan bara omvandla en del av den termiska energin den användbara kinetiska energin W. Resten omvandlas till oanvändbar spillenergi Q 2. Q 1 till W Verkningsgraden η= ; Q Q η= Q 1 2 Q 1 1 W = Q Q 1 2

7 Carnotverkningsgraden Ju större temperaturskillnaden T T 1 2 mer kinetisk energi som man kan få ut. är desto större tryckskillnad Den teoretiskt högsta möjliga verkningsgraden : Carnotverkningsgraden η max T T T T T 1 2 = = 1 1 (temperaturer i kelvin)

8 Fråga O Ett kärnkraftverk har typiska värden T = 285 C och T = 100 C. Vad är carnotverkningsgraden? O 1 2

9 Energikvalitet och exergi Betrakta enenergimängd på 100 J från ångpannan genom turbinen. Antag att η=0.3. Q = 100 J, W = 30 J, Spillvärmen Q = 70 J 1 2 Exergi X: Den del av ångans energi som kan omvandlas till kinetisk energi. Anergi A: Resten av energin som bara kan bli spillvärme.

10 Energikvalitet och exergi Den totala energin: Q= X + A Kinetisk energi kan omvandlas till andra energityper. Kinetisk energi har en hög "kvalitet". Kvalitetsfaktor: q = X Q 1 Carnotverkningsgraden T T T T T 1 2 q = = 1 1 η max hur mycket ordnad kinetisk energi man maximalt kan få ut av en viss energimängd. hur mycket exergi som ryms i en viss energimängd.

11 Kvalitetsfaktor Energiform Mekanisk (potentiell, kinetisk) energi Kvalitetsfaktor (omgivningstemp.=27 O C) 1.00 Elektrisk energi 1.00 Solstrålning 0.95 Kemisk energi Termisk energi vid 285 O C 0.46 Termisk energi vid 70 O C 0.13

12 Fråga Ge exempel som visar kvalitetsfaktorer för de olika energityperna.

13 Hushållning med exergi och energi 50% av Sveriges energianvändning går till uppvärmningen av bostäder. Hur hög kvalitet behöver vi på denna energi? O O För att upprätthålla rumstemperaturen 20 C vid utetemperaturen -10 C T q = = T 1 1 ( ) ( 273+ [ 10] ) ( ) ( ) ( ) ( ) T q = = = 0.15 T = 0.1 O O För att värma vatten till 55 C från kallvatten 5 C Lågkvalitets energi kan användas t.ex. varmluft från en värmepump.

14 Hushållning med exergi och energi Kvantitativt är direktverkande elvärme mycket effektiv. I motståndstråden är processen bara el värme 100% omvandling. Vi bör välja energikälla med en kvalitetsfaktor som är anpassad till energianvändningen. Varför??? Energitillgångar ordnade från högre till lägre kvalitet Vattenenergi, vindenergi Kärnenergi Bränslen Solvärme Omgivningsvärme Energianvändning ordnad från högre till lägre kvalitet Transporter, mekanisk bearbetning Dator, radio, TV Kemiska processer Belysning Bostadsvärme

15 Exergihushållning

16 Exergihushållning

17 Fråga Antag att jag har 20 2 m solfångare på mitt villatak. De ger varmvatten O vid 70 C motsvarande i medeltal 1000 W värmeeffekt. Jag får på så sätt varmvatten till bostadsuppvärmning och disk- och badvatten. Jag har också ett vindkraftverk som ger mig 1000 W eleffekt till min dammsugare (jag dammsuger ständigt!). Antag nu att jag vill ha elvärme istället. Jag köper elelement och elektrisk varmvattenberedare, kopplar till vindkraftverket och får precis lika stor värmeeffekt som från solfångaren, 1000 W. Hur skall jag nu få el till dammsugaren? Jag bygger några små värmekraftverk som via turbin och generator ger mig el från solvärmen. O Medeltemperaturen i omgivningen är T 2 = 0 C och mitt kraftverk har en termisk effekt som är 1000 W. Räcker det?

18 Vi behöver vara försiktiga! Frågan visade att efter bytet till elvärme uppstod exergibrist trots tillräcklig tillgång på energi. Detta är inte ett problem om vi skulle ha obegränsad tillgång till el. Vi måste använda energi av lägsta möjliga kvalitet. Spara den högkvalitativa energin till ändamål där den verkligen behövs.

19 Värmetransport Husvägg α är värmeövergångskoefficient λ är värmekonduktiviteten P är värmeflödet A är arean

20 Värmetransport Husvägg α är värmeövergångskoefficient λ är värmekonduktiviteten P är värmeflödet A är arean

21 Värmepumpen Värmepumpen ger möjlighet att överföra värme från ett område med en låg temperatur till ett område med en hög temperatur. För att värma upp ett hus tar man värme från uteluft, mark, berg osv. Värmepump - egenskaper Mängden termisk energi man får ut är större än mängden energi man matar in. Man kan värma sitt hus till behaglig temperatur genom att ta energi från den kalla omgivningen. Strider detta mot termodynamikens huvudsatser?

22 Värmepump och värmekraftverk Samma princip men olika riktning En sida med låg och en med hög temperatur En sida med lågt och en med högt tryck

23 Hur en värmepump fungerar Kokande vätska ångbildningsvärme tas bort Vätskan tar upp energi från omgivningen (t.ex. kokande vatten på spisen tar energi från elplattan) Om vi inte skulle tillföra mer energi skulle vätskans temperatur sjunka när vätskan förångas. Förångning, avdunstning är avkylande. Kylskåpet och frysen (värmepumpar) använder denna princip. so Värmeenergi skickas ut till baksidan.

24 Hur en värmepump fungerar Värmepumpen bygger på att man kan flytta kokpunkten för en vätska genom att ändra trycket. O Vattnet kokar vid t.ex. 80 C vid lågt tryck uppe på ett högt berg men O inte förrän långt över 100 C vid högt tryck (t ex tryckkokare). I värmepumpen använder man ett ämne, t.ex. tetrafluoretan, som O O arbetsmedium/köldmedium, vars kokpunkt kan förflyttas mellan -20 C + 50 C.

25 Värmepump

26 Värmepumpens fyra delar (1) Kompressorn, pumpen, komprimerar gasen (köldmediet) till högt tryck. Samtidigt ökar temperaturen. (2)Vid högt tryck kondenserar gasen till vätska. Värme frigörs. Temperaturen stiger på det som omger kondensor-rörslingan (3)Vätskan får pysa ut genom ett tunt kapillär-rör eller en expansionsventil. På andra sidan är trycket lågt. Temperaturen och trycket sjunker. (4)Vid lågt tryck kan vätskan koka fastän den har låg temperatur. Vid förångningen åtgår energi. Temperaturen sjunker på det som omger förångar-rörslingan.

27 Högt/lågt tryck och vätska/gas Kompressorn och ventilen skapar en skiljelinje mellan högt och lågt tryck. Förångaren och kondensorn upprätthåller en skiljelinje mellan gas och vätska.

28 Entropi Ett system som mottar värmemängden Q vid temperaturen T får en entropiändring 20 C 0 C S = Q T Vattentank på 2x1 liter Värme leds tills temperaturen utjämnats (här 10 C Q = m c T Medeltemperaturer T 1 = 15 ; T 2 = 5

29 Entropi 20 C 0 C 10 C 10 C

30 Energirelaterade begrepp

31 Materialegenskaper Vad gör vatten så speciellt?

32 Sammanfattning Värmekraftverk Carnotverkningsgraden Energikvalitet, exergi Kvalitetsfaktorn bör anpassas till energianvändningen.