Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet

Transkript

1 Ångcykler i 2 fas området Carnotcykeln är den teoretiskt bästa cykeln! Panna Pump Kondensor Turbin Carnot: 1 2 isoterm: värme tillförs i panna 2 3 isentrop: expansion i turbinen 3 4 isoterm: värme bortförs i kondensorn 4 1 isentrop: kompression i kompressorn (pumpen) Carnot i 2 fas området: olika möjligheter 1

2 Trycksättning (pump) vätska 2-fasområde Expansion Turbin Överhettad ånga Kräver trycksättning i 2 fasområdet = svårt, ej lämpligt för pumpar. Medför expansion i 2 fasområdet, ej lämpligt för turbiner (erosionskador) s 2

3 Trycksättning (pump) vätska Expansion Turbin Överhettad ånga Kräver extrem trycksättning vis höga temperaturer: olämpligt för pumpar. Expansion i gasområdet lämpligt för turbiner; inga problem med korrosion. 2-fasområde s Slutsats: Carnotcykeln är ej lämplig som ideal modellprocess för ångcykler! 3

4 Rankinecykeln ideala cykeln för ångprocesser Undviker Carnotcykelns problem genom att överhetta ångan i kokaren och kondensera den helt i kondensorn. 1 2: Isentrop kompression i pump 2 3: Isobar: tillförsel av värme i kokare 3 4: Isentrop expansion i turbin 4 1: Isobar: bortförsel av värme i kondensor 4

5 Vilken eller vilka modellcykler består enbart av isentroper och isobarer? 1. Carnotcykeln 2. Ottocykeln 3. Dieselcykeln 4. Braytoncykeln 5. Rankinecykeln 6. Både Carnot och Brayton 7. Både Diesel och Brayton 8. Både Brayton och Rankine 5

6 Varför ser Brayton och Rankine så olika ut? 6

7 Varför ser Brayton och Rankine så olika ut? Brayton: igasområdet Rankine: i2 fasområdet 7

8 Energianalys av Rankine cykeln Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Rankinecykeln arbetar med vatten i 2 fas området. Här finns inga enkla relationer som för gascykler! Här måste vi utgå från formlerna för tekniskt arbete! w t = 2 2 w1 pdv + p1v1 p2v2) w2 ( + g z ( z ) 1 2 w t = q + h 1 h 2 + w w g ( z z ) 1 2 8

9 Energianalys av Rankine cykeln Turbinen producerar arbete, pumpen kostar arbete: Termisk verkningsgrad: Nettoarbetet = innesluten area i Ts diagrammet 9

10 Avvikelser från ideala Rankinecykeln De två största bidragen till irreversibiliteter: 1: Friktion som sänker trycket => måste pumpa till högre tryck i pumpen. 2: Värmeförluster i hela cykeln => måste tillsätta mer värme i kokaren Irreversibeliteter i pump och kompressor beskrivs med isentropa verkningsgrader: Kommentar: i 2 fas området har 4s och 4a både samma tryck och temperatur! 10

11 Sätt att öka effektiviteten i Rankine cyklen Verkningsgraden motsvarar inneslutna arean delat med arean under q in linjen. η th = w q net in = innesluten q in _ area Generellt gäller att verkningsgraden ökar om temperaturskillnaden i cykeln ökar. 1. Sänka kondensortrycket (sänker T low ) 2. Överhetta ångan till högre temperaturer (ökar T high ) 3. Öka koktrycket (ökar T high ) 11

12 Sätt att öka effektiviteten i Rankine cyklen 1. Sänka kondensortrycket (sänker T low,avg ) Vid lägre tryck är också mättnadstemperaturen (alltså där ångan kondenserar) lägre. Kondensortrycket i verkliga ångcykler är långt under atmosfärstryck. Kylflödets mättnadstemperatur sätter en gräns; man kan inte kyla till lägre temperatur än vad man har på kylflödet. Negativ bieffekt: lägre kvalitet på ångan i turbinens slutskede. (Vattendroppar kan skada turbinbladen) 12

13 Sätt att öka effektiviteten i Rankine cyklen 2. Överhetta ångan till högre temperaturer (ökar T high,avg ) Att överhetta ångan ger både bättre termisk effekt och minskad fuktighet (högre kvalitet) på ångan i turbinen. Medeltemperaturen vid vilken värme tillsätts är direkt kopplad till verkningsgraden Materialet i turbininloppet sätter en gräns för hur hög temperatur som kan tillåtas. Om T 3 > ca 600 C kan allvarliga materialskador uppstå. Att överhetta ångan vore bäst och enklast om det fanns material som klarade påfrestningarna! 13

14 Sätt att öka effektiviteten i Rankine cyklen 3. Öka koktrycket (ökar T high,avg ) Om man ökar koktrycket kommer vattnet att koka vid en högre temperatur. För en given högsta temperatur i inloppet till turbinen ger en ökning av koktrycket en förskjutning till vänster i Ts diagrammet. En samtidig negativ bieffekt är lägre ånghalt i turbinen. Det kan kompenseras genom att återvärma ångan (reheating, mellanöverhettning eller återvärmning). 14

15 Sätt att öka effektiviteten i Rankine cyklen 3. Öka koktrycket (ökar T high,avg ) Om man ökar koktrycket kommer vattnrt att koka vid en högre temperatur. För en given högsta temperatur i inloppet till turbinen ger en ökning av koktrycket en förskjutning till vänster i Ts diagrammet. En samtidig negativ bieffekt är lägre ånghalt i turbinen. Det kan kompenseras genom att återvärma ångan (reheating, mellanöverhettning eller återvärmning). 15

16 Återvärmd (mellanöverhettad) Rankinecykel (bonusuppg. 4!) Återvärmning innebär att ångan expanderas i två steg och återvärms mellan, dvs man har två turbiner. 1. Turbin 1 (högtrycksturbin): ångan expanderas isentropt till ett medelhögt tryck. 2. Ångan går tillbaka till kokaren och återvärms vid konstant tryck. 3. Turbin 2 (lågtrycksturbin): ångan expanderas isentropt till ett lågt tryck. Höjer ofta cykelns verkningsgrad något men ger framför allt lägre fukthalt i turbinen! 16

17 Återvärmd (mellanöverhettad) Rankinecykel Om man återvärmer flera gånger höjer man medeltemperaturen för återvärmningsprocessen. Men det blir det opraktiskt och vinsten blir mindre för varje extra steg. Man vill heller inte ha överhettad ånga ut ur turbinen. 2 återvärmningssteg = max i praktiken! 17

18 Hur många turbiner finns det i kretsen?

19 Innan turbiner 286 C 7 MPa Efter turbiner 29 C 4 kpa 19

20 Innan HT turbin 286 C 7 MPa Efter HT turbin 160 C 0.6 MPa Efter mellanöverhettare, innan LT turbin 260 C 0.6 MPa Efter turbin 29 C 4 kpa 20

21 Fuktavskiljare och mellanöverhettare Kylflöde (havsvatten) 21

22 Fuktavskiljaren består av stålull där vattendropparna fastnar. Vattnet led sedan tillbaka till matarvattnet (som går in i reaktortanken). Där bidrar det varma vattnet till uppvärmningen av matarvattnet som kommer från kondensorn! 22

23 Mellanöverhettad kärnkraftsprocess påverkar inte verkningsgraden så mycket. Obs man snarast sänker medeltemperaturen för värmetillförsel! I boken (och inlupp 4): Här höjer man medeltemperaturen för värmetillförse vilket i allmänhet höjer verkningsgraden! 23

24 UA energi kör också med mellanöverhettning och två turbinsteg! Kraftvärmeverket: 24

25 286 C 7 MPa Regenerativ (matarvattenförvärmd) Rankinecykel Ett bra sätt att förbättra verkningsgraden i en Rankincykel är att förvärma matarvattnet, dvs det vatten som pumpas tillbaka in i kokaren. 30 C 4 kpa Om matarvattnet går in med låg temperatur kommer det att sänka temperaturen i kokaren => inte bra för verkningsgraden! 25

26 Regenerativ (matarvattenförvärmd) Rankinecykel Inte bra: Förvärmning sker genom att en liten del av ångflödet från turbinen tas undan för att värma matarvattnet. bättre: Mindre T skillnad ånga från turbinen 26

27 Regenerativ (matarvattenförvärmd) Rankinecykel ånga från turbinen 1. Öppen matarvattenförvärmning innebär att ånga blandas med vattnet från pumpen. 2. Sluten matarvattenförvärmning; där ångan ej blandas med vattnet utan värmer det via en värmeväxlare. matarvattenförvärmning 27

28 Regenerativ Rankinecykel med öppen matarvattenförvärmning 28

29 Regenerativ Rankinecykel med sluten matarvattenförvärmning När strömmarna inte blandas kan man ha olika tryck i ångan (från turbinen) och vätskan (från pumpen). Sluten matarvattenvärmning är det vanligaste i verkliga kraftverk. Ånga matarvattenförvärmning Matarvattnet värms 2 > 9. 3 och 9 samma T, olika P. 3 pumpas till tryck 4, blandas med 9 vilket ger sluttillstånd 5. 29

30 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas nettouttaget från turbinen? 1. Ökar 2. Minskar 3. Förblir samma 30

31 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas fukthalten i turbinen? 1. Ökar 2. Minskar 3. Förblir samma 31

32 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas Q_in i kokaren? 1. Ökar 2. Minskar 3. Förblir samma 32

33 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas Q_ut i kondensorn? 1. Ökar 2. Minskar 3. Förblir samma 33

34 Superkritisk Rankine cykel Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Många kondenskraftverk har idag överkritiska tryck (P > MPa) i kokaren. Detta ger en bättre termisk verkningsgrad och bra kvalitet på ångan i turbinens slutsteg. Dock ställer det krav på material pga de höga trycken. Dessutom är överkritiskt vatten mer korrosivt än vanligt vatten. 34

35 Kap 11 kylcykler Verkliga kylcykler Den vanligaste kylcykeln i tillämpningar innehåller förångning och kompression, dvs kylmediet byter fas. Problem som uppstår liknar de som finns i ångcykler (med vatten i 2 fas). 35

36 Vilket var användningsområdet för det första verkliga kylcyklerna (ca 1850)? 1. Kyla drycker och glass 2. Kyla mediciner 3. Göra is till pingviner och isbjörnar på zoo 4. Luftkonditionering 36

37 Kap 11 kylcykler Verkliga kylcykler De första kylcyklerna uppfanns i mitten på 1800 talet använde etyl eller eter som kylmedium. Tillämpningsområdena var att göra is och kylda drycker. På 1930 talet blev de allmänt tillgängliga. Idag är luftkonditionering det största användningsområdet. 37

38 Kap 11 kylcykler Repetition från kap 6: kylcykel/värmepump 38

39 Kap 11 kylcykler Omvända Carnot cykeln: teoretiskt maximum för en kylcykel mellan T H och T L. Men ej realistisk i praktiken eftersom: Process 2 3: kompression i 2 fas = svårt Process 4 1: expansion av kylmedel med högt fuktinnehåll i turbin = skadar turbinen kondensering COP COP R, Carnot HP, Carnot = T H 1 T L 1 = 1 T L 1 T H förångning 39

40 Kap 11 kylcykler Ideal kylcykel (innehåller en irreversibel komponent: strypventil) Skillnad mot Carnot: kylmedlet förångas helt innan kompression vill ej ha 2 fas i steg 1 2. turbinen ersätts med strypventil kondensering förångning 1 2: isentrop kompression i kompressor 2 3: isobar värmebortförsel i kondensor 3 4: expansion i strypventil eller expansionskärl 4 1: isobar värmetillförsel i förångare 40

41 Kap 11 kylcykler Ideal kylcykel 41

42 Kap 11 kylcykler Ideal kylcykel Ph diagram Ph diagram för ideal kylcykel: Konstant entalpi i strypventilen. Värmeöverföringen i kondensorn och förångaren sker vid konstant tryck. Q H och Q L är proportionella mot linjernas längd (Δh) 42

43 Kap 11 kylcykler Verklig kylcykel Strömningsfriktion > tryckfall Värmeutbyte med omgivningen Jämfört med ideala fallet: Kompressionen (1 2) ej isentrop Ångan överhettad ut från förångaren (punkt 1) Vätskan underkyld ut från kondensorn (4,5) Tryckfall i kondensorn och förångaren. 43

44 Kap 11 kylcykler Exempel 11 1 ur boken: ideal kylcykel (vapour compression refrigiration) En ideal kylmaskin använder R 134a som medium och arbetar mellan trycken 0.14 MPa och 0.8 MPa. Om kylmediets massflöde är 0.05 kg/s, bestäm: a) Hastigheten med vilken värme förs bort från det kylda utrymmet samt effekten in på kompressorn. b) Hastigheten med vilken värme överförs till omgivningen c) Kylmaskinens COP 44