Kap 9 kretsprocesser med gas som medium

Transkript

1 Ottocykeln den ideala cykeln för tändstifts /bensinmotorer (= vanliga bilar!) Består av fyra internt reversibla processer: 1 2: Isentrop kompression 2 3: Värmetillförsel vid konstant volym 3 4: Isentrop expansion 4 1: Värmebortförsel vid konstant volym Både tryck och temperatur är högst i tillstånd 3! 1

2 Ottocykeln, verkningsgrad Ottocykeln: bara isokorer och isentroper! 2

3 Ottocykeln Vanligt kompressionsförhållande för Ottomotorn: r Vid högre kompressionsförhållanden ökar temperaturen så att bränslet kan självantända vilket inte är önskvärt (kallas knackning). I bensinmotorn komprimeras en blandning av bensin och luft. Ett sätt att undvika självantändning vid högre kompressionsförhållanden r, är att tillsätta bly i bensin! Detta är dock inte tillåtet längre pga hälso och miljöeffekter! k för luft = 1.4! 3

4 Verkliga bilar Hög verkningsgrad = god bränsleekonomi. Är bränsleekonomin sämre i nya bilar (som inte använder blyad bensin)? Nej! Det finns andra sätt att få en god bränsleekonomi än genom blyad bensin: Högre oktantal (utan tillsatt bly) i nyare bränslen. Oktantalet är ett mått på hur väl bränsle luft blandningen motstår knackning Mindre, lättare och mer aerodynamiska bilar drar mindre bränsle. 4

5 Verkliga bilar Men varför har verkliga bilar bara verkningsgrad ca 30%? Verkliga motorer har förstås förluster, friktion mm. Verkligt arbetsmedium är inte luft utan en blandning av luft och (tunga) kolväten. Dessa tunga ämnen drar ner k värdet på blandningen vilket sänker verkningsgraden. 5

6 Dieselcykeln ideala cykeln för dieselmotorer Består av fyra internt reversibla processer: 1 2: Isentrop kompression 2 3: Värmetillförsel vid konstant tryck (olik Otto) 3 4: Isentrop expansion 4 1: Värmebortförsel vid konstant volym Både tryck och temperatur är högst i tillstånd 3! 6

7 Skillnader mellan bensin och dieselmotorer Bensinmotor (Otto) Blandning av luft och bränsle komprimeras. Tändstift för antändning Dieselmotor (Diesel) Luft komprimeras till högre tryck än i bensinmotor. Bränsle sprutas in vilket orsakar självantändning. 7

8 Dieselcykeln verkningsgrad q in = h 3 h2 = cp 3 T ( T ) 2 eftersom volymen ändras q ut = u 4 u1 = cv 4 T ( T ) 1 Vi definierar cut off ratio: 8

9 För samma kompressionsförhållande r, vilken cykel har högst verkningsgrad? 1. Ottocykeln 2. Dieselcykeln 9

10 Dieselcykeln jämfört med Ottocyklen k k r c 1 ( r ) 1 c är alltid >1 vilket innebär att för samma kompressionsförhållande, r, har alltid Otto cykeln högre verkningsgrad: Men eftersom en dieselmotor alltid har högre kompressionsförhållande, r, har en dieselmotor högre verkningsgrad än en bensinmotor! Dieselmotorer ligger ofta på η = 35 40% 10

11 Dieselbränsle jämfört med bensin (Otto) Dieselmotorer har ett högre kompressionsförhållande än bensinmotorer men i dieselmotorer är det bara själva luften som komprimeras. Bränslet sprutar in efteråt och självantänder när det är dags. Eftersom man inte behöver oroa sig för självantändning i dieselmotorer kan man ha ett mindre raffinerat bränsle (billigare). Billigt bränsle; diesel ofta i tunga fordon (lastbilar, lok, reservkraft, båtar mm). Ett mindre raffinerat bränsle innebär dock mer sot och partiklar i avgaserna vilket har negativa hälso och miljöeffekter. Men eftersom dieselmotorn har en bättre bränsleekonomi än bensinmotorn => mindre CO 2 utsläpp per körsträcka! Diesel var förr ett fulbränsle men är idag nästan ett miljöbränsle. 11

12 Gasturbiner En turbin som drivs av strömmande förbränningsgaser. Turbinens rörelse kan utnyttjas för elproduktion (via generator) eller mekaniskt arbete. Gasturbiner har i allmänhet lägre verkningsgrad än kolvmotorer, men är lättare och billigare. Vid låga lufttryck (flygplastillämpningar) arbetar kolvmotorn inte optimalt så gasturbiner används ofta i flygplan och helikoptrar. Jetmotorn är en sorts gasturbin. Gasturbiner används tillsammans med ångturbiner i s.k. kombikraftverk. 12

13 Gasturbiner Gasturbiner: oftast öppen cykel där man släpper ut avgaserna. Luft komprimeras i kompressorn för att sedan blandas med ett bränsle som antänds i brännkammaren. Förbränningsgaserna trycks med hög hastighet genom turbinen som omvandlar rörelseenergin i förbränningsgaserna till mekanisk rotationsenergi på turbinaxeln. 13

14 Brayton cykeln ideala cykeln för gasturbiner I den ideal modellprocessen (Braytoncykeln) arbetar gasturbinen i en sluten cykel. Verklig gasturbin Modell Braytoncykeln 14

15 Brayton cykeln ideala cykeln för gasturbiner Består av 4 internt reversibla processer: 1 2: Isentrop kompression i kompressor. 2 3: Värmetillförsel vid konstant tryck. 3 4: Isentrop expansion i turbin. 4 1: Värmebortförsel vid konstant tryck. Bara isentroper och isobarer! Både tryck och temperatur är högst i tillstånd 3! 15

16 Brayton cykeln verkningsgrad eftersom volymen ändras Vi definierar tryckförhållandet: Verkningsgraden beror på tryckförhållandet och k hos arbetsmediet 16

17 Braytoncykeln, mer om verkningsgrader Verkningsgraden beror på tryckförhållandet Men det kostar också att upprätthålla ett högt tryckförhållande; kompressorn måste ju försörjas med arbete in! Därför finns ett maximalt nettoarbete man kan få ut mellan T_min och T_max. Så även om man har en hög verkningsgrad får man ut så lite netto per cykel att det inte blir lönsamt (behöver stora system mm) vilket gör att det finns ett optimalt tryckförhållande, ca 11 16! 17

18 Jetmotorer Turbinen producerar tillräckligt med kraft för att driva kompressorn och en liten generator för elproduktion. Avgasernas höga hastighet driver planet framåt! Modelleras som Braytoncykel. 18

19 Verklig Braytonprocess I den verkliga processen måste verkningsgrader i kompressor och turbin inkluderas samt förluster i brännkammare och värmedumpning. Verkningsgrader för kompressor och turbin (enligt tidigare): 19

20 Väldigt gamla turbiner redan de gamla grekerna De här turbinerna beskrevs av Hero av Alexandria ca 50 e. Kr. Men han byggde sitt verk på ett tidigare arbete om gas av Ctesibius som levde ca 250 f. Kr! 20

21 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Med ångcykler menas att arbetsmediet byter fas under cykeln Den vanligaste typen av ångcykler är med vatten som medium. Vatten är billigt, allmänt tillgängligt och har hög ångbildningsentalpi. Elproducerande kraftverk är oftast kondenskraftverk, dvs utnyttjar vatten som arbetsmedium. Detta är gemensamt för kärnkraftverk, kolkraftverk, gaskraftverk och oljekraftverk. Ett kondenskraftverk har bara ångturbin! Gaskombiverk (kombikraftverk) tar också till vara värmen i rökgaserna mha en gasturbin! Ett sådant kraftverk har både gas och ångturbin. Ett gaskombiverk kan ha hög systemverkningsgrad! 21

22 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Med ångcykler menas att arbetsmediet byter fas under cykeln Värmekraftverk är ett samlingsnamn för kraftverk som omvandlar värme till arbete (el). Hit hör alla eldade kraftverk, dvs all kondenskraft och gaskombikraft. Exempel på kraftverk som ej är värmekraftverk är vindkraftverk och vattenkraftverk. Kraftvärmeverk ett kraftverk som producerar både värme och el, t.ex. Uppsala Energi som producerar fjärrvärme och el. 22

23 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Kondenskraftverk ger el Verkningsgrad ca % Mättad ånga Lågt ångtryck, hög fukthalt Mättad ånga 286 C 7 MPa Ca 200 C > 7 MPa 30 C 30 C 4 kpa (lågt tryck dvs stor volym!) Kondensorn, mättad gas > mättad vätska minskar volymen 23

24 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Gaskombiverk ger el. Mycket vanligt när man eldar med olja, kol, gas! Verkningsgrad upp till 60 % 24

25 Cooling tower kyltorn Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet 25

26 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Kraftvärmeverk ger både el och värme Främst för produktion av fjärrvärme och ofta genom att bränna sopor! T.ex. Uppsala Energi Ett kraftvärmeverk med gaskombicykel tar till vara både energin i rökgaserna och i spillvattnet och kan ha en systemverkningsgrad på 90 % 26

27 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Kraftvärmeverk ger både el och värme Uppsala Energi Kraftvärmeverk 245 MW värme och 120 MW el 75 C Förbränningsluft Elfilter Rökgaskylare Luftförvärmare Svavelreaktor Textilt spärrfilter Rökgaser Ammoniak Rökgasfläkt Bränsle Kalk 1300 C 535 C Urea 33 bar Generator 70 C 192 bar 70 kv Fjärrvärme Ångpanna Asksilo Matarvattenpump Askutmatning Hetvattenackumulator Återkylare (uteluft) 27

28 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet 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 28

29 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Expansion Turbin vätska Överhettad ånga Kräver trycksättning i 2 fasområdet = svårt, ej lämpligt för pumpar. Medför expansion i 2 fasområdet, ej lämpligt för turbiner (erosionskador) 2-fasområde s 29

30 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Trycksättning (pump) vätska Expansion Turbin Överhettad ånga Kräver extrem trycksättning över kritiska temperatur 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! 30

31 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet 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 31

32 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 32

33 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Varför ser Brayton och Rankine så olika ut? 33

34 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Varför ser Brayton och Rankine så olika ut? Brayton: igasområdet Rankine: i2 fasområdet 34

35 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 )

36 Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Energianalys av Rankine cykeln Turbinen producerar arbete, pumpen kostar arbete: Termisk verkningsgrad: Nettoarbetet = innesluten area i Ts diagrammet 36