Kap 10 ångcykler: processer i 2-fasområdet

Transkript

1 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 (från förbränning av kol, olja, sopor) mha en gasturbin! Ett sådant kraftverk har både gas- och ångturbin. Ett gaskombiverk kan ha hög systemverkningsgrad!

2 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!

3 Värmemotor ångkraftverk Q in = den värme som tillförs mediet i kokaren. Q ut = den värme som bortförs ångan i kondensorn och tillförs lågtemperatursänkan. W ut = det arbete som levereras ut från turbinen då ångan expanderar. W in = det arbete som behöver tillföras för att pumpa vattnet in i kokaren (dvs mot koktryck). W net = W ut W in

4 Vilken eller vilka av ångcykelns komponenter är idealt isentropa (process med s=0) A. Turbin B. Kondensor C. Pump D. Ångpanna E. A och B F. A och C G. B och D H. Alla 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% Turbin Kondensor Pump Ångpanna A och B A och C B och D Alla

5 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

6 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

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

8 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

9 Energianalys av Rankine-cykeln För varje kostantflödesmaskin (pump, kokare, turbin, kondensor) gäller e e e in in ut = e = q = q ut in ut + w + w in ut + h + h in ut w + 2 w in 2 ut + + gz gz in ut Normalt kan vi bortse från e k och e p : q + w + h = q + w + in in in ut ut h ut

10 Energianalys av Rankine-cykeln Turbinen producerar arbete, pumpen kostar arbete: Termisk verkningsgrad: Kom ihåg: för pumpen gäller också: Nettoarbetet = innesluten area i Ts-diagrammet

11 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!

12 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 )

13 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)

14 Sätt att öka effektiviteten i Rankine-cyklen 2. Överhetta ångan till högre temperaturer (ökar T high,avg ) Att överhetta ångan ger både bättre termisk verkningsgrad 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!

15 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 tillåten temperatur i inloppet till turbinen ger en ökning av koktrycket en förskjutning av diagrammet tillvänster. En samtidig negativ bieffekt är lägre ånghalt i turbinen. Det kan kompenseras genom att återvärma ångan (reheating, mellanöverhettning eller återvärmning).

16 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 tillåten temperatur i inloppet till turbinen ger en ökning av koktrycket en förskjutning av diagrammet tillvänster. En samtidig negativ bieffekt är lägre ånghalt i turbinen. Det kan kompenseras genom att återvärma ångan (reheating, mellanöverhettning eller återvärmning).

17 Återvärmd (mellanöverhettad) Rankinecykel 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 men ger framför allt lägre fukthalt i turbinen!

18 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 alltför överhettad ånga ut ur turbinen. 2 återvärmningssteg = max i praktiken!

19 Hur många turbiner finns det i kretsen? A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 E. 5 0% 0% 0% 0% 0%

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 LT-turbin 29 C 4 kpa

21 Fuktavskiljare och mellanöverhettare Kylflöde (havsvatten)

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

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

24 Regenerativ (matarvattenförvärmd) Rankinecykel Inte bra: Matarvatten kommer in i pannan vi låg temperatur Förvärmning av matarvattnet Enligt Carnot får man högst verkningsgrad i en cykel där värme tillförs isotermt! Man vill alltså bara förånga vattnet, inte öka temperaturen! I Rankinecykeln har man stor temperaturgradient mellan matarvattnet och mättnadstemperaturen i pannan. INTE BRA (sänker verkningsgraden). Lösningen är att först förvärma matarvattnet, med ånga från cykeln. Värmen kan då återvinnas istället för att gå genom turbin och till kondensor.

25 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 Matarvatten kommer in i pannan vi låg temperatur

26 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 Regenerativ Rankinecykel med öppen matarvattenförvärmning

28 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 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas nettouttaget W net från turbinen? 0% 0% 0% 1. Ökar 2. Minskar 3. Förblir samma

30 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas fukthalten i turbinen? 0% 0% 0% 1. Ökar 2. Minskar 3. Förblir samma

31 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas Q_in i kokaren? 0% 0% 0% 1. Ökar 2. Minskar 3. Förblir samma

32 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas Q_ut i kondensorn? 0% 0% 0% 1. Ökar 2. Minskar 3. Förblir samma

33 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). vätska ånga 2-fas ånga

34 Vilket var användningsområdet för de första verkliga kylcyklerna (ca 1850)? A. Kyla drycker och glass B. Kyla mediciner C. Göra is till pingviner och isbjörnar på zoo D. Luftkonditionering 0% 0% 0% 0% Kyla drycker och glass Kyla mediciner Göra is till pingviner och...

35 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.

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

37 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

38 Kap 11 kylcykler Ideal kylcykel (innehåller en irreversibel komponent: strypventil) Skillnad mot Carnot: kylmedlet förångas helt innan kompression eftersom 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

39 Varför förångas kylmedlet? A. Det avger värme till baksidan på kylen/frysen. B. Det går igenom en strypventil. C. Det växelverkar med en kondensor. D. Det tar upp värme från det kylda utrymmet E. Både A och B F. Både B och C G. Både B och D 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% A. B. C. D. E. F. G.

40 Kap 11 kylcykler Ideal kylcykel h 4 = h 3 strypning