Kap 9 kretsprocesser med gas som medium

Relevanta dokument
Kap 9 kretsprocesser med gas som medium

Kap 10 ångcykler: processer i 2-fasområdet

Kap 10 ångcykler: processer i 2-fasområdet

Föreläsning i termodynamik 28 september 2011 Lars Nilsson

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 8 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 8. strömningslära, miniräknare.

Teknisk termodynamik repetition

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

S Kapitel 9

Föreläsning i termodynamik 11 oktober 2011 Lars Nilsson

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

Kap 6 termodynamikens 2:a lag

ARBETSGIVANDE GASCYKLER

MITTHÖGSKOLAN, Härnösand

Teknisk termodynamik repetition

Mer om kretsprocesser

Hjälpmedel: Valfri miniräknare, Formelsamling: Energiteknik-Formler och tabeller(s O Elovsson och H Alvarez, Studentlitteratur)

7,5 högskolepoäng ENERGITEKNIK II. Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: Tentamen 41N05B. TentamensKod:

Tentamen i termisk energiteknik 5HP för ES3, 2009, , kl 9-14.

Hjälpmedel: Valfri miniräknare, Formelsamling: Energiteknik-Formler och tabeller(s O Elovsson och H Alvarez, Studentlitteratur)

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 5 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 5. strömningslära, miniräknare.

Personnummer:

Slutet på början p.1

6 Högeffektiv kraftvärmeproduktion med naturgas

Kap 5 mass- och energianalys av kontrollvolymer

Termodynamik (repetition mm)

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 6 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 6. strömningslära, miniräknare.

Kretsprocesser. För att se hur långt man skulle kunna komma med en god konstruktion skall vi ändå härleda verkningsgraden i några enkla fall.

Kraftvärme. Energitransporter MVKN10. Elias Forsman Mikael Olsson

TENTAMEN I KRAFTVÄRMESYSTEM, 5 p RÄKNEDEL

Omtentamen i teknisk termodynamik (1FA527) för F3,

Kap 7 entropi. Ett medium som värms får ökande entropi Ett medium som kyls förlorar entropi

Lite kinetisk gasteori

Tentamen i teknisk termodynamik (1FA527) för F3,

Tentamen i teknisk termodynamik (1FA527)

Personnummer:

MITTHÖGSKOLAN, Härnösand

Förnybara energikällor:

Vägledning om nyttiggjord energi för Kväveoxidavgiften

Kraftvärme i Katrineholm. En satsning för framtiden

Kraftvärmeverket För en bättre miljö

Optimalt nyttjande av exergipotentialen i bränslen och förnybar energi med kombikraftverk

Vad tror du ökning av entropi innebär från ett tekniskt perspektiv?

Olika sätt att ta till vara på energin

3. En konvergerande-divergerande dysa har en minsta sektion på 6,25 cm 2 och en utloppssektion

Termodynamik FL6 TERMISKA RESERVOARER TERMODYNAMIKENS 2:A HUVUDSATS INTRODUCTION. Processer sker i en viss riktning, och inte i motsatt riktning.

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 2 IKP/Mekaniksystem Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 2

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2 och Kf2 (KVM090) kl i V

Minskat koldioxidutsläpp med naturgasdrivna fordon

Simulering av ett Gaskombiverk med kylning till fjärrvärmenätet

Energibok kraftvärmeverk. Gjord av Elias Andersson

Ångdrift av värmepump på Sysavs avfallsförbränningsanläggning

Övningsuppgifter termodynamik ,0 kg H 2 O av 40 C skall värmas till 100 C. Beräkna erforderlig värmemängd.

MMVF01 Termodynamik och strömningslära

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 7 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 7. strömningslära, miniräknare.

OMÖJLIGA PROCESSER. 1:a HS: Q = W Q = Q out < 0 W = W net,out > 0

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

PTG 2015 övning 3. Problem 1

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

ENERGIPROCESSER, 15 Hp

Tentamen i termodynamik. 7,5 högskolepoäng. Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student)

Linköpings tekniska högskola IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 8. strömningslära, miniräknare.

Svar: Extra många frågor Energi

Termodynamik Föreläsning 6 Termodynamikens 2:a Huvudsats

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

Avfallsförbränning. Ett bränsle som ger fjärrvärme, fjärrkyla, ånga och el. Vattenfall Värme Uppsala

Hej och hå ingen tid att förspilla

Energi- och processtekniker EPP14

ENERGIKÄLLOR FÖR- OCH NACKDELAR

Övrigt: Uppgifterna 1-3 är på mekanik, uppgifterna 4-5 är på värmelära/termodynamik

Hållbar utveckling Vad betyder detta?

Kapitel III. Klassisk Termodynamik in action

Hörneborgsverket i Örnsköldsvik. Från biobränsle till el, ånga och värme

a) Vi kan betrakta luften som ideal gas, så vi kan använda allmänna gaslagen: PV = mrt

Elenergiteknik. Industrial Electrical Engineering and Automation. Energi och effekt. Extra exempel

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

SG1216. Termodynamik för T2

TENTAMEN I ENERGITEKNIK OCH MILJÖ (KVM033) för K2 och Kf2 i V-huset.

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2 och Kf2 (KVM091 och KVM090) förmiddag

Förbränningsmotorer. Per Tunestål

TopCycle Framtidens kraftverk. Integrerad Ång/Gasturbin process för hållbar elproduktion

Kap 4 energianalys av slutna system

Termodynamik Föreläsning 2 Värme, Arbete, och 1:a Huvudsatsen

Betygstentamen, SG1216 Termodynamik för T2 25 maj 2010, kl. 9:00-13:00

Öresundsverket. Ett av världens effektivaste kraftverk

2-52: Blodtrycket är övertryck (gage pressure).

Kraftfulla Öresundsverket

ORC för elproduktion i värmeverk

Amerikanskt genombrott för Woods flisbrännare - Ny Teknik

TENTAMEN I ENERGITEKNIK OCH MILJÖ (KVM034 och KVM033) i V-huset

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

ENKEL Geografi 7-9 ~ del 2 25

CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA GÖTEBORGS UNIVERSITET Sektionen för Fysik och Teknisk Fysik Oktober 2000

Produktion med sikte på framtiden

INFO från projektet 05

Biobränsle. Biogas. Effekt. Elektricitet. Energi

EGENSKAPER FÖR ENHETLIGA ÄMNEN

Växjö Energi AB Björn Wolgast

Man har mycket kläder på sig inomhus för att hålla värmen. Kläderna har man oftast tillverkat själv av ylle, linne & skinn (naturmaterial).

Transkript:

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

Ottocykeln, verkningsgrad Ottocykeln: bara isokorer och isentroper! 2

Ottocykeln Vanligt kompressionsförhållande för Ottomotorn: r 8 11. 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kap 10 ångcykler: processer i 2 fasområdet Kondenskraftverk ger el Verkningsgrad ca 30 40 % 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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) + 2 1 2 w2 ( + g z ( z ) 1 2 w t = q + h 1 h 2 + w 2 1 2 w 2 2 + g ( z z ) 1 2 35

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