Hoofdstuk 9 THERMODYNAMICA lic. Dirk Willem

gascycli Inleiding vermogenscyli : cycli waarbij men arbeid ontwikkelt dampcycli : werkend fluïdum in één deel van de cyclus in dampfase, in een ander deel in vloeistoffase vermogenscyli gascycli : werkend fluïdum steeds in gasfase gesloten cycli : werkend fluïdum wordt opnieuw gebruikt op einde van een cyclus (vb. dampcycli) open cycli: werkend fluïdum wordt vernieuwd op einde van een cyclus (automotor)

gascycli Aannames voor de standaard luchtcycli Inwendige verbrandingsmotor: verbranding in het stelsel (vb. dieselmotor) open cyclus: werkend fluïdum doorloopt geen thermodynamisch kringproces lucht bevat vooral stikstof zodat werkend fluïdum ook na de verbranding sterk op lucht gelijkt

gascycli Aannames voor de standaard luchtcycli Om de analyse te vereenvoudigen doen we enkele aannames: Werkend fluïdum is lucht (ideaal gas) dat circuleert in een gesloten cyclus Alle toestandsveranderingen zijn reversibel Verbrandingsproces wordt vervangen door warmtetoevoer vanuit externe bron Uitlaat van de verbrandingsgassen wordt vervangen door warmteafvoer in warmtewisselaar zodat werkend fluïdum terug in begintoest. komt.

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus Brayton-cyclus : ideale cyclus voor gasturbinemotoren brandstof qin verbrandings- kamer warmte- wisselaar 2 3 3 2 wnet wnet 4 uitlaat- gassen warmte- wisselaar 1 4 1 verse lucht quit werkelijke gasturbine Brayton-cyclus

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus 2 1-2 isentrope compressie in compressor 2-3 warmtetoevoer bij constante p 3-4 isentrope expansie in turbine 4-1 warmteafvoer bij constante p

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus De 4 processen grijpen plaats in stationaire open systemen: q – wt = ∆h= huit – hin (1ste hfdwet open syst.) qin = q23 = h3 – h2 = cp(T3 – T2) q41 = -quit = h1 – h4 = cp(T1 – T4)  quit = cp(T4 – T1)

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus Thermisch rendement Brayton-cyclus met κ = 1,4

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus wnet ηth ↑ wnet↑ wnet rp = 2

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus Functie van lucht: zuurstoftoevoer voor verbranding + koelmiddel ηth is afhankel. van Tmax van inlaat turbine  Tmax verhogen door coaten turbinebladen met keramische laag + koeling met lucht uit compressor tegenwoordig: Tmax = 1425 °C

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus Twee belangrijke toepassingen gasturbines: Productie van electriciteit: ideaal voor noodgevallen en piekverbruik rendement ≈ 35% 2. Vliegtuigmotoren lucht uitlaatgassen straalpijp

gascycli Brayton-cyclus: ideale cyclus verhouding wcompressor / wturbine is zeer hoog (meer dan 50%) Verklaring: compressor: Oplossing: grotere turbine om extra arbeid te leveren voor compressor Bij gasturbineplant en stoomplant: zeer hoog bij een gas

gascycli Afwijking werkelijke gasturbine t.o.v. de ideale

gascycli Brayton-cyclus met regeneratie Veronderstel T4 > T2 verbrandings- kamer warmte 4 3 6 1 2 5 1 2 3 4 5 5’ 6 Veronderstel T4 > T2  Mogelijkheid tot regeneratie: Uitlaatgassen turbine warmte laten afstaan aan gassen die compressor verlaten, in een tegenstroomwarmtewisselaar (= regenerator)  qin ↓  ηth ↑

gascycli Brayton-cyclus met regeneratie 1 2 3 4 5 5’ 6 verbrandings- kamer warmte 4 3 6 1 2 5 qregeneratie Lucht zal regenerator verlaten bij temp. T5 < T4 Ideale warmtewisselaar: T5 = T5’ = T4 Warmtetransport uitlaatgassen  lucht : ( ∆ep= ∆ek = 0) qregen,werk = h5 – h2 qregen,max = h5’ – h2 = h4 – h2

gascycli Brayton-cyclus met regeneratie qregen,werk = h5 – h2 verbrandings- kamer warmte 4 3 6 1 2 5 1 2 3 4 5 5’ 6 qregen,werk = h5 – h2 qregen,max = h5’ – h2 = h4 – h2 Efficiëntie warmtewisselaar: aanname standaard luchtcycli (cp=cte)

gascycli Brayton-cyclus met intercooling p v 2 p2 isentrope compressie 1 v

gascycli Brayton-cyclus met intercooling p v arbeidsverlaging door intercooling 2 2’ p2 wt d isentrope compressie pi c p1 1 isotherm v 1→c : isentrope compressie van p1 tot pi c→d : koeling bij cte p van Tc tot Td d→2 : isentrope compressie van pi tot p2 wcompressor daalt, maar ηth daalt omdat daalt Uitlaat temp. compr. daalt (T2 < T2’)  potentieel voor regeneratie stijgt

gascycli Brayton-cyclus met reheating p v qin qin 3 arbeidswinst door reheating p3 verbran-dingskamer reheater wt wnet a pi b isotherm p4 4 isentrope expansie 4’ v 3→a : isentrope expansie van p3 tot pi a→b : opwarming bij cte p van Ta tot Tb b→4 : isentrope expansie van pi tot p4 wturbine stijgt, maar ηth daalt omdat stijgt Uitlaat temp. turb. stijgt (T4 > T4’)  potentieel voor regeneratie stijgt

gascycli Brayton-cyclus met intercooling, reheating en regeneratie Verbran- dingskamer 1 2 3 4 7 9 10 8 6 5 intercooling + reheating in combinatie met regeneratie ηth stijgt (tot 43%) Wcompressor is minimaal als Wturbine is maximaal als 6 8 qin qin 5 9 qregeneratie 7 regeneratie 4 2 10 qregeneratie quit 3 quit 1

gascycli Gecombineerde gas-damp cyclus Gascyclus : Dampcyclus: Hoger rendement (tot 60%) door combinatie gascyclus en stoomcyclus: hete uitlaatgassen van gascyclus als warmtebron voor stoomcyclus

gascycli Gecombineerd gas-damp cyclus Combinatie damp- en gascyclus: 6 STOOMCYCLUS 5 1 3 4 6 7 8 9 2 7 8 3 6 9 2 5 1 4

gascycli Ideale jet-propulsion-cyclus (turbojet-motoren) 1 2 3 4 6 5 qin quit s diffusor compressor verbrandings- kamer straalpijp tur- bine gasturbinemotor in vliegtuig: jet-propulsion-cyclus : 1-2 isentrope compressie in de diffuser (v↓ en p↑) : rameffect 2-3 isentrope compressie in de compressor 3-4 warmtetoevoer bij constante druk 4-5 isentrope expansie in de turbine: wturbine = wcompressor of wnet=0 5-6 isentrope expansie in de straalpijp (v ↑ en p ↓)  stuwkracht 6-1 warmteafvoer bij constante druk

gascycli Ideale jet-propulsion-cyclus 1 2 3 4 6 5 qin quit s diffusor compressor verbrandings- kamer straalbuis tur- bine stuwkracht: door fluïdum te versnell. in zin tegengest. aan beweg. vliegtuig grootte stuwkracht F op vliegtuig = grootte kracht op uitlaatgassen door vliegtuig uitgeoefend (actie en reactie) massa die passeert in tijd dt

gascycli Ideale jet-propulsion-cyclus Stuwvermogen: Rendement:

gascycli Ideale jet-propulsion-cyclus: aanpassingen aan turbojet motoren Turboprop-motor: turbine drijft ook propeller aan grootste deel stuwkracht geleverd door propeller enkel geschikt voor lage snelheden en geringe hoogte

gascycli Ideale jet-propulsion-cyclus: aanpassingen aan turbojet motoren Turbofan-motor: turbine drijft ook een grote waaier aan waaier levert extra stuwkracht toegepast in meeste passagiersvliegtuigen

gascycli Ideale jet-propulsion-cyclus: aanpassingen aan turbojet motoren Turbofan-motor in Boeing 777

gascycli Ideale jet-propulsion-cyclus: aanpassingen aan turbojet motoren Ramjet-motor: geen compressor, geen turbine compressie lucht door rameffect in inlaat (diffusor) voldoend hoge beginsnelh. vereist (2 tot 3 Mach) toegepast in vliegtuigen en raketten