THERMODYNAMICA Hoofdstuk 10 lic. Dirk Willem

dampcycli Dampcyclus van Carnot 1-2 : water verwarmt rev. en isotherm in de ketel 2-3 : isentrope expansie van stoom in turbine 3-4 : natte damp condenseert isotherm en rev. in condensor 4-1 : isentrope compressie van natte damp in compressor nadelen: - TH < Tk (water) = (374 +273,15) K - stoom met lage kwaliteit (hoog vochtgehalte) in turbine  slijtage van bladen - moeilijkheden bij isentrope compressie (eindigen in punt 4 en 2 fasen)

dampcycli Dampcyclus van Carnot Oplossing problemen: nadelen: - isentrope compressie tot zeer hoge drukken - isotherme warmtetoevoer bij één fase is moeilijk bij veranderende druk

dampcycli Rankine-cyclus (ideale cyclus voor dampcycli)

dampcycli Rankine-cyclus (ideale cyclus voor dampcycli) opp. onder rode curve 3 4 2 1 opp. onder blauwe curve 1-2 : isentrope compressie in een pomp 2-3 : warmtetoevoer in ketel bij cte p 3-4 : isentrope expansie in turbine 4-1 : warmteafvoer in condensor bij cte p

dampcycli Rankine-cyclus (ideale cyclus voor dampcycli) Toepassing 1ste hoofdwet open stelsel op de 4 componenten: q – wt = ∆h Pomp (q = 0) : – wt = h2 – h1  -(-wpomp,in) = h2 – h1  wpomp,in = h2 – h1 of wpomp,in = | -∫vdp| = v(p2 – p1) (REVERSIBEL) Ketel (wt = 0) : qin = h3 – h2 Turbine (q = 0) : – wt = h4 – h3  -(wturbine,uit) = h4 – h3  wturbine,uit = h3 – h4 Condensor (wt = 0) : -quit = h1 – h4  quit = h4 – h1 3 2 1 4

dampcycli Rankine-cyclus (ideale cyclus voor dampcycli) Toepassing 1ste hoofdwet open stelsel op de 4 componenten: Pomp (q = 0) :  wpomp,in = h2 – h1 of wpomp,in = | -∫vdp| = v(p2 – p1) (REVERSIBEL) Ketel (wt = 0) : qin = h3 – h2 Turbine (q = 0) : wturbine,uit = h3 – h4 Condensor (wt = 0) : quit = h4 – h1 Thermische rendement : 3 2 1 4

dampcycli Centrale volgens Rankine-cyclus

dampcycli Afwijking werkelijke dampcycli t.o.v. Rankine-cyclus 1-2 : irreversibiliteit in pomp 2-3 : drukval in ketel 3-4 : irreversibiliteit in turbine 4-1 : drukval in condensor 3 2 4 1 Oorzaken verlaging rendement: vloeistofwrijv. (irreversibiliteit)  drukval in ketel, condensor en leidingen extra warmteverlies aan omgeving in componenten en leidingen irreversibiliteit pomp en turbine

dampcycli Afwijking werkelijke dampcycli t.o.v. Rankine-cyclus

dampcycli Rendement Rankine-cyclus qin = opp. onder rode curve quit = opp. onder blauwe curve gem. temp. warmteopname in ketel gem. temp. warmteafgave in condensor Hoe rendement verhogen? door verhoging van door verlaging van

dampcycli Hoe rendement Rankine-cyclus verhogen? 1. Verlagen condensordruk ↓  ηth ↑ grens : pcondensor > psat (25°C) (= 3,2 kPa) nadelen: - lekken van lucht naar condensor - vochtgehalte stoom in turb. ↑  erosie turbinebladen 1

dampcycli Hoe rendement Rankine-cyclus verhogen? 2. Oververhitten van de stoom naar hogere temperatuur stijgt  ηth stijgt extra voordeel: vochtgehalte uitgang turbine ↓ Opmerking: T3’ < Tmax (≈620°C)

dampcycli Hoe rendement Rankine-cyclus verhogen? 3. Verhogen keteldruk stijgt  η stijgt nadeel: vochtgehalte uitgang turbine ↑ (opl. : heroververhitten)

dampcycli Hoe rendement Rankine-cyclus verhogen? 3. Verhogen keteldruk : superkritische drukken > 22,09 MPa huidige keteldrukken ≈ 30 MPa rendementen moderne stoomplants: fossiele brandstoffen: 40% kernreactor: 34% isobaar p > pk

dampcycli Ideale Rankine-cyclus met heroververhitting Verhoging keteldruk  hoger rendement  nadeel: hoger vochtgehalte stoom uitgang turbine Oplossingen: oververhitting tot zeer hoge temp. nadeel: materialen kunnen zeer hoge temp. niet verdragen stoom laten expanderen in 2 turbines + heroververhitting na eerste turbine

dampcycli Ideale Rankine-cyclus met heroververhitting 3 5 3 4 4 6 2 5 1 6 2 1

dampcycli Ideale Rankine-cyclus met heroververhitting hoofddoel : vochtgehalte stoom uitgang turbines verlagen geen significante stijging van  geen significante stijging van ηth ηth is lichtjes afhankelijk van de gemiddelde temp. van oververhitting opgelet: toestand uitgang lage p turbine ≠ oververhitte stoom indien oververhitte stoom aan uitgang lage p turbine :  hogere  lager ηth

dampcycli Ideale Rankine-cyclus met heroververhitting Hoe gemiddelde temp. oververhitting verhogen? antwoord: verhoging aantal expansiestappen met telkens heroververhitting

dampcycli Centrale volgens Rankine-cyclus met heroververhitting

dampcycli Ideale regeneratieve Rankine-cyclus Probleem: warmtetoevoer aan vloeistof gebeurt bij relatief lage temp.  daalt  lager rendement Oplossing: voedingswater van de ketel hogere temp. geven 3 warmtetoevoer vloeistof 2 4 1

dampcycli Ideale regeneratieve Rankine-cyclus Hoe voedingswater van de ketel op hogere temp. geven? door stoom af te tappen van de turbine en deze stoom gebruiken om het voedingswater te verwarmen (regeneratie) voedingsverwarmer : toestel waar voedingswater wordt verwarmd m.b.v. afgetapte stoom

dampcycli Id. regeneratieve Rankine-cyclus: open voedingsverwarmer mengkamer die afgetapte stoom mengt met voedingswater die pomp 1 verlaat (ideaal: na mengen verzadigde vloeist. op druk van verwarmer) 3 2 1 4 5 6 7 5 (1) 6 (y) 7 (1-y) 2 3 1 4

dampcycli Id. regeneratieve Rankine-cyclus: open voedingsverwarmer (1) 5 6 (y) 7 (1-y) 2 1 3 4 vóór aftappunt na aftappunt 5 4 6 2 REVERSIBEL 3 1 7 REVERSIBEL

dampcycli Id. regeneratieve Rankine-cyclus: open voedingsverwarmer 5 (1) 6 (y) 7 (1-y) (zie H5: mengkamers) 2 1 3 4 5 4 6 2 3 1 7

dampcycli Id. regenerat. Rankine-cyclus: gesloten voedingsverwarmer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 (1) 7 ( y) 8 (1-y) (1-y) 5 9 3 2 1 ( y ) 1 4 Gesloten voedingsverwarmer = warmtewisselaar waarin warmte door afgetapte stoom wordt afgegeven aan voedingswater zonder menging  drukverschil mogelijk tussen voedingswater en afgetapte stoom

dampcycli Id. regenerat. Rankine-cyclus: gesloten voedingsverwarmer 6 ( 1) 7 ( y) 8 (1-y) (1-y) 5 9 3 2 1 ( y) 1 4 6 (1) 4 5 ( y) 7 9 2 3 (1-y) 1 8

dampcycli Vergelijking gesloten en open voedingsverwarmers voordelen: - eenvoudig, goedkoop - efficiënt warmtetransport - voedingswater in verzadigingstoestand gebracht nadeel: iedere voedingsverwarmer heeft pomp nodig gesloten voedingsverwarmer: voordeel: - iedere verwarmer heeft geen pomp nodig (enkel expansieventiel) nadelen: - complexer en duurder - minder efficiënt warmtetransport

dampcycli Combinatie van gesloten en open voedingsverwarmers

dampcycli Cogeneratie Stoomplant: belangrijk deel van beschikbare warmte wordt afgestaan aan atmosfeer, rivier (= verloren warmte) Veel industriële processen vragen proceswarmte (stoom 5 tot 7 bar, 150 tot 200°C)

dampcycli Cogeneratie Energie in oven (1400 °C: hoge kwaliteit ) afgestaan aan stoom (< 200°C: lage kwaliteit)  verlies aan potentieel om arbeid te leveren ( Eex = QH(1 – TH / T0) ) Energie van hoge kwaliteit gebruiken als proceswarmte is economisch niet verantwoord Cogeneratie: plant (stoom- of gasplant) waar elektr.+proceswarmte wordt geproduceerd

dampcycli Cogeneratie ideale vorm van cogeneratie: zonder condensor (geen verloren warmte) gebruiksfactor: Ideale cogeneratieplant : = 0  εu = 100% plant voor proceswarmte + vermogensplant met ηth = 100% verzadigde vloeistof

dampcycli Cogeneratie Nadeel ideale cogeneratieplant: kan niet inspelen op wisselende vraag elektrisch en warmtevermogen Praktische cogeneratieplant: proceswarmte vraag naar alle stoom afgeleid naar expansieventiel (geen arbeid) deel stoom afgeleid naar expansieventiel alle stoom afgetapt van de turbine (ideaal) deel stoom afgetapt van de turbine alle stoom door turbine en condensor 3 4 5 6 8 7 1 2 verloren warmte

dampcycli Cogeneratie 3 4 5 6 8 7 1 2 vóór aftappunt na aftappunt

dampcycli Cogeneratie 4 7 5 6 3 8 2 1 < 0