1 / 58

ENERGETSKE PRETVORBE VI REALNI PLINOVI I PARE DESNOKRETNI PARNI PROCESI

ENERGETSKE PRETVORBE VI REALNI PLINOVI I PARE DESNOKRETNI PARNI PROCESI. Doc. Dr . sc. Marinko Stojkov (HEP, Slavonski Brod) Elektrotehnički fakultet Osijek. Elektrotehnički fakultet Osijek. ISPARIVANJE KRIVULJA NAPETOSTI PRIKAZ PROCESA ISPARIVANJA U p-v; T-s I h-s DIJAGRAMU

masao
Download Presentation

ENERGETSKE PRETVORBE VI REALNI PLINOVI I PARE DESNOKRETNI PARNI PROCESI

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. ENERGETSKE PRETVORBEVI REALNI PLINOVI I PAREDESNOKRETNI PARNI PROCESI Doc. Dr. sc. Marinko Stojkov (HEP, Slavonski Brod) Elektrotehnički fakultet Osijek Elektrotehnički fakultet Osijek

  2. ISPARIVANJE KRIVULJA NAPETOSTI PRIKAZ PROCESA ISPARIVANJA U p-v; T-s I h-s DIJAGRAMU ENERGIJSKA RAZMJENA TIJEKOM PROCESA ISPARIVANJA TERMODINAMIČKA RAVNOTEŽA HETEROGENOG PODRUČJA ODREĐIVANJE VELIČINA STANJA MOKRE PARE POSEBNE PROMJENE STANJA MOKRE PARE PREGRIJANA PARA Elektrotehnički fakultet Osijek

  3. Idealni plinovi pri promjeni svog toplinskog stanja ostaju u istom agregatnom stanju i zadržavaju svojstvo homogenosti nad cjelokupnim volumenom. Kod realnih tvari dolazi do promjena agregatnog stanja - pri dovođenju topline dolazi do isparivanja, kopnjenja i sublimacije, odnosno kod odvođenja topline dolazi do ukapljivanja (kondenzacije), skrućivanja i desublimacije. Isparivanje: prijelaz iz kapljevitog u parovito agregatno stanje. Obrnuti proces nazivamo ukapljivanje ili kondenzacija. Između dviju agregatnih stanja postoji toplinska (ista T) i mehanička ravnoteža (isti p). ISPARIVANJE Elektrotehnički fakultet Osijek

  4. Gustoće kapljevine i pare nisu jednake pa sustav više nije homogen već postaje heterogen. • U tehnički važnim uređajima (npr. parni kotao) proces isparivanja odvija se pri konstantnom tlaku. • Dovođenjem topline, temperatura počinje rasti, a sa njom neznatno i volumen. • Pri nekoj temperaturi Tb nastaje prvi parni mjehur odnosno započinje proces isparavanja. • Daljnjim dovođenjem topline nastaje sve više pare, koja ima veći volumen od kapljevine – znatno povećanje V. • Proces isparivanja uz p=const. teče uz T=const. koju nazivamo temperaturom zasićenja i takvo stanje traje sve dok se sva kapljevina ne pretvori u paru. • Po pretvaranju sve kapljevine u paru, daljim dovođenjem topline dolazi do daljeg porasta T i V. Elektrotehnički fakultet Osijek

  5. Ovaj proces može se podijeliti na tri dijela: - zagrijavanje kapljevine do stanja vrelišta (do Tb), vrela kapljevina isparivanje – zasićena , mokra ili vlažna para (od stanja vrele kapljevine do stanja suhozasićene pare - sva kapljevina isparila). Ovdje su u međusobnoj toplinskoj i mehaničkoj ravnoteži kapljevita i plinovita faza. Ovo je heterogena smjesa kapljevine i pare. pregrijavanje pare, T > Td Elektrotehnički fakultet Osijek

  6. KRIVULJA NAPETOSTI • Za jedan određeni tlak koji vlada u spremniku s kapljevinom, postoji jednoznačna pripadajuća temperatura zasićenja. • To znači da će određena kapljevina isparivati pri temperaturi zasićenja koja je ovisna o tlaku pod kojim se kapljevina nalazi. • Primjer: za vodu pod tlakom 101325 Pa, temperatura isparivanja iznosi 100 ºC; dok je pod tlakom od 0,5 bara Ti = 32,88 ºC. • Višem tlaku odgovara i viša temperatura zasićenja. • Krivulja (linija) koja daje vezu između tlaka i temperature zasićenja naziva se krivulja napetosti. • Prikazana krivulja dijeli dva područja: kapljevito i parovito sve do kritične točke Kr koja je ovisna o tvari. • Za vodu pkr = 221,20 bar, Tkr =101ºC i vkr = 0,00317 m3/kg Elektrotehnički fakultet Osijek

  7. Elektrotehnički fakultet Osijek

  8. Postoje i krivulje napetosti za sva tri agregatna stanja; trojna točka Tr (u međusobnoj toplinskoj i mehaničkoj ravnoteži nalaze se sva tri agregatna stanja). Za vodu ptr = 0,006113 bar, Tkr = 273,16ºC. Elektrotehnički fakultet Osijek

  9. PRIKAZ PROCESA ISPARIVANJA U p-v; T-s I h-s DIJAGRAMU • p-v dijagram: izobara je horizontalni pravac; izoterma se unutar zasićenog područja podudara s tijekom izobare Elektrotehnički fakultet Osijek

  10. T-s dijagram: proces isparivanja prikazan za sve tlakove, te povezane točke koje predstavljaju stanja vrelih kapljevina - vrelišta – donja granična krivulja (b, ‘); i točke stanja suhozasićene pare (d, ‘’) – gornja granična krivulja. Ove dvije krivulje spajaju se u kritičnoj točki Kr. Elektrotehnički fakultet Osijek

  11. h-s dijagram: izobare su pravci čiji je nagib veći ako je izobara viša; najstrmija izobara prolazi kroz Kr Elektrotehnički fakultet Osijek

  12. ENERGIJSKA RAZMJENA TIJEKOM PROCESA ISPARIVANJA Prema T-s dijagramu dovedena toplina pri izobarnom procesu prijelaza tvari iz pothlađene kapljevine u pregrijanu paru jednaka je zbroju pojedinačnih toplina: qae = qf + r + qpr qf – dovedena toplina potrebna da pothlađena kapljevina temperature Ta dođe na temperaturu T’ r – toplina isparivanja,vrela kapljevina u suhozasićenu paru qpr – toplina pregrijavanja Kako je dp = 0: qae = (hb-ha)+(hd-hb)+(he-hd), koje u h-s dijagramu predstavljaju duljine Elektrotehnički fakultet Osijek

  13. Elektrotehnički fakultet Osijek

  14. Elektrotehnički fakultet Osijek

  15. hb – ha = h’ – ha = cf (T ’ – Ta) he – hd = he – h’’ = cp (Te – T ‘’) r = hd – ha = h’’ – h’ U T-s dijagramu ove topline su površine ispod izobarne promjene stanja. Elektrotehnički fakultet Osijek

  16. TERMODINAMIČKA RAVNOTEŽA HETEROGENOG PODRUČJA Termodinamička ravnoteža ( p=const. , T=const.) heterogenog područja (kapljevina- para) dS = 0 (S=const. ; V=const. ; U=const.) Ukupna entropija heterogenog sustava ekstenzivna je veličina stanja pa je zbog svojstva aditivnosti: Elektrotehnički fakultet Osijek

  17. Veličina h-Ts naziva se i slobodna specifična entalpija ili Gibbsova specifična energija. Elektrotehnički fakultet Osijek

  18. ODREĐIVANJE VELIČINA STANJA MOKRE PARE Za definiranje toplinskog stanja mokre pare potrebno je definirati sadržaj pare x, odnosno sadržaj vlage y: Elektrotehnički fakultet Osijek

  19. POSEBNE PROMJENE STANJA MOKRE PARE Izobarno – izotermna promjena stanja Izobarnim dovođenjem topline q12>0 zasićenoj pari raste sadržaj pare x2>x1; odnosno raste specifični volumen v2 > v1 para ekspandira. Elektrotehnički fakultet Osijek

  20. Izohorna promjena stanja Npr. Pri zagrijavanju pare u zatvorenoj posudi čvrstih stijenki ako pri tome nema oduzimanja pare. Dovođenjem topline rast će p i T. Hoće li tijekom dovođenja topline rasti x ovisi o početnoj vrijednosti v – ako je v<vkr x će prvo rasti a potom padati (smanjivat će se sadržaj pare x), dolazi do lokalnog ekstrema pri prijelazu isparivanja u kondenzaciju. Ako je v>vkr izohornim dovođenjem q, kontinuirano raste x – proces stalnog izohornog isparivanja. Elektrotehnički fakultet Osijek

  21. Izentropska promjena stanja Entropija ostaje konstantna, znači da nema izmjene topline. Izentropski proces je povrativi adijabatski proces. Pri izentropskoj ekspanziji mokre pare dolazi do pada tlaka i temperature. Hoće li tijekom ovog procesa rasti x ovisi o početnoj vrijednosti s – ako je s<skr x će rasti. Ako je s>skr x pada. Elektrotehnički fakultet Osijek

  22. DESNOKRETNI PARNI PROCESI DESNOKRETNI CARNOTOV CIKLUS DESNOKRETNI RANKINEOV PROCES RANKINEOV PROCES S PREGRIJANOM PAROM RANKINEOV PROCES S MEĐUPREGRIJAČEM PARE RANKINEOV PROCES S REGENERATIVNIM PREDGRIJAVANJEM KONDENZATA Elektrotehnički fakultet Osijek

  23. Do sada je radni medij u TD procesu bio idealni plin. Primjena pare kao radnog medija u TD ciklusu je povoljna obzirom na svojstva pare – dovođenjem topline zasićenoj pari pri stalnoj T, ostaje stalan i tlak Kod Carnotovog ciklusa toplina se izmjenjuje pri stalnoj T, a toplinski izmjenjivači konstrukcijski su izvedeni tako da je pri tom procesu i p stalan Toplinski kapacitet pare znatno je viši nego kod idealnih plinova, pa za istu snagu parni stroj ima manje dimenzije od strojeva s idealnim plinom kao radnim medijem. Parne (TE) proizvode danas u svijetu najviše energije u energijskoj konverziji (radni medij vodena para). Mnogi rashladni strojevi koriste parne rashladne cikluse (radni medij pare amonijaka, freona i sl.) DESNOKRETNI PARNI PROCESI Elektrotehnički fakultet Osijek

  24. DESNOKRETNI CARNOTOV PROCES • CARNOTOV proces: 2 izoterme i 2 izentrope • Dovođenje topline odvija se u kotlu (izmjenjivaču topline) pri stalnoj Td (dovođenja) i pri stalnom pk (kotla) od stanja vrele kapljevine 4 do stanja suhozasićene pare 1. • Para 1 ulazi u ekspanzijski cilindar EC u kojem izentropski ekspandira do stanja 2 s parametrima pko (kondenzatora) i sadržaj pare x2. • S tim stanjem para ulazi u kondenzator (izmjenjivač topline) u kojem se predajući toplinu rashladnom mediju para kondenzira pri stalnom pko i stalnoj Tod (odvođenja) do stanja 3. Tu je postignut sadržaj pare x3. • Potom para sa stanjem 3 ulazi u kompresijski cilindar KC u kojem se izentropski komprimira do vrele kapljevine kotlovskog tlaka pk, točka 4 gdje se ciklus i zatvara. Elektrotehnički fakultet Osijek

  25. Temperature dovođenja topline i odvođenja topline su temperature zasićenja za kotlovski odnosno kondenzatorski tlak. Shema postrojenja: Elektrotehnički fakultet Osijek

  26. p-v dijagram Carnotova parnog ciklusa: Elektrotehnički fakultet Osijek

  27. T-s dijagram Carnotova parnog ciklusa: Elektrotehnički fakultet Osijek

  28. h-s dijagram Carnotova parnog ciklusa: Elektrotehnički fakultet Osijek

  29. Energijska analiza opisanog ciklusa za 1 kg pare: Dobiveni rad jednak je kvalitativno osjenčanim površinama u p-v i T-s dijagramima, odnosno razlici odgovarajućih duljina u h-s dijagramu. Elektrotehnički fakultet Osijek

  30. Snaga stroja u opisanom ciklusu bila bi ovisna o protočnoj masi pare qm i broju obavljenih ciklusa u 1s. Termički stupanj djelovanja računao bi se: Što potvrđuje tvrdnju da termički stupanj Carnotovog ciklusa ne ovisi o vrsti radnog medija već samo o TD temperaturama toplinskih spremnika. Praktični problem je ostvarenje izentropske kompresije 3–4 u kompresijskom cilindru radi heterogene smjese kapljevine i suhozasićene pare te sporosti tog procesa. Elektrotehnički fakultet Osijek

  31. DESNOKRETNI RANKINEOV PROCES • Razlikuje se od Carnotova procesa u tome što para u kondenzatoru potpuno kondenzira a potom se pumpom ubacuje u kotao. To se postiže izdašnijim dimenzioniranjem kondenzatora. • U kotlu se zagrijava voda pri stalnom tlaku pk vrućim dimnim plinovima nastalim izgaranjem goriva, od stanja pothlađene kapljevine 4 do stanja suhozasićene pare. • Po izlasku iz kotla suhozasićena para stanja 1 ulazi u turbinu T gdje izentropski ekspandira proizvodeći pri tome rad koji se prenosi na vratilo el. generatora do stanja 2 , čiji tlak odgovara kondenzatorskom tlaku pko . • Zasićena para stanja 2 ulazi u kondenzator u kojem pri stalnom tlaku potpuno kondenzira do stanja 3. Nastala vrela kapljevina ulazi u pumpu koja je izentropski tlači na kotlovski tlak pk odnosno na stanje 4. Elektrotehnički fakultet Osijek

  32. Rankineov proces je u biti osnovni model parne TE. Parna TE sastoji se od parnog kotla K, turbine T, kondenzatora Ko i pumpe P. Shema postrojenja: Elektrotehnički fakultet Osijek

  33. p-v dijagram Rankineova parnog ciklusa: Elektrotehnički fakultet Osijek

  34. T-s dijagram Rankinova parnog ciklusa: Elektrotehnički fakultet Osijek

  35. h-s dijagram Rankineova parnog ciklusa: Elektrotehnički fakultet Osijek

  36. Pri istim uvjetima odnosno pri istim kotlovskim i kondenzatorskim tlakovima, a time i istim temperaturama isparivanja i ukapljivanja, i istom stanju pare na ulazu u turbinu, Rankineov proces daje više rada od Carnotova procesa. Uzrok tome je što se za kompresiju zasićene pare od 3-4 u Carnotovu procesu troši znatno veći rad. Ipak, za iste je uvjete termički stupanj djelovanja Carnotova procesa veći od termičkog stupnja djelovanja Rankineova procesa radi činjenice da se temperatura dovođenja topline kod Rankineova procesa mjenja od T4 do Td. Ako uzmemo srednju temperaturu dovođenja Tmd može se pisati: Elektrotehnički fakultet Osijek

  37. Tehnički rad napojne pumpe puno je manji od tehničkog rada turbine pa se može zanemariti u energijskoj bilanci. U tom se slučaju termički stupanj djelovanja može izraziti prema izrazu (2). Ukupna snaga turbine dobije se prema (3). (1) (2) (3) Termički stupanj djelovanja Rankineova ciklusa je utoliko veći ukoliko je viša srednja T dovođenja topline Tmd , odnosno ukoliko je niža temperatura odvođenja topline. Elektrotehnički fakultet Osijek

  38. RANKINEOV PROCES S PREGRIJANOM PAROM • Razlikuje se od Rankineova procesa u tome što postoji pregrijač pare koji povećava srednju T dovođenja topline u kotlu. • Suhozasićena para stanja 1’’ se izobarno pregrijava vrućim dimnim plinovima do stanja 1 s kojim ulazi u turbinu. • Dovedena toplina u kotlu odgovara sveukupno dovedenoj toplini od pothlađene kapljevine do pregrijane pare 1. • Ovdje se postiže veći (bolji) termički stupanj djelovanja jer je porasla srednja Tmd dovođenja topline. • Postoji drugi (tehnički, metalurški) problem jer se povećanjem T dovođenja topline povećava i T s kojom para ulazi u turbinu – izdržljivost i cjelovitost turbinskih lopatica. Elektrotehnički fakultet Osijek

  39. Rankineov proces s pregrijanjem pare - Shema postrojenja: Elektrotehnički fakultet Osijek

  40. p-v dijagram Rankineova parnog ciklusa s pregrijanjem pare: Elektrotehnički fakultet Osijek

  41. T-s dijagram Rankinova parnog ciklusa s pregrijanjem pare: Elektrotehnički fakultet Osijek

  42. h-s dijagram Rankineova parnog ciklusa s pregrijanjem pare: Elektrotehnički fakultet Osijek

  43. Drugi način povećanja termičkog stupnja djelovanja postiže se smanjenjem T odvođenja topline u kondenzatoru. Ovdje se postiže ujedno i niži p. Ovo je moguće samo ako raspolažemo dovoljnom qm i T rashladnog medija u kondenzatoru. Nepoželjni efekt je što se povećava udio kapljevine u točki iza turbine što uzrokuje oštećenje lopatica u niskotlačnom dijelu turbine. Elektrotehnički fakultet Osijek

  44. RANKINEOV PROCES S MEĐUPREGRIJAČEM PARE • Ovdje para ekspandira u dva stupnja turbine: prvo para ekspandira u visokotlačnom dijelu turbine (VT) od stanja 1 do stanja 2. • Potom se para vraća u kotao gdje se u međupregrijaču MPr pregrijava uz pomoć vrućih dimnih plinova od stanja 2 do stanja 3. • Para u stanju 3 ulazi u niskotlačni (NT) dio turbine u kojem izentropski ekspandira do stanja 4 , s kojim ulazi u kondenzator. • U kondenzatoru para potpuno kondenzira do stanja 5. Kapljevina u stanju 5 ulazi u pumpu. • Pumpa izentropski komprimira na kotlovski p odnosno stanje 6. • Dovođenjem topline u kotlu, nastala se vrela kapljevina zagrijava pri konstantnom tlaku kotla od stanja 6 do stanja 1. Elektrotehnički fakultet Osijek

  45. Rankineov proces s međupregijačem pare, shema postrojenja: Elektrotehnički fakultet Osijek

  46. p-v dijagram Rankineova parnog ciklusa s međupregrijačem pare: Elektrotehnički fakultet Osijek

  47. T-s dijagram Rankinova parnog ciklusa s međupregrijačem pare: Elektrotehnički fakultet Osijek

  48. h-s dijagram Rankineova parnog ciklusa s međupregrijačem pare: Elektrotehnički fakultet Osijek

  49. Dovedena toplina u kotlu po kg pare računa se prema (1) dok je odvedena toplina u kondenzatoru (2), te uz uvjet da su entalpije u točkama 5 i 6 približno jednake (pumpa) može se izračunati rad na turbini (3) i termički stupanj djelovanja (4). (1) (2) (3) (4) (5) Ovdje se termički stupanj nebitno povećava, ali ipak postoji velika praktična korist: povećava se sadržaj pare na NT dijelu turbine i time smanjuje vjerojatnost erozijskog oštećenja turbinskih lopatica. Elektrotehnički fakultet Osijek

  50. RANKINEOV PROCES S REGENERATIVNIM PREDGRIJAVANJEM KONDENZATA • Povećanje termičkog stupnja djelovanja s idejom povećanja srednje temperature dovođenja topline u kotao. • Slično Braytonovom procesu u plinsko-turbinskom procesu uz regeneracijsko korištenje otpadne topline ispušnih plinova. • Iz pregrijača pare Pr izlazi para sa stanjem 1 i protočnom masom qm i istim stanjem ulazi u VT dio turbine gdje ekspandira do stanja 2. • Ovdje se oduzima dio pare qm1 i odvodi u mješalište M, dok preostala protočna masa qm – qm1 pare dalje izentropski ekspandira u NT dijelu turbine do stanja 2 s kojim ulazi u kondenzator. Elektrotehnički fakultet Osijek

More Related