Transcript loeng 8 Veeaur Rankine

Veeauru omadused, diagrammid,
tabelid.
Põhiprotsessid veeauruga, H-s, T-s,
p-v diagrammid
Andres Siirde
1
Sissejuhatus






Vett leidub 70% maapinnast.....
On neutraalne
Kerge transportida
Omab suurt soojusmahtuvust
Soojusülekandel töötava kehana omab suuri
soojusülekandetegureid, eriti kondenseerumisel
Aurustub ja kondenseerub konstantsel
temperatuuril
2
Reaalsete gaaside põhiomadused



Ideaalse gaasi eeldus oli, et gaasimolekulide vahel
puuduvad vastastikused jõud ning molekulide maht
võrreldes gaasi enese mahuga on tühiselt väike
Reaalsete gaaside üheks põhiomaduseks on asjaolu, et
neid on alati võimalik teatud tingimustel kondenseerida
(veeldada)
Kõik looduses esinevad ained võivad olla erinevates
faasides, mis kujutavad endast erinevaid
agregaatolekuid (tahke, vedel, gaasiline) või kristallilise
oleku alavorme.
3
Aine faasidevaheline termodünaamiline tasakaal


Süsteemi iga faas moodustab omaette ühesuguste füüsikaliste
omadustega homogeense süsteemi (alasüsteemi).
Mitmefaasilises süsteemis on kõik faasid omavahelises kontaktis
Aine üleminekut ühest faasist teise nimetatakse aine
faasimuutuseks. Seejuures on võimalikud järgmised
faasimuutused:
1.
2.
3.
4.
vedelik-gaas (aurustumine kondenseerumine),
tahke-gaas (sublimeerimine -desublimeerimine)
tahke-vedelik (sulamine, hangumine)
tahke-tahke (rekristalliseerumine).
4



Aine faasimuutus on alati seotud soojusefektiga, s. t. aine
faasimuutusel esineb kas soojuse absorbeerimine või soojuse
eraldumine
Mitmefaasilise süsteemi termodünaamilise tasakaalu vajalikuks
tingimuseks, nagu homogeense süsteemi korralgi, on mehaanilise ja
soojusliku tasakaalu tingimus: näiteks kahefaasilise süsteemi korral
p1=p2 Ja T1=T2, s. t. mõlemate faaside rõhud ja temperatuurid on
samad
Aine agregaatolek on määratud tema
olekuparameetritega. Igale kindlale rõhule ja
temperatuurile vastab kindel aine agregaatolek. Aine
agregaatoleku väljendamiseks kasutatakse kõige
sagedamini pT-diagrammi (rõhu ja temperatuuri):
5
Diagrammile kantakse jooned, mis jaotavad pt
tasapinna "kolmeks osaks. Iga tasapinna osa
vastab aine kindlale agregaatolekule. Joon Kp-K
määrab piiri aine gaasilise (auru) ja vedela
oleku vahel, joon Kp-a piiri vedela ja lahke ning
joon Kp-b piiri tahke ja gaasilise (auru) oleku
vahel. Punkti Kp, kus aine on üheaegselt
kolmes agregaatolekus, nimetatakse aine
kolmikpunktiks.
6
Aine
Vesi
Heelium
N2
O2
Kriitiline
temperatuur rõhk
0
C
MPa
374,15
22,129
-267,9
0,229
-147,1
3,394
-118,8
5,036
erimaht
3
m /kg
3,26
14,43
3,21
2,44
7
rõhk
Gaasiline faas
temperatuur
8

Kasutatakse ka pv ja
9
TS diagramme:
10
Erinevus reaalse ja ideaalse gaasi vahel
Reaalne gaas
pV=konst
T=konst.
Ideaalne gaas
 D iag ram m il
k o m p rim eerim e
g aasi
p ü sitem p eratu u rid el, ku s T 1 < T 2 < … .T k
'
'
 1 "-1 … … 3"-3 v ah el on n ii g aasilin e ku i
v ed el o lek - n iisk e au r
 1 " -st p arem al o n ain e g aasilises faasis
'
 1 -st v asak u l esin eb ain e ain u lt v ed elas
o leku s
 b … … ku n i p unk tin i K - ü lem in e p iirk õv er
 a k u n i p unk tin i K alu m in e p iirkõ v er
 p un k t K - ain e k riitilin e p u nk t, sed a läb ib
k riitilin e iso term
11
Faasidevahelise tasakaaluoleku ala igas punktis oleva
aine erifaasiliste ainehulkade
vahekorda väljendab suhe
kus M1 ja M2 – vastavalt ühe ja teise faasi mass
termodünaamilises tasakaalus olevas kahefaasilises
süsteemis. Näiteks, kui tasakaalus olev süsteem on
niiske aur ning M1 tähistagu auru massi ja M2 vedeliku
massi selles, siis nende kaudu avaldatud suhet x
nimetatakse auru kuivusastmeks. Seega alumisel
piirkõveral x = 0 ja ülemisel piirkõveral x = 1.
12
Vee-auru kuumutamine
13
Veeauru tabelid ja diagrammid



Veeauru omadused on auru keeruka struktuuri tõttu
väljendatavad väga keerukate analüütiliste võrranditega.
Seepärast on nende võrrandite kasutamine praktiliste
ülesannete lahendamisel seotud mahukate arvutustega.
Mitmesuguste veeauruga seotud arvutuste
lihtsustamiseks kasutatakse veeauru tabeleid ja
diagramme.
Tuntakse küllastunud vee ja veeauru tabelid,
auru ning vee- ja ülekuumendatud auru tabeleid.
14
Küllastanud vee ja veeauru omadused alumisel ja
ülemisel piirkõveral (1)
Küllastunud vee ja veeauru tabelites antakse vee ja
veeauru omadused alumisel ja ülemisel piirkõveral,
hõlmates vahemiku vee kolmikpunktist kuni kriitilise
punktini. Andmed nendes tabelites võivad olla esitatud
kas rõhu või temperatuuri järgi, vastavalt sellele, milline
nendest kahest parameetrist on esimeses veerus.
Järgnevates veergudes tuuakse tavaliselt küllastanud
vee ja veeauru kohta erimaht, entalpia, entroopia,
mõnikord veel täiendavalt vee ja veeauru tihedus,
aurustumissoojus.
15
Küllastanud vee ja veeauru omadused alumisel ja
ülemisel piirkõveral (2) , tabeli näide
16
Vee ja ülekuumendatud auru tabelid (1)
Vee ja ülekuumendatud veeauru tabelisse
koondatakse andmed vee ja veeauru,
entalpia, entroopia ja erisoojuse kohta
sõltuvuses temperatuurist ja rõhust, alates vee
kolmikpunkti parameetritest. Vesi ja veeaur kui
ühefaasilised ained, vajavad oleku
määramiseks kahte sõltumatut parameetrit.
17
Ülekuumendatud auru tabel, näide:
18
Niiske aur
Niiske auru jaoks omaette tabeleid koostada ei ole vaja,
vajalikud parameetrid
saab leida valemitega:
mis sisaldavad auru kuivusastme x ning
andmed alumisel ja ülemisel piirkõveral ülalesitatud
tabelitest.
19
Vee-auru parameetrid internetis
http://deepzone2.ttu.ee/soojus/sisukord/termodyn.htm
http://www.spiraxsarco.com/
http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-tables.asp
20
Veeauru TS diagramm:
Diagrammi koostamise on valitud
üheks lähtepunktiks vee kolmikpunkt
(tähistatud ao-ga), mille juures
entroopia väärtus loetakse tinglikult
nulliks. Kuna soojustehnilistes
arvutustes esineb alati entroopia
muutus, siis entroopia teadmine ei
oma praktilist tähtsust.
Kandes küllastunud veeauru tabelist
Ts-diagrammi s' ja s" väärtused
mitmesugustel temperatuuridel,
saame vastavalt alumise (x=0) ja
ülemise piirkõvera (x=1) kontuurid.
21
22
h-s diagrammid
Paljud termodünaamilised protsessid on hea käsitleda h-s diagrammil,
mida kutsutakse ka Mollier diagrammiks. Näide h-s diagrammist koos
T-s diagrammiga on :
23
hs-diagramm on leidnud laialdast rakendust
soojusjõuseadmetes toimuvate protsesside
käsitlemisel eelkõige seetõttu, et mainitud tasandil on
ülevaatlikult kujutatav soojusjõumasinas tehtav
adiabaatne töö.
Kui Ts-diagrammil avalduvad soojushulgad
pindaladena, siis hs-diagrammilt on isobaarsest
protsessist osavõttev soojushulk leitav sirglõigu
pikkusena.
hs-diagramm on hea kasutada ka auru voolamis- ja
drosseldusprotsessi uurimisel.
24
25
Veeauru pv diagramm:
26
Vee kuumutamine



Vee täielik kuumutamine ehk lihtsalt vee kuumutamine seisneb vee
temperatuuri tõstmises teatud lähteolekust kuni antud rõhule
vastava küllastustemperatuurini. Selline protsess on võimalik ainult
rõhul, mis on madalam kriitilisest. Kui vee rõhk on kriitilisest
väärtusest kõrgem, mõistetakse sageli vee täieliku kuumutamise all
vee temperatuuri tõstmist algolekust kuni kriitilise temperatuurini.
Vee osalisel kuumutmisel jääb vee temperatuur rõhule vastavast
küllastustemperatuurist või ülekriitilise rõhu korral madalamaks
kriitilisest temperatuurist. Vaatleme vee kuumutuse käiku kriitilisest
rõhust madalamal rõhul, lugedes vee algolekuks kolmikpunkti
parameetrid (punkt a olekudiagrammidel). Vett võib kuumutada
mitmeti, erinevate termodünaamiliste protsesside vahendusel.
Kõige sagedasem on vee kuumutamine soovitud temperatuurini
isobaarselt, millele on eelnenud vee rõhu tõstmine pumba abil.
Käsitletav juhtum on kujutatud
pv- ja Ts-diagrammil
27
a-1 vastab vee isoentroopsele komprimeerimisele pumbas.
Komprimeerimisele järgnevat vee isobaarset kuumutamist
kujutab diagrammil lõik 1-2. Soojushulk vee isobaarseks
kuumutamiseks on:q= h’- h1, kus h’ on vee entalpia
küllastustemperatuuril
28
Veeauru ülekuumendamine
29
Vee aurustumine
Vee aurustumissoojus:
30
Ülekriitilised parameetrid
31
32
Põhiprotsessid veeauruga

Isohoorne protsess
Olgu auru algolek antud rõhuga p1 ja
temperatuuriga t1, mis määravad auru
algolekut tähistava punkti olekudiagrammil
kui isobaarjoone p1 ja isotermjoone t1
lõikepunkti Auru erimahu saab leida
samalt diagrammilt või p1 ja t1 kaudu
ülekuumendatud veeauru tabelist. Kui on
teada protsessi lõpprõhk p2, siis punkti 1
läbiva isohoorjoone lõikumine
isobaarjoonega p2 sedastab protsessi
lõpppunkti 2. Auru lõpptemperatuuri punktis
2 saab leida rõhu p2 järgi küllastunud
veeauru tabelist või olekudiagrammilt
33

Isobaarne protsess
Iseloomustagu
aurualgolekut rõhk p ja
erimaht v1. Lõppolek olgu
määratud temperatuuriga
t2
34
Isoentroopne paisumine, auru
paisumisprotsesside kujutamine hsdiagrammil
p1
h
t1
Tehniline töö:
 h a = h 1 -h 2
5
 h i = h 1 -h 2
*
1
p2
x=1
2
2
*
x2
x2
*
s
Reaalsed protsessid
mitteisoentroopsed
(hõõrdekadude tõttu) ja
seetõttu entroopia
suureneb paisumine
entalpia väärtuseni h*
35
Soojusjõuseadmed
Seadmeid, kus toimub soojuse muundamine mehaaniliseks tööks,
me nimetame soojusjõuseadmeteks.
Soojusjõuseadeteks on:



Sisepõlemismootorid
Gaasturbiinid
Auruturbiinid
Maailmas toodetud elektrienergia enamus on toodetud just
soojusjõuseadmetega ja vaatamata näiteks tuule-, hüdro-, päikese
jt. energiatootmisseadmete arengule, jääb soojusjõuseadmete
osatähtsus elektrienergia tootmisel väga suureks
36
Lihtsustatud aurujõuseadme skeem
37
Carnot' ringprotsess
Carnot' ringprotsessil on kõigist võimalikest ringprotsessidest
soojusallika ja jahutaja antud temperatuurivahemikus kõrgeim
termiline kasutegur. Carnot´ ringprotsess avastati 1824. a.
prantsuse inseneri ja õpetlase S.Carnot' poolt. Carnot'
ringprotsessi koostisosadeks on kaks isotermilist ja kaks
isoentroopilist protsessi.
t 
l
q1
1
q2
q1
1
38
T2
T1
AURUJÕUSEADME RINGPROTSESSID
T
2
3
x =0
4
1
4
T1
P1
K
P2
1
3`
T2
3
5
x3
3
*
2
x2
x =1
s
6
7
Carnot` ja Rankine´i ringprotsesside kujutamine Ts-diagrammil
niiske auru piirkonnas.
Aurujõuseadme skeem: 1-aurugeneraator, 2-auru ülekuumendi,
3-aurujõumasin, 4-elektrigeneraator (kompressor, sõukruvi),
5- kondensaator, 6-toitepump, 7-tsirkulatsioonipump
39
T
K
x=0
4
3`
3
P1
1
5
*
P2
2
3
2
*
x=1
x2 x2
*
s
Rankine´i ringprotsessi kujutamine Ts-diagrammil
40
Gaasi- ja auruturbiinjõuseadme
liitringprotsess
41
Kasutegurid:
R ankine`i ringp rotsessi term iline kasutegur
t 
h1  h 2  v ( p 1  p 2 )
h1  h 3  v ( p 1  p 2 )
.
(9.6)
A urujõuseadm e sisem ine suhteline kasutegur
( h 1  h 2 )   oi 
T
 oi 
 h1
v ( p1  p 2 )
i
p
.
 h2   v   p1  p 2 
(9.7)
ning jõuseadm e sisem ine kasutegu r
 i   oi   t .
(9.8)
A urujõuseadm e elektriline k asutegur
 el   k   a   t   oi   m   G
kus

m
,
(9.9)
 k - aurukatla kasutegu r,  a - aurutorustiku kasutegur,
- aurujõum asina m eh aaniline kasutegu r, 
G
– elektrigen eraatori kasutegur
42
Näiteülesanded.
43