Transcript Toestandsgrootheden en energieconversie

Toestandsgrootheden en energieconversie
Dr.ir. Gerard P.J. Dijkema
Eemscentrale, Eemshaven, Prov. Groningen (c) I. Nikolic, 2006
Faculty of Technology, Policy and Management
Industry and Energy Group
PO Box 5015, 2600 GA Delft, The Netherlands
Het concept toestand
• De thermodynamische toestand van
een systeem wordt gekarakteriseerd
door de waardes van een aantal
meetbare grootheden
• Voor gas en/of vloeistof systemen:
Druk P, temperatuur T en Volume V.
Extensief en intensieve grootheden
• Druk P, en temperatuur T zijn
intensieve grootheden. Ze hangen niet
af van de hoeveelheid massa in/van
een systeem.
• Volume V is een extensieve grootheid.
• Door te delen door de hoeveelheid
mass kunnen we ze converteren tot
specifiek volume v, die niet afhangt van
de hoeveelheid massa
Extensief of intensief?
• Is de verbrandingsenthalpie ∆Hc
een intensieve of extensieve
grootheid?
• En als ze wordt uitgedrukt als
Lower Heating Value (LHV)?
Evenwichtstoestand
•
De toestand van een systeem waarvan de
grootheden niet veranderen zolang de externe
condities gelijk blijven is een evenwichtstoestand.
•
Een systeem kan zich in verschillende
thermodynamische evenwichten bevinden:
• Mechanisch
• Thermisch
• Chemisch
•
Er zijn dan geen ongebalanceerde:
•
•
•
Krachten
Temperatuurverschillen
Concentratieverschillen
Proces
bijvoorbeeld energieconversie
• De toestand van een systeem verandert
als dat system een proces ondergaat
• Tijdens een proces ondergaat een
systeem een reeks van
toestandsveranderingen
• Die reeks vormt het pad waarlangs het
proces verloopt
Bron: http://elearn.punjab.gov.pk/home/read_book/14/64
Proces
bijvoorbeeld energieconversie
Set
Condities 1
• De toestand van een systeem verandert
als dat system een proces ondergaat
• Tijdens een proces ondergaat een
systeem een reeks van
toestandsveranderingen
Toestands-grootheid
X1
X1 = F(condities1)
(Deel)proces-stap
A
Set
Condities 2
Toestands-grootheid
X2
X2 = F(condities2)
(Deel)proces-stap
B
TOTAAL
PROCES
• Die reeks vormt het pad waarlangs het
proces verloopt
Set
Condities 3
Toestands-grootheid
X1
X3 = F(condities3)
Toestands vergelijkingen
•
Toestandsgrootheden:
• Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V
• (Chemische samenstelling)
•
Voor stoffen, systemen bestaan
toestandsvergelijkingen
•
Uit experimenten blijkt:
• Voor een zuivere stof gelden
toestandsvergelijkingen f (P,v,T)
Toestands vergelijking zuivere stof
•
Ideale gaswet:
PV = nRT
of
P v’ = RT
n = aantal molen; v' = specifiek volume per mol
•
Van der Waals vergelijking
•
Peng-Robinson vergelijking
http://en.wikipedia.org/wiki/Johannes_
Diderik_van_der_Waals
Toestands diagram - water
Bron: http://www.broederschoolroeselare.be/cursussen/Leerkrachten/Dewulf%20Grietje/Images/cursus4es
/toestandsdiagram%20van%20water.jpg
• P-T diagram
Toestands diagram - water
Bron: http://www.broederschoolroeselare.be/cursussen/Leerkrachten/Dewulf%20Grietje/Images/cursus4es
/toestandsdiagram%20van%20water.jpg
• P-T diagram
Bron: http://nuclearpowertraining.tpub.com/h1012v1/css/h1012v1_69.htm
• P-v diagram
• Stippelijnen: isotherm
Water en stoom
• Toestandsvergelijking
• Metingen
•
stoomtabellen
Bron: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/screenshots/1074/original.jpg
http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/9817-x-steam--thermodynamicproperties-of-water-and-steam
Stoomtabellen
Bron: http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-tables.asp
Toestands grootheden en thermische
centrale – Rankine cyclus
HP-steam
generation
•
Toestandsgrootheden:
• Enthalpie, H
• Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V
Exhaust
Power
generation
Water
Fuel
T
E
Power
Water
Air
•
Rankine cyclus (stoomcyclus)
•
•
•
•
•
•
d
e
a
b
c
e: water op druk brengen met pomp
a: verhitten tot kooktemperatuur
b: verhitten t.b.v. verdamping
c: isentropische expansie, in turbine
d: condensatie door onttrekking warmte
Enthalpie ∆H = qp
Air
supply
Entropie
•
Toestandsgrootheden:
• Enthalpie, H
• Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V
•
Maar ook entropie, S
•
Definitie:
δS = δQ / T
of
Q = ∫ T δS
of
Q = T ∆S
Bron: http://www.wikiskripta.eu/index.php/Entropie
Toestands grootheden en thermische
centrale – Rankine cyclus
•
Toestandsgrootheden:
• Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V
• Entropie, S
•
Bron: http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node65.html
•
Animatie: http://www.engr.usask.ca/classes/ME/227/rankine/cycles/rankine2/rankine2.html
Gas turbine
•
•
•
•
Afgeleid van vliegtuigturbine
Combinatie
• warmtebron en turbine in één apparaat
Relatief goedkoop en modulair
• (“skid-mounted”)
Karakteristieken
• werktemperatuur 1100 oC
• druk 20-30 bar.
• afgassen GT typisch 500 oC., 1 bar.
•
•
•
•
Theoretisch Carnot rendement:
(1- Tc/Th) = 1- (773/1373)*100% = 44%
Rendement in de praktijk:
27-35%
Combinatie met restwarmte ketel voor stoomproductie:
warmte/krachtcentrale
Bron: GE ger4194.pdf
Principe-schema Gasturbine
Combustion
Fuel
Generator
E
Air
Power
Exhaust
Compress
Expand
•
Bron: GE ger4194.pdf
Combustion
Fuel
GE 7FB Gas
turbine
Generator
E
Air
Power
Exhaust
Compress
Expand
Gas turbine
• Beschrijf de thermodynamische cyclus
Combustion
Fuel
Generator
E
Air
Power
Exhaust
Compress
Expand
Gas turbine
• Systeem: open cyclus (deel in gas turbine, deel in omgeving) !!
• Medium = lucht / verbrandingsgassen (niet water/stoom)
•
•
•
•
Compressor: van Plaag
Phoog
Verbranding: bij Phoog van Tlaag
Turbine: isentropische expansie
Omgeving:
Plaag, Tlaag
Thoog
Plaag, Tmidden
Combustion
Fuel
Generator
E
Air
Power
Exhaust
Compress
Expand
Gas turbine
• Systeem: open cyclus (deel in gas turbine, deel in omgeving) !!
• Medium = lucht / verbrandingsgassen (niet water/stoom)
•
•
•
•
Compressor: van Plaag
Phoog
Verbranding: bij Phoog van Tlaag
Turbine: isentropische expansie
Omgeving:
Plaag, Tlaag
Thoog
Plaag, Tmidden
• Hoe ziet dit eruit in een P-v diagram van lucht?
Combustion
Fuel
Generator
E
Air
Power
Exhaust
Compress
Expand
Gas turbine
•
•
•
•
Compressor: van Plaag
Phoog
Verbranding: bij Phoog van Tlaag
Turbine: isentropische expansie
Omgeving:
Plaag, Tlaag
Thoog
Plaag, Tmidden
• Hoe ziet dit eruit in een P-v
diagram van lucht?
Gas turbine
• Systeem: open cyclus (deel in gas turbine, deel in omgeving) !!
• Medium = lucht / verbrandingsgassen (niet water/stoom)
•
•
•
•
Compressor: van Plaag
Phoog
Verbranding: bij Phoog van Tlaag
Turbine: isentropische expansie
Omgeving:
Plaag, Tlaag
Thoog
Plaag, Tmidden
• Vermogen: 280 MWe
• Compressieverhouding: 18.5
• Uitlaattemperatuur: 600 oC
Bron: GE ger4194.pdf
WKK-Centrale / Systeem
• In de jaren ‘90 zijn veel zgn. Warmte/Kracht Centrales gerealiseerd om te voldoen aan
• Warmtebehoefte (industrie, stadsverwarming)
• Elektriciteitsbehoefte (industrie, huishoudens)
WKK
GT
Boiler
Warmte-Kracht Centrale Rijnmond Energie
http://www.hoogvliet.org/00-meer2004/01-januari/19-energiecentr.htm
Warmte-Kracht Centrale
•
Technisch systeem
• Massabalans / Eenvoudige chemie: CO2 emissie
• Energiebalans: Aardgas consumptie: kosten per kWh
• Technologische karakteristieken: hoog energie-rendement
CO2
WKK
Aardgas
Lucht
GT
Boiler
Warmte
Elektriciteit
Warmte-Kracht Centrale Rijnmond Energie
http://www.hoogvliet.org/00-meer2004/01-januari/19-energiecentr.htm
Warmte-kracht centrale
Thermische centrale + gas turbine
HP-steam
generation
Exhaust
Combustion
Fuel
Power
generation
Water
Fuel
Generator
E
T
E
Power
Power
Water
Air
Exhaust
Compress
Expand
Air
Air
supply
Centrale met voorschakeling gas turbine
Furnace / Boiler
Exhaust
•
Luchttoevoer vervangen door
de afgassen van een gas
turbine
•
Deze zijn van hoge
temperatuur (400-700 oC)
•
Bevatten voldoende zuurstof
i.v.m. overmaat luchttoevoer.
HP-Steam
Water
E
Power
T
Steam Turbine
Generator
Fuel
LP-Steam
•
Rendements winst bestaande
centrales: +/- 5 %
•
Nieuwe centrales:
Air
• tegen 10 %
Power
E
Blower
Gas Turbine
Hot
Water
Generator
• nieuwste IGCC:
• 60 %
Cold
Water
Integrated Gas Turbine Combined Cycle (IGCC)
Heat
Exchanger
Centrale met voorschakeling gas turbine
Voorwaarde voor toepassing IGCC??
Integrated Gas Turbine Combined Cycle (IGCC)
Vergassing met IGCC en CO2 verwijdering
Vergasser
CO2-removal
31
IGCC E-centrale