Transcript 6.előadás - DE Műszaki Kar

ÁLTALÁNOS GÉPTAN
Előadó: Dr. Fazekas Lajos
Debreceni Egyetem
Műszaki Kar
6. Előadás
A vízgőz
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz energiája
A fajlagos hőtartalom, az i-p diagram
•A vízgőz az egyik legfontosabb
ipari
energiahordozó.
•A víz, illetve a vízgőz nagy fajhője (fajlagos hő
kapacitása) miatt különösen alkalmas hőenergia
tárolására.
•A víz fajhője:
 kJ 
cv  4,19

 kg  K 
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A víz halmazállapot változása és
hőtartalma
•A vizet légköri nyomáson (p0≈0,1013MPa)
melegítve, kb. T1=373K-ig, vagyis 100°C-ig, az
folyadékállapotban marad.
•T0=273K-ről indulva, a forrás kezdetéig a víz
fajlagos (azaz kg-kénti) hőtartalma:
 kJ 
 kJ 
i'0,1  cv  (T1  T0 )  4,19
100K   419 

 kg  K 
 kg 
az az ún. folyadékmeleg légköri nyomáson.
A fajlagos hőtartalom jele az SI mértékrendszerben a „h”, de a korábbi
szakirodalmakban található i használata is megengedett (egyes
szakirodalmakban a fajlagos
hő fogyasztást fajlagos entalpiának is nevezik).
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz átalakulásának folyamata
•Tovább folytatva a melegítést, a víz 373K-en forrni kezd,
azaz átalakul gőzzé.
•Amíg a gőzzé alakulás tart, nedves gőzről beszélünk,
amikor a víz teljes tömegében gőzzé alakult, azt már
telített gőznek nevezzük.
•A gőzzé alakulás közben a gőz-víz keverék hőmérséklete
állandó, a fajlagos hőtartalom azonban, a betáplált
hőmennyiség következtében, növekszik.
•Légköri nyomáson a teljes elpárologtatáshoz szükséges
fajlagos hőmennyiség az ún. rejtett meleg:
r0,1=2260kJ/kg
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A telített vízgőz és a túlhevített gőz
•A légköri nyomású
hőtartalma:
telített
vízgőz
fajlagos
 kJ 
 kJ 
i0,1  i'0,1 r0,1  419 2260   2679 
 kg 
 kg 
•A telített gőzt tovább hevítve, túlhevített gőzt
kapnak, amelynek fajhője:
 kJ 
cth  2,09

 kg  K 
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A túlhevített gőz fajlagos hőtartalma
•Mindkét fajhő számértéke függetlennek tekinthető a
nyomástól.
•A T2 hőmérsékletre túlhevített légköri nyomású vízgőz
túlhevített fajlagos hőtartalma:
i”’0,1=cth·(T2-T1)
•A túlhevített gőz összes fajlagos hőtartalma ezek után:
i0,1=i’0,1+r0,1+i”’0,1
bevezetve az i”0,1=i’0,1+r0,1 jelölést, akkor:
i0,1=i”0,1+I”’0,1
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz i-p diagramja
•Az egyes fajlagos
hőtartalmak arányai a
nyomás függvényében
változnak.
•Nyomás
növekedésével
növekszik a
folyadékmeleg fajlagos
értéke, ugyanakkor
csökken a rejtett meleg.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Az entrópia fogalma
Az entrópia termodinamikai állapotfüggvény,
amelynek
változásából
a
folyamatok
megfordíthatóságára
lehet
következtetni
(reverzibilitás elmélete). A matematikai kifejezése,
illetve az entrópia változása a
dW  kJ 
dS 
T  K 
differenciálegyenlettel írható le, ahol
hőmennyiség változást jelent, a T abszolút
hőmérséklet pedig állandó.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
a
dW
Az entrópia fogalma
Az egyenletet rendezve és integrálva:
dW
dS 
T

s2
W
s1
0
T   dS   dW  ( S 2  S1 )  T  W
•Az egyenlet szerint állandó hőmérsékleten is van hő
felvétel, ha növekszik a rendszer entrópiája.
•Ismereteink szerint a hő felvétel hőmérséklet
növekedéssel jár együtt. Szilárd testre, tiszta folyadékra
vagy telített gőzre felírható:
W = c·m·(T2-T1)
ahol c az illető anyag fajhője, azaz anyagjellemző, az egyes
anyagokra más és más.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Az entrópia fogalma
•Az entrópia emlékeztet a fajhő fogalmára, a fajhő azonban
anyagjellemző, az entrópia nem az illető anyagra, hanem
annak hőtartalmára jellemző állapotfüggvény.
•Az entrópia mint állapotfüggvényről kimondható: zárt
rendszer entrópiája meg nem fordítható (irreverzibilis)
folyamatoknál
nő;
megfordítható
(reverzibilis)
folyamatoknál nem változik.
•A technikai számításoknál az entrópia abszolút értéke nem
döntő, csak annak változása, így sok esetben az entrópia
értékét a 0 °C hőmérséklettől számolják.
•A vízgőz állapotváltozási diagramjain a fajlagos entrópia
szerepel:
S  kJ 
s 

m
kg

K
 Műszaki Kar 
Debreceni Egyetem
A vízgőz állapotváltozását leíró T-s és i-s
diagramok
•Ezeket a diagramokat entrópia-diagramoknak is
nevezik, mivel a vízgőz állapotjelzőinek bonyolult
összefüggéseit ábrázolják koordináta-rendszerben
oly módon, hogy a diagram vízszintes tengelyén
változóként a fajlagos entrópia értékei szerepelnek.
•Attól függően, hogy a függőleges tengelyen melyik
állapotjelzőt ábrázolják a másik változóként:
hőmérséklet-entrópia diagramok szerkeszthetők.
•Az entrópia diagramokban a vízgőz egyéb
állapotjelzői mint paraméterek szerepelnek.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz T-s diagramja
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz T-s diagramja
•A vízgőz T-s diagramjában – megállapodás szerint – a t = +0,01°C
hőmérsékletű és p = 611Pa nyomású vízállapothoz s0 = 0 entrópia-,
illetve i0 = 0 hőtartalom értéket rendelnek a legújabban elfogadott
nemzetközi gőztáblázatokban.
•Az elgőzölögtetés kezdetét (telített folyadékállapot) és végét (száraz
telített gőzállapot) törések jelzik a p = konst. vonalakon.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz T-s diagramja
• Ezeken a pontokon csatlakozik az elpárologtatás vízszintes vonala a folyadék- és
gőztartományban exponenciális jelleggel az emelkedő p=konst.
vonalszakaszokhoz.
• Ezeknek a töréspontoknak az összekötő vonalai az ún. határgörbék a gőzök T-s
diagramjaiban: alsó határgörbe a telített folyadékállapotokat összekötő, felső
határgörbének a száraz telített gőzállapotokat összekötő görbe ágakat nevezik.
• A két határgörbe ág a K kritikus pontban találkozik.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz T-s diagramja
Folyadék
(az alsó
határgörbe és
a p=300 bar
vonal között)
Kritikus
pont
Alsó
határgörbe
Túlhevített
gőz
K-tól
jobbra
Felső
határgörbe
Folyadék + Gőz
(az egész határgörbe alatti
terület)
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz T-s diagramja
•Csökken a nyomás növekedésével a rejtett meleg,
míg végül a pkr≈22MPa nyomáson nullára zsugorodik.
•A két határgörbe között a vízszintesen futó izobárokat
egyenlő szakaszokra osztva és az egymásnak
megfelelő pontokat összekötve adódnak az x=konst.
vonalak, x jelenti a folyadéknak azt a részét, ami már
gőzhalmazállapotba jutott.
•Az alsó határgörbén x=0 a felső határgöbén x=1.
•Az i=konst. vonalak ebben a diagramban már nem
futnak vízszintesen, mert a vízgőz távolról sem
tekinthető ideális gáznak.
x = a keverék gőztartalma.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz T-s diagramja
•A diagramon szereplő nyomás- és hőmérséklet
tartományban a víz vagy vízgőz fojtása i=konst.
hőmérséklet-csökkenéssel jár.
•Az alsó határgörbéről induló fojtás részleges
elpárolgást eredményez.
•A
hőközlések,
hőelvonások,
adiabatikus
reverzibilis (megfordítható) és adiabatikus
irreverzibilis
(nem
megfordítható)
állapotváltozások kezelését illetően az ideális
gázok T-s diagramjánál leírtak alkalmazhatók
értelemszerűen.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz T-s diagramja
•A T-s diagram használata azért nehézkes, mert a
hőterületeket minden alkalommal pontosan le kell
mérni. Ez bonyolultabbá teszi az irreverzibilis
állapotváltozások követését és mindenekelőtt a
gőzturbinákban végbemenő folyamatok számítását.
•A vízgőz termodinamikai jellemzőit ezért i-s
koordináta-rendszerben megadva megalkották a
vízgőz i-s diagramját, mely hasznos segédeszköze
kalorikus szakembereknek.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz i-s diagramja
(Mollier-diagram)
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz i-s diagramja
•A diagramban a határgörbéken kívül a p=konst. T=konst. X=konst.
vonalak szerepelnek.
•A két határgörbe között t=konst. a vonalak egybeesnek a telítési
állapotnak megfelelő nyomásvonalakkal.
•Nagy léptékű diagramokon szerepeltetik a v=konst. vonalakat is.
Ezeknek a gőzturbina méretezésénél van fokozott jelentőségük.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz i-s diagramja
•Az ábrán szaggatott vonallal határolt tartomány az, amit a nagy léptékű
diagramokon szerepeltetnek.
•A folyadéktartomány termodinamikai jellemzőit ugyanakkor gőztáblázatokból
veszik.
•Fontos törvény a vízgőz entrópiai-diagramjainak használatával kapcsolatban,
hogy adiabatikus állapotváltozás esetén a vízgőz entrópiája állandó, s ezért az
adiabatikus állapotváltozást a T-s és i-s diagramban is függőleges egyenesek
ábrázolják.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A vízgőz technológiai alkalmazása
Kombinált ciklusú erőművek
• A kombinált ciklus olyan termodinamikai körfolyamat,
amely több egyszerű körfolyamatból áll.
• A hőerőgépek a tüzelőanyag elégetéséből származó
hőenergiának csak egy részét (általában 50%-nál
kevesebbet) tudják hasznosítani. A hőenergia többi része
veszteségként a környezetet melegíti.
• Két vagy több megfelelően választott körfolyamat, például a
Brayton–Joule-ciklus és a Rankine-ciklus együttműködése
a rendszer összhatásfokát javítja.
• A kombinált ciklusú erőműben egy gázturbina-generátor
egység elektromos áramot termel, a gázturbinából távozó
még meleg gázzal pedig, amely egyébként veszteséget
jelentene, gőzt termelnek, ez gőzturbinát hajt, mely egy
másik generátorral áramot termel.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A Rankine-ciklus T-s diagramja
Nukleáris és gőzturbinás
erőművekben is alkalmazzák.
•1-2 folyamat: A nagynyomású és magas
hőmérsékletű száraz gőz a
gőzturbinában expandál. A gőz
nyomása és hőmérséklete csökken. A
gőz nyomása végül atmoszférikusnál
kisebb lesz (vákuum), a gőz egy része
lecsapódik: nedves gőz lép ki a
turbinából.
•2-3 folyamat: A nedves gőz felületi
kondenzátorba jut és ott állandó
nyomáson lehül és teljes egészében
lecsapódik (folyékony vízzé
kondenzálódik). A gőz nyomását és
hőmérsékletét a kondenzátor
hűtővizének hőmérséklete határozza
meg.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A Rankine-ciklus T-s diagramja
•3-4 folyamat: A tápszivattyú a
munkaközeg nyomását a
frissgőz nyomására emeli és
benyomja a kazánba.
•4-1 folyamat: A kazánban a
nagynyomású víz felforr, gőzzé
változik, majd a kazán túlhevítő
részében túlhevül: túlhevített
száraz gőzzé változik, és a
körfolyamat ismétlődik elölről.
Nukleáris és gőzturbinás
erőművekben is alkalmazzák.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Brayton–Joule-ciklus
Gázturbinás erőművek esetében
alkalmazzák.
A valóságos Brayton-Joule körfolyamat:
•1-2 folyamat: adiabatikus állapotváltozás - kompresszió,
•2-3 folyamat: izobár állapotváltozás - hőközlés,
•3-4 folyamat: adiabatikus állapotváltozás - expanzió,
•4-1 folyamat: izobár állapotváltozás - hőleadás
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Az
entrópia
közben
nem
változik!
A kombinált ciklusú erőmű elvi vázlata és a
gőzturbinás erőmű elvi felépítése
5
Kombinált ciklusú erőmű:
1 - generátorok,
2 - gőzturbina, 3 - kondenzátor,4 - tápszivattyú,
5 - gőzkazán, 6 – gázturbina.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Gőzturbinás erőmű.
A gőz- és a gázturbinás erőmű
energetikai összehasonlítása
K = Kazán, Tgo =Gőzturbina, Tga =
Gázturbina, É = Égéstér, G = Generátor
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
E1 = kötött primer energiaforrás
Q = közölt hőmennyiség
W = munka
E2 = kimenő villamos energia
Nyíregyházi Kombinált Ciklusú Erőmű
• Magyarországon 2007-ben helyezték üzembe a csúcstehnológiájú
Nyíregyházi Kombinált Ciklusú Erőmű Kft. telephelyén az első ilyen hazai
erőművet. Az erőmű 47 MW villamos és 68 MW hőteljesítményt képes
leadni igen kis kén-dioxid és nitrogén-oxid kibocsátás mellett. Az erőmű
hatásfoka 89%.
–
–
–
–
A gázturbina generátorának kapocsteljesítménye maximum 32,7 MW
A gőzturbina generátorának kapocsteljesítménye maximum 22,3 MW
Névleges kiadott teljesítmény 47,1 MW
Maximális hőkiadás 68 MW, ebből
• forróvíz 64 MW
• gőz maximum 60 t/h
• A gázturbina Hitachi gyártmányú 7280 1/min fordulatszámú gép.
• A 17 fokozatú axiális kompresszor 28 bar nyomásra sűríti a levegőt, az
égéstér után a gáz hőmérséklete 1300 C°, amely 3 fokozatú gázturbinát
hajt. A gázturbina generátorát a Siemens készítette.
• A gőzturbina Siemens SST 600 típusú, 9400 1/min fordulatszámú gép,
fogaskerekes reduktoron keresztül hajtja meg az ugyancsak Siemens
gyártmányú generátort.
• A gőzturbina frissgőz-paraméterei: 45 bar/497 C°.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
A Szegedi Gázerőmű működési elve
A sárga nyíllal jelölt
folyamat a vízgőz
körfolyamat.
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Nyitott rendszerű gázturbina elvi vázlata
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Zárt rendszerű gázturbina elvi vázlata
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Szétbontott gőzturbina és járókerekei
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Gázturbina szerkezeti felépítése
Debreceni Egyetem Műszaki Kar
Köszönöm figyelmüket!
Viszont látásra!
Debreceni Egyetem Műszaki Kar