Kontrollfragen Energietechnik - sebastian

Kontrollfragen Energietechnik
1.Grundlagen der Energietechnik
1.1
Energie ist die Fähigkeit des Systems Arbeit zu verrichten oder Energie ist die im System
gespeicherte Arbeit.
Der Satz von der Erhaltung der Energie besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet,
sondern nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden kann. Daraus folgt,
dass die Summe der Energien in einem System konstant bleibt.
1.2
-Mechanisch: Kinetische Energie, Potentielle Energie, Schwingungsenergie, Elastische
Energie, Schallenergie, Wellenenergie
-Thermische und innere Energie
-Elektrische und magnetische Energie
-Bindungsenergie: Chemische Energie, Kernenergie
-Masse (Relativitätstheorie E=mc²)
1.3
Lage -> Bewegungs -> Mechanische -> Elektrische
1.4
Primärenergie bezeichnet die Energie die in der Natur vorkommenden Energieträgern
gespeichert ist, z.B. Rohöl, Erdgas, Kernbrennstoffe, Kohle, Windenergie, Wasserenergie
(Bewegung oder Lage), Geothermie, Sonnenernergie.
Nutzenergie ist die vom Verbraucher genutzte Energieform. Z.B.: Wärme, Kraft, Licht
1.5
Treibhauseffekt, Klimawandel
Kostenersparnis
Längere Nutzungszeit der begrenzten fossilen Brennstoffe
-bessere Dämmung von Wohngebäuden
-Vermeidung unnötiger Warentransporte
-PKW: Leichtbau, effektivere Motoren, Aerodynamik
-Elektrogeräte: geringerer Stand-by Strombedarf
- effektivere Kraftwerke
2. Kraft- und Arbeitsmaschinen
2.1
Kraftmaschinen: Es wird Fluiden Energie entnommen und in Form von mechanischer oder
elektrischer Energie abgegeben. -> Die Maschine „erzeugt“ Energie
Arbeitsmaschinen: Energie wird auf ein Fluid übertragen und dabei wird dessen Energieinhalt
erhöht. -> Die Maschine „verbraucht“ Energie
2.2
Wasser: Wasserturbine – Walchenseekraftwerk, Wasserrad einer Mühle
Dampf: Dampfturbine – HKW Nord
Gas: Gasturbine – Anbau an HKW Süd
2.3
Wirkungsgrad = nutzbare Energie(Leistung) / aufgewendete Energie(Leistung)
WK = Energieabgabe des Generators + ans Netz abgegebenen Wärme / Energie der Kohle,
Gas, Müll
2.4
Pth
Pi
Pe
Qzu
Qzu: zugeführter Wärmestrom
Pth: theoretische Maschinenleistung
Pi: innere Maschinenleistung
Pe: eff. Maschinenleistung
Vth: thermische Verluste
Vi: innere Verluste
Vm mechanische Verluste
Vth
Vi
Vm
2.5
Da bei Wärmekraftmaschinen im Gegensatz zu mechanischen Kraftmaschinen ein
Kreisprozess aufrecht erhalten werden muss, der Aufgrund technischer/physikalischer
Gegebenheiten eine ständige Wärmeabfuhr benötigt die als Verluste in die Bilanz eingehen.
3. Grundlagen der Hydromechanik
3.1
Eine stationäre Strömung ist definiert als eine Strömung die an einem festen Punkt eine
konstante Geschwindigkeit und einen konstanten Volumenstrom hat.
dV/dt=0 und dc/dt=0
Die Konti-Gl gilt nicht für instationäre Strömung, c und A nicht konstant ( V nicht
konstant)
3.2
Messwerte von einem Modell sind auch die Wirklichkeit übertragbar, wenn:
- Die Abmessungen proportional sind (geometrische Ähnlichkeit)
- die Oberflächenbeschaffenheit ähnlich ist
- Kräfte und Geschwindigkeiten sind proportional
Die Reynoldszahl berücksichtigt, dann außerdem noch Geschwindigkeit und Viskosität.
Wenn die Reynoldszahlen von Modell und Wirklichkeit gleich sind, dann lassen sich die
Messergebnisse übertragen.
3.3
Bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit sinkt gleichzeitig der statische Überdruck, bei
erreichen des Dampfdrucks durch diesen Effekt bilden sich Gasblasen in der Flüssigkeit.
Wenn Druck wieder steigt, fallen die Gasblasen zusammen und verursachen durch
implodieren Bauteilschäden.
3.4
Da bei laminarer Strömung die Geschwindigkeit in der Grenzschicht an der Oberfläche 0 ist,
kommt es zu keinerlei Beeinflussung der Strömung durch Oberflächenrauhigkeiten (bei
technisch „normalen“ Oberflächenrauhigkeiten).
Die Verlusthöhe hängt ab von: Länge der Leitung, Durchmesser der Leitung, Volumenstrom
und Reynoldszahl.
λ hängt nur von der Reynoldszahl ab.
3.5
Die maximale Saughöhe ist durch den Umgebungsdruck und die anzusaugende Flüssigkeit
definiert. Wasser ca. 10m
Reduzierung dieser Größe durch: Rohrreibungsverluste, verdampfen der Flüssigkeit bei sehr
niedrigen Drücken
3.6
Turbine 450m, Pumpe 550m
3.7
Geschwindigkeit bleibt konstant, statischer Druck sinkt
3.8
Der eintretende Impuls wirkt in Strömungsrichtung.
Der austretende Impuls wirkt gegen die Strömungsrichtung.
Die resultierende Kraft tritt in Richtung der eintretenden Strömungsrichtung auf
Skizze
4. Wasserkraftwerke und Wasserkraftmaschinen
4.1
Große Höhen: Pelton-Turbine
Mittlere Höhen: Francis-Turbine
Kleine Höhen: Kaplan-Turbine
Da die Fallhöhe proportional zur Geschwindigkeit vor der Turbine ist (V = Wurzel aus
g*rho*h) und die Energie des Wasser „Masse mal Geschwindigkeit“ ist, muss um bei
geringeren Fallhöhen = geringere Geschwindigkeit der Massenstrom größer sein um die selbe
Leistung zu erbringen. Mehr Massenstrom = mehr Volumenstrom = größer Bauform.
4.2
Reaktionsturbine(Kaplan, Francis):
Skizze S. 24
Verluste Laufrad
Verluste Leitapparat
Austrittsverluste
Von Turbine abgegeben
4.3
Pelton: Geschwindigkeit: Nettohöhe = Geschwindigkeit² / 2*g
Francis+Kaplan: Geschwindigkeit, Druck
Nettohöhe = Geschwindigkeit² / 2*g + Druckenergie vor Laufrad / g * ρ
4.4
Die unterschiedlichen Fallhöhen (Nettohöhen)
Je größer Fallhöhe desto kleiner Laufrad
Je kleiner Fallhöhe desto größer Laufrad
4.5
Durch den Volumenstrom wir die Leistung geregelt.
Francis: Winkelverstellung der Schaufeln des Leitapparats möglich, nicht aber die Verstellung
des Laufrades
Kaplan-T.: Einstellung von Leitrad und Laufrad
4.6
Durch Veränderung des Düsenquerschnittes wird der Volumenstrom und damit die Leistung
geregelt. Dabei treten in einem weiten Bereich (30-100%) keine nennenswerten Verluste auf.
Bei verlassen diesen Bereiches sinkt durch Strömungsverluste die Austrittsgeschwindigkeit
zusätzlich ab und die Verluste steigen stark an. Anstellwinkel wird nicht verändert, er wird
einmalig optimal eingestellt.
4.7
Das Saugrohr bewirkt im Vergleich zu dem Zustand ohne Saugrohr einen geringern statischen
Druck hinter der Turbine. Daraus folgt eine größere Druckdifferenz gegenüber Normaldruck.
Effekte: Reduzierung der Austrittsverluste und Ausgleich der Fehlhöhe.
4.8
Durch den Unterdruck den das Saugrohr erzeugt wird die Fehlhöhe teilweise ausgeglichen.
Die Druckdifferenz zwischen Turbinen Ein- und Ausgang steigt an und der Turbine wird eine
größere Fallhöhe „vorgetäuscht“.
4.9
Spitzenlastabdeckung. Da die Spitzenlasten nur an wenigen Stunden (relativ gesehen) im Jahr
vorhanden sind, reicht es aus, wenn zu diesen Zeiten die Speicherkraftwerke zur Verfügung
stehen.
4.10
Es treten beim Pumpen und bei dem Turbinenbetrieb immer Verluste auf.
Generator, Rohrreibung, in der Turbine, Pumpe, Verdampfung und Versickerung
4.11
Pelton Turbine
Mehrstufige Kreiselpumpe notwendig.
Einstufige Kreiselpumpe würde Höhe nicht erreichen. Peltonturbine kann nicht Pumpen.
1000m Gefälle => 100 bar
Kreiselpumpe schafft 20 bar => 5-stufige Kreiselpumpe
4.12
Gesonderte Kreiselpumpe ist nötig, wenn Gefälle > 200m, denn Francisturbine schafft nur
200m. Bei größerer Höhe Kreiselpumpen erforderlich.
5. Kreiselpumpen
5.1
10m
Reduzierung durch Rohrreibungsverluste, Verdampfen der Flüssigkeit bei niedrigem Druck
5.2
Kolbenpumpe
5.3
Radreibungsverluste
Rückströmverluste
Mechanische
Verluste
Hydraulische
Verluste
An Flüssigkeit abgegeben
Pa = max. Leistung
Pi = Pa * ηm = Innere Leistung = max. Leistung * mechanischer Wirkungsgrad
Pi – Pr = Pa * ηm – Pr = Innere Leistung – Radreibungsverluste
(Pa * ηm - Pr) * ηl = Minus der Rückströmverluste
Pe = (Pa * ηm - Pr) * ηl * ηh
5.4
Pumpe waagrecht eingebaut um keine Höhendifferenzen zu verursachen.
1. Einstellen der gewünschten Drehzahl
2. Variation von Δ p
3. Messung von Volumenstrom und Antriebsleistung
Aus der Druckdifferenz wird die Förderhöhe bei dem gemessenen Volumenstrom berechnet
und der Wirkungsgrad wird aus dem Volumenstrom, Förderhöhe, Dichte der Flüssigkeit,
Erdbeschleunigung und der Antriebsleistung berechnet.
5.5
Formelsammlung. Volumenstrom zu Drehzahl linear. Höhenverhältnis zu Drehzahl
quadratisch (H/H0) = (n/n0)²; (V/V0) = (n/n0)
5.6
(V/V0) = (D/D0); (Hges/Hges0) = (D/D0)²
5.7
Drosselung durch Ventil: einfach, relativ hohe Verluste
Änderung des Durchmesser des Laufrades: aufwendig, günstig für Energieverbrauch,
Irreversibel, hoher Wirkungsgrad
Veränderung der Drehzahl: stufenlos, hoher Wirkungsgrad
5.8
Nein, die Förderhöhe ist auch noch für den Energieverbrauch entscheidend.
5.9
Auf den Schnittpunkt Rohrleitungskennlinie mit Pumpenkennlinie so, dass der Schnittpunkt
im Betriebspunkt ist. Dort ist der Wirkungsgrad am höchsten.
5.10
Drosselung durch Ventil, Verringerung der Drehzahl, Verringerung des Laufraddurchmessers
-> Verringerung des Laufraddurchmessers, Verringerung der Drehzahl (höherer
Wirkungsgrad)
6. Grundlagen der Thermodynamik
6.1
In einem geschlossenen System ist kein Stoffaustausch möglich, in einem offenen jedoch
schon. Energieaustausch ist in beiden möglich.
Offen: Gasturbine
Geschlossen: Otto-Motor (idealisiert)
Im adiabaten System ist kein Energieaustausch möglich.
6.2
Temperatur (= innere Energie) steigt an.
6.3
Adiabat: wi12 = h2 - h1 (q12 = 0, kein Wärmeaustausch)
Isobare: q12 = h2 – h1 (wi12 = 0, Druck bleibt gleich => keine Arbeit möglich)
6.4
Die Isentrope ist ein Sonderfall der Adiabaten für den gilt, dass keine Entropieänderung
stattfindet.
6.5
Durch mindestens 3 Zustandsänderungen hintereinander, die sich fortlaufend wiederholen.
Wobei mindestens einer der 3 Größen Druck, Temperatur, Volumen sich ändern muss.
Mindestens einmal Wärme zugeführt einmal abgeführt werden.
6.6
Wirkungsgrad = (qzu – qab) / q zu = wt / qzu
Er besagt das Verhältnis zwischen der genutzten Arbeit wt und der zugeführten Energie qzu
und somit wie „effektiv“ ein System arbeitet.
6.7
Reversibel => s = konst
Irreverisbel => s nimmt zu
Adiabates System => Entropieabnahmen nicht möglich
6.8
Fläche p, v: zu-/abgeführte Arbeit
Fläche T, s: zu-/abgeführte Wärme
Bezug im Kreisprozess: Nutzarbeit und Nutzwärme sind gleich
6.9 ??
Die Enthalpie Differenzen
Adiabat: wt technische Arbeit (abgeführte Arbeit)
Isobar: qzu, qab
__________________________________________________________________
7. Wärmekraftwerke und Wärmekraftmaschinen
7.1
Erhöhung des Druckes
Zwischenüberhitztung
Kondensation bei niedrigen Drücken
Speisewasservorwärmung
7.2
Max (1250°C): Bauteilbelastbarkeit
Min (20°C): Kühlwassertemperatur, (Energieeffizienz, bei evtl. Kühlung)
7.3
Gleichdruckturbine: Kein Druckabbau in der Turbine => keine Axialkräfte
Überdruckturbine: Druckabbau in der Turbine -> würde zu hohen Schubkräften zwischen
Laufrad und Welle führen => Trommelläufer
7.4
Der thermische Wirkungsgrad bleibt gleich, da sich die technische Arbeit nicht verändert
Der gesamte Wirkungsgrad steigt und erreicht theoretisch 1, da die gesamte Energie genutzt
wird und keine Verluste auftreten
7.5
Spitzenlastabdeckung
Kombi-KW
7.6
Die Gasturbine wird konventionell betrieben, jedoch wird der Abgasstrom der Turbine
benützt um Wasserdampf zu erzeugen der anschließen in einer Dampfturbine zusätzlich zur
Stromerzeugung benützt wird.
Vorteil: höherer Wirkungsgrad
7.7
Je größer TE, desto größer ηth, aber TE ist durch Werkstoffeigenschaften begrenzt
Außerdem muss Austrittstemperatur gesenkt werden.
??Um optimalen ηth zu erreichen muss das Druckverhältnis p2/p1 angepasst werden.??
So dass p2/p1 nahe 1 wird.
7.8
ηth steigt mit steigendem Druckverhältnis und geht gegen 1
7.9
ηges = 0,4 + 0,8*0,6 = 0,88
7.10
Höheres Verdichtungsverhältnis beim Diesel-Prozess (ε = 12-24) möglich => weniger
Spritverbrauch => besser Wirkungsgrad
7.11
unvollständige Verbrennung
Wärmeverluste durch Kühlung
kein konstanter Druckverlauf
Strömungsverluste
Kreisprozessverlauf mit „abgerundeten Ecken“ -> kleiner Fläche von Wt
7.12
Der Diesel-Motor hat im Hubraum mehr Luft als er minimal zur Verbrennung benötigt.
λ > 1 bei Diesel
λ < 1 bei Otto
7.13
Durch Aufladung => Liefergrad steigt => mehr Luft zur Verbrennung im Zylinder
Hubraum vergrößern => VH größer
Drehzahl erhöhen
8. Wärmepumpen
8.1
Verdampfer
Qzu
Kondensator
Qzu + P = Qab
Qab
Wärmequelle
Wärmesenke
P
Kältemittelverdichter
8.2
Es wird nur der Primärenergiestrom in der Energiebilanz als Aufwand berücksichtig. Der
Primärenergiestrom ist für den Antrieb der Wärmepumpe verantwortlich. Die abgegebene
Wärme ist größer als die aufgenommene Pumpenleistung.
Qzu + P = Qab => Qab > P => Nutzen > Aufwand
8.3
Wärmepumpe: ε = qab / wt = abgegebener Wärmestrom/zugeführte Arbeit
Kältemaschine: ε = qzu / wt = aufgenommener Wärmestrom / zugeführte Arbeit
8.4
Verluste 2/3 => η = 0,33
ηP = ε * η = 3 * 0,33 = 0,99
 Wärmepumpe günstiger
ηH = 0,9
8.5
Verbrennungsmotor: ηM = ε * ηm * 0,46
E-Motor: ηPEM = ε * ηm * (1-0,54) = ε * ηm * 0,46
=> beide gleich
Steigerung durch Nutzung der Abwärme für Heizzwecke oder Wärmepumpe
8.6
Wärmesenke Qc, Tc
Kondensator
Pe = Pa
Verbrennungsmotor
Kältemittelverdichter
Qzu
Verdichter
Wärmequelle Qo, To
Leistungsbilanz: Qc + QabMotor = Qo + E * ηth
Pv