Dampfkraftprozesse, 09.06.2008

Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten, TU-Dresden
Seminar „Thermische
Abfallbehandlung“
- Veranstaltung 4 Dampfkraftprozesse
Dresden, 09. Juni 2008
Dipl.- Ing. Christoph Wünsch,
Prof. Dr.- Ing. habil. Dr. h.c. Bernd Bilitewski
Inhalt
1.
Primärenergie-Umwandlungsverfahren
2.
Wirkungsweise eines Dampferzeugers
2.1. Naturumlauf
3.
1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik
3.1. Anergie und Exergie
3.2. Thermodynamische Zustandsgrößen
4.
Verdampfen von Flüssigkeiten
4.1. T, S - Diagramm von Wasserdampf
5.
4.2. H, S - Diagramm von Wasserdampf
Clausius - Rankine - Prozess
5.1. Berechnungsbeispiel (ideal)
5.2. Wasserdampftafeln
6.
Turbinenwirkungsgrad
7.
Vergleich - idealer, realer Dampfkraftprozess
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Christoph Wünsch
Folie 2 von 43
Primärenergie-Umwandlungsverfahren
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Folie 3 von 43
Primärenergie-Umwandlungsverfahren
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Folie 4 von 43
Wirkungsweise eines Dampferzeugers
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Folie 5 von 43
Wirkungsweise eines Dampferzeugers
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Folie 6 von 43
Wirkungsweise eines Dampferzeugers
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Folie 7 von 43
Schema eines Dampfkraftwerkes
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Folie 8 von 43
Naturumlauf
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Folie 9 von 43
Naturumlauf
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Folie 10 von 43
1. Und 2. Hauptsatz der Thermodynamik
1.
Hauptsatz der Thermodynamik:
Energieerhaltungssatz:
Die Energie eines abgeschlossenen
Systems bleibt unverändert.
Verschiedene Energieformen können sich demnach ineinander
umwandeln, aber Energie kann weder aus dem Nichts erzeugt noch
kann sie vernichtet werden.
Deshalb ist ein Perpetuum Mobile erster Art unmöglich (kein System
verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform und/oder
ohne Verringerung seiner inneren Energie)
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Folie 11 von 43
1. Und 2. Hauptsatz der Thermodynamik
2.
Hauptsatz der Thermodynamik:
Es ist nicht jede Energieform in beliebig andere Energieformen
umwandelbar.
Arbeit, andere mechanische Energieformen und elektrische Energie
lassen sich ohne Einschränkung vollständig in innere Energie oder
Wärme umwandeln. Innere Energie oder Wärme ist hingegen
niemals vollständig in Arbeit, mechanische oder elektrische Energie
umwandelbar.
Prinzip der Irreversibilität (Nichtumkehrbarkeit) von
Prozessen
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Folie 12 von 43
Anergie und Exergie
Energie ist Exergie und Anergie
Jede Energie besteht aus Exergie und Anergie, Wobei einer der beiden
Anteile auch Null sein kann. Bei allen Prozessen bleibt die Summe aus
Exergie und Anergie konstant.
Exergie ist Energie, die sich unter Mitwirkung einer vorgegebenen
Umgebung in jede andere Energieform umwandeln lässt.
Anergie ist Energie, die sich nicht in Exergie umwandeln lässt.
I.
II.
III.
Bei allen irreversiblen Prozessen verwandelt sich Exergie in Anergie
Nur bei reversiblen Prozessen bleibt die Exergie konstant
Es ist unmöglich, Anergie in Exergie zu verwandeln
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Folie 13 von 43
Thermodynamische Zustandsgrößen
Temperatur:
In der Thermodynamik wird die Temperatur T als
Basisgröße eingeführt. Die Maßeinheit ist Kelvin [K]:
1 K ist der 273,14te Teil der thermodynamischen
Temperatur des Tripelpunktes von Wasser
Druck:
Unter Druck versteht man die Normalkraft, bezogen auf
eine Flächeneinheit
Innere Energie: Wird einem System Energie in Form von Wärme oder
Arbeit zugeführt, dann erhöht sich seine innere
Energie
Für das ideale Gas gilt: U2 - U1 = m × cV× (T2 -T1)
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Folie 14 von 43
Thermodynamische Zustandsgrößen
Enthalpie
Die Enthalpie ist eine aus der inneren Energie U, dem
Druck p und dem Volumen V abgeleitet energetische
Zustandsgröße:
H=U+p×V
Für technische Berechnungen und Untersuchungen ist
die Enthalpie meist besser geeignet als die innere
Energie. Deshalb ist in verschiedenen Tafelwerken
häufiger die spezifische Enthalpie als die spezifische
innere Energie zu finden.
Für das ideale Gas gilt:
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H2 - H1 = m × cp × (T2 -T1)
Folie 15 von 43
Thermodynamische Zustandsgrößen
Entropie
Da die zugeführte Wärme keine Zustandsgröße ist,
wird eine ihr entsprechende Zustandsgröße, die Entropie
S, eingeführt.
Die Definitionsgleichung in differentieller Form lautet:
dS= dQ/ T = (dU + p × dV) / T = (dH - V × dp) / T
Für das ideale Gas kann dann durch Integration ermittelt werden:
S2 - S1 = m × cV × ln (T2/T1) + m × Rr × ln (V2/V1)
S2 - S1 = m × cp × ln (T2/T1) - m × Rr × ln (p2/p1)
S2 - S1 = m × cV × ln (p2/p1) + m × cp × ln (V2/V1)
Bei einem adiabatischen reversiblen Prozess ändert sich die Entropie wegen
dQ= 0 nicht.
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Folie 16 von 43
Verdampfen von Flüssigkeiten
-
Beispiel: offenes System (Dampferzeuger) bei konstantem Druck (isobare Verdampfung)
Zu jeder bestimmten Temperatur gehört ein bestimmter Druck
Dampfdruck
(Sättigungsdruck)
Druck muss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger
Übergang von Flüssig- in Gasphase
a
b
c
d
p = const
a)
e
- durch Kolben abgeschlossenes
System
m
- homogenes System flüssige
Phase
m
m
t<ts
m
m
ts
ts
Flüssigkeit
- konstanter Druck durch
Gewicht, m
t>ts
ts
- Zufuhr eines konstanten
Wärmestroms
- Erwärmung der Flüssigkeit
Erwärmen der
Flüssigkeit
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Verdampfen
Überhitzen
des Dampfes
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Folie 17 von 43
Verdampfen von Flüssigkeiten
-
Beispiel: offenes System (Dampferzeuger) bei konstantem Druck (isobare Verdampfung)
Zu jeder bestimmten Temperatur gehört ein bestimmter Druck
Dampfdruck
(Sättigungsdruck)
Druck muss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger
Übergang von Flüssig- in Gasphase
a
b
c
d
p = const
b)
e
- Erreichen der Siedetemperatur
(Dampfdruckkurve wird erreicht)
m
- Volumenvergrößerung
durch Temperaturerhöhung
m
m
m
m
Flüssigkeit
- Wärmezufuhr weiter konstant
- Verdampfung beginnt
t<ts
ts
Erwärmen der
Flüssigkeit
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ts
ts
Verdampfen
t>ts
Überhitzen
des Dampfes
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Folie 18 von 43
Verdampfen von Flüssigkeiten
-
Beispiel: offenes System (Dampferzeuger) bei konstantem Druck (isobare Verdampfung)
Zu jeder bestimmten Temperatur gehört ein bestimmter Druck
Dampfdruck
(Sättigungsdruck)
Druck muss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger
Übergang von Flüssig- in Gasphase
a
b
c
d
p = const
c)
e
- Wasser und Dampf liegen
im thermodynamischen
Gleichgewicht vor
m
m
t<ts
ts
- Temperatur bleibt konstant
m
m
m
ts
Nassdampf
- Verdampfung
ts
t>ts
- Sattdampferzeugung,
Nassdampf (im Dampf ist
noch Wasser vorhanden,)
- heterogenes System
Erwärmen der
Flüssigkeit
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Verdampfen
Überhitzen
des Dampfes
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Folie 19 von 43
Verdampfen von Flüssigkeiten
-
Beispiel: offenes System (Dampferzeuger) bei konstantem Druck (isobare Verdampfung)
Zu jeder bestimmten Temperatur gehört ein bestimmter Druck
Dampfdruck
(Sättigungsdruck)
Druck muss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger
Übergang von Flüssig- in Gasphase
a
b
c
d
p = const
d)
e
- Verdampfung vollständig
abgeschlossen
m
- Sattdampf, trockengesättigter
Dampf
m
m
m
m
Sattdampf
- homogenes System
- beträchtlich Volumenzunahme
t<ts
ts
Erwärmen der
Flüssigkeit
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ts
ts
Verdampfen
t>ts
- Temperatur konstant
Überhitzen
des Dampfes
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Folie 20 von 43
Verdampfen von Flüssigkeiten
-
Beispiel: offenes System (Dampferzeuger) bei konstantem Druck (isobare Verdampfung)
Zu jeder bestimmten Temperatur gehört ein bestimmter Druck
Dampfdruck
(Sättigungsdruck)
Druck muss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger
Übergang von Flüssig- in Gasphase
a
b
c
d
p = const
e)
e
- Temperaturanstieg und
Volumenvergrößerung des
Dampfes
m
m
t<ts
ts
Erwärmen der
Flüssigkeit
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- Heißdampf, überhitzter Dampf
m
m
m
ts
ts
Verdampfen
Heißdampf
t>ts
Überhitzen
des Dampfes
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Folie 21 von 43
Wasserdampftafel, Sättigungszustand
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Folie 22 von 43
T, Q – Diagramm von Wasser
Zustandsverlauf von Wasser im T-Q-Diagramm für 1 kg Wasser bei 1 bar
- spezifisches Volumen
von gesättigten Dampf
ist bei 1 bar 1625 mal
größer als das
spezifische Volumen
der siedenden
Flüssigkeit
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Folie 23 von 43
h,T – Diagramm von Wasser beim Verdampfen
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Folie 24 von 43
T, S - Diagramm von Wasserdampf
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Folie 25 von 43
H, S – Diagramm von Wasserdampf
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Folie 26 von 43
H, S – Diagramm von Wasserdampf
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Folie 27 von 43
Clausius - Rankine - Prozess
1..2 isentrope (d.h. ohne
Entropiezunahme)
Druckerhöhung in der Pumpe
2..3 isobare Wärmezufuhr im
Dampferzeuger (Erwärmung
bis zum Siedepunkt)
3..4 isobare Wärmezufuhr im
Dampferzeuger zur Verdampfung
4..5 isobare Wärmezufuhr zur
Überhitzung des Dampfes
5..6 isentrope Entspannung des
Dampfes in der Turbine
6..1 isobare Wärmeabfuhr zur
Kondensation des Dampfes im
Kondensator
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Christoph Wünsch
Folie 28 von 43
Dampferzeuger
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Folie 29 von 43
Clausius - Rankine - Prozess
1..2 isentrope (d.h. ohne
Entropiezunahme)
Druckerhöhung in der Pumpe
2..3 isobare Wärmezufuhr im
Dampferzeuger (Erwärmung
bis zum Siedepunkt)
3..4 isobare Wärmezufuhr im
Dampferzeuger zur Verdampfung
4..5 isobare Wärmezufuhr zur
Überhitzung des Dampfes
5..6 isentrope Entspannung des
Dampfes in der Turbine
6..1 isobare Wärmeabfuhr zur
Kondensation des Dampfes im
Kondensator
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Christoph Wünsch
Folie 30 von 43
Turbine
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Christoph Wünsch
Folie 31 von 43
Clausius - Rankine - Prozess
1..2 isentrope (d.h. ohne
Entropiezunahme)
Druckerhöhung in der Pumpe
2..3 isobare Wärmezufuhr im
Dampferzeuger (Erwärmung
bis zum Siedepunkt)
3..4 isobare Wärmezufuhr im
Dampferzeuger zur Verdampfung
4..5 isobare Wärmezufuhr zur
Überhitzung des Dampfes
5..6 isentrope Entspannung des
Dampfes in der Turbine
6..1 isobare Wärmeabfuhr zur
Kondensation des Dampfes im
Kondensator
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Folie 32 von 43
Luftkondensator – LuKo
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Christoph Wünsch
Folie 33 von 43
Clausius - Rankine - Prozess
1..2 isentrope (d.h. ohne
Entropiezunahme)
Druckerhöhung in der Pumpe
2..3 isobare Wärmezufuhr im
Dampferzeuger (Erwärmung
bis zum Siedepunkt)
3..4 isobare Wärmezufuhr im
Dampferzeuger zur Verdampfung
4..5 isobare Wärmezufuhr zur
Überhitzung des Dampfes
5..6 isentrope Entspannung des
Dampfes in der Turbine
6..1 isobare Wärmeabfuhr zur
Kondensation des Dampfes im
Kondensator
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Christoph Wünsch
Folie 34 von 43
Clausius - Rankine - Prozess
1..2 isentrope (d.h. ohne
Entropiezunahme)
Druckerhöhung in der Pumpe
2..3 isobare Wärmezufuhr im
Dampferzeuger (Erwärmung
bis zum Siedepunkt, Verdampfung,
Überhitzung)
3..4 isentrope Entspannung des
Dampfes in der Turbine
4..1 isobare Wärmeabfuhr zur
Kondensation des Dampfes im
Kondensator
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Christoph Wünsch
Folie 35 von 43
Clausius - Rankine - Prozess
Wcir
(h3-h4)-(h2-h1)
ηth =
=
Qzu
(h3-h2)
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h4-h1
= 1h3-h2
Christoph Wünsch
Folie 36 von 43
Berechnungsbeispiel (ideal)
Im linken Diagramm wird Dampf mit 20 bar und
350°C erzeugt. In der Dampfkraftanlage wird der
Dampf bis 1,1 bar entspannt.
Zu bestimmen ist der thermische Wirkungsgrad
des Kreisprozesses.
h3 = 3138,6 kJ/kg (Wasserdampftafel, überhitzter
Dampf bei 20 bar, 350°C)
h4 = 2550 kJ/kg (h, S-Diagramm bei isentroper
Expansion)
h1 = 428,84 kJ/kg (Wasserdampftafel,
Sättigungszustand bei1,1 bar)
h2 = h1 + v (p1 – p0) mit v = 0,0010455 m3/kg
= 430,81 kJ
kg
kJ
kJ
2550
- 428,84 kg
kg
ηth =
kJ
kJ
3138,6
- 430,81
kg
kg
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Christoph Wünsch
= 0,217 = 21,7 %
Folie 37 von 43
Berechnungsbeispiel (ideal)
Im linken Diagramm wird Dampf mit 20 bar und
350°C erzeugt. In der Dampfkraftanlage wird der
Dampf bis 1,1 bar entspannt.
Zu bestimmen ist der thermische Wirkungsgrad
des Kreisprozesses.
h3 = 3138,6 kJ/kg (Wasserdampftafel, überhitzter
Dampf bei 20 bar, 350°C)
h4 = 2550 kJ/kg (h, S-Diagramm bei isentroper
Expansion)
h1 = 428,84 kJ/kg (Wasserdampftafel,
Sättigungszustand bei1,1 bar)
h2 = h1 + v (p1 – p0) mit v = 0,0010455 m3/kg
= 430,81 kJ
kg
kJ
kJ
2550
- 428,84 kg
kg
ηth =
kJ
kJ
3138,6
- 430,81
kg
kg
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= 0,217 = 21,7 %
Folie 38 von 43
Wasserdampftafel, Sättigungszustand
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Folie 39 von 43
Wasserdampftafel, überhitzter Dampf
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Folie 40 von 43
Turbinenwirkungsgrad
hEin – hreal
ηi =
hEin – hisentrop
3214 kJ - 2476 kJ
kg
kg
=
3214 kJ - 2230 kJ
kg
kg
= 0,75
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Folie 41 von 43
Turbinenwirkungsgrade
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Folie 42 von 43
Vergleich - idealer, realer Dampfkraftprozess
idealer Dampfkraftprozess
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realer Dampfkraftprozess
Christoph Wünsch
Folie 43 von 43