Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten, TU-Dresden Seminar Thermische Abfallbehandlung - Veranstaltung 4 - Dampfkraftprozesse

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1 Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten, TU-Dresden Seinar Therische Abfallbehandlung - Veranstaltung 4 - Dapfkraftprozesse Dresden, 09. Juni 2008 Dipl.- Ing. Christoph Wünsch, Prof. Dr.- Ing. habil. Dr. h.c. Bernd Bilitewski

2 Inhalt 1. Priärenergie-Uwandlungsverfahren 2. Wirkungsweise eines Dapferzeugers 2.1. Naturulauf und 2. Hauptsatz der Therodynaik 3.1. Anergie und Exergie 3.2. Therodynaische Zustandsgrößen 4. Verdapfen von Flüssigkeiten 4.1. T, S - Diagra von Wasserdapf 4.2. H, S - Diagra von Wasserdapf 5. Clausius - Rankine - Prozess 5.1. Berechnungsbeispiel (ideal) 5.2. Wasserdapftafeln 6. Turbinenwirkungsgrad 7. Vergleich - idealer, realer Dapfkraftprozess Folie 2 von 43

3 Priärenergie-Uwandlungsverfahren Folie 3 von 43

4 Priärenergie-Uwandlungsverfahren Folie 4 von 43

5 Wirkungsweise eines Dapferzeugers Folie 5 von 43

6 Wirkungsweise eines Dapferzeugers Folie 6 von 43

7 Wirkungsweise eines Dapferzeugers Folie 7 von 43

8 Schea eines Dapfkraftwerkes Folie 8 von 43

9 Naturulauf Folie 9 von 43

10 Naturulauf Folie 10 von 43

11 1. Und 2. Hauptsatz der Therodynaik 1. Hauptsatz der Therodynaik: Energieerhaltungssatz: Die Energie eines abgeschlossenen Systes bleibt unverändert. Verschiedene Energieforen können sich denach ineinander uwandeln, aber Energie kann weder aus de Nichts erzeugt noch kann sie vernichtet werden. Deshalb ist ein Perpetuu Mobile erster Art unöglich (kein Syste verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energiefor und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie) Folie 11 von 43

12 1. Und 2. Hauptsatz der Therodynaik 2. Hauptsatz der Therodynaik: Es ist nicht jede Energiefor in beliebig andere Energieforen uwandelbar. Arbeit, andere echanische Energieforen und elektrische Energie lassen sich ohne Einschränkung vollständig in innere Energie oder Wäre uwandeln. Innere Energie oder Wäre ist hingegen nieals vollständig in Arbeit, echanische oder elektrische Energie uwandelbar. Prinzip der Irreversibilität (Nichtukehrbarkeit) von Prozessen Folie 12 von 43

13 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 Sue aus Exergie und Anergie konstant. Exergie ist Energie, die sich unter Mitwirkung einer vorgegebenen Ugebung in jede andere Energiefor uwandeln lässt. Anergie ist Energie, die sich nicht in Exergie uwandeln lässt. I. Bei allen irreversiblen Prozessen verwandelt sich Exergie in Anergie II. Nur bei reversiblen Prozessen bleibt die Exergie konstant III. Es ist unöglich, Anergie in Exergie zu verwandeln Folie 13 von 43

14 Therodynaische Zustandsgrößen Teperatur: Druck: In der Therodynaik wird die Teperatur T als Basisgröße eingeführt. Die Maßeinheit ist Kelvin [K]: 1 K ist der 273,14te Teil der therodynaischen Teperatur des Tripelpunktes von Wasser Unter Druck versteht an die Noralkraft, bezogen auf eine Flächeneinheit Innere Energie: Wird eine Syste Energie in For von Wäre oder Arbeit zugeführt, dann erhöht sich seine innere Energie Für das ideale Gas gilt: U 2 -U 1 = c V (T 2 -T 1 ) Folie 14 von 43

15 Therodynaische Zustandsgrößen Enthalpie Die Enthalpie ist eine aus der inneren Energie U, de Druck p und de Voluen V abgeleitet energetische Zustandsgröße: H = U + p V Für technische Berechnungen und Untersuchungen ist die Enthalpie eist 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: H 2 -H 1 = c p (T 2 -T 1 ) Folie 15 von 43

16 Therodynaische Zustandsgrößen Entropie Da die zugeführte Wäre keine Zustandsgröße ist, wird eine ihr entsprechende Zustandsgröße, die Entropie S, eingeführt. Die Definitionsgleichung in differentieller For lautet: ds= dq/ T = (du + p dv) / T = (dh - V dp) / T Für das ideale Gas kann dann durch Integration erittelt werden: S 2 -S 1 = c V ln(t 2 /T 1 ) + Rr ln (V 2 /V 1 ) S 2 -S 1 = c p ln(t 2 /T 1 ) - Rr ln (p 2 /p 1 ) S 2 -S 1 = c V ln(p 2 /p 1 ) + c p ln(v 2 /V 1 ) Bei eine adiabatischen reversiblen Prozess ändert sich die Entropie wegen dq= 0 nicht. Folie 16 von 43

17 Verdapfen von Flüssigkeiten - Beispiel: offenes Syste (Dapferzeuger) bei konstante Druck (isobare Verdapfung) - Zu jeder bestiten Teperatur gehört ein bestiter Druck Dapfdruck (Sättigungsdruck) - Druck uss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger Übergang von Flüssig- in Gasphase a b c d e a) Flüssigkeit p = const - durch Kolben abgeschlossenes Syste - hoogenes Syste flüssige Phase - konstanter Druck durch Gewicht, t<t s t s t s t s t>t s - Zufuhr eines konstanten Wärestros - Erwärung der Flüssigkeit Erwären der Flüssigkeit Verdapfen Überhitzen des Dapfes Folie 17 von 43

18 Verdapfen von Flüssigkeiten - Beispiel: offenes Syste (Dapferzeuger) bei konstante Druck (isobare Verdapfung) - Zu jeder bestiten Teperatur gehört ein bestiter Druck Dapfdruck (Sättigungsdruck) - Druck uss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger Übergang von Flüssig- in Gasphase a b c d e b) Flüssigkeit p = const - Erreichen der Siedeteperatur (Dapfdruckkurve wird erreicht) - Voluenvergrößerung durch Teperaturerhöhung - Wärezufuhr weiter konstant - Verdapfung beginnt t<t s t s t s t s t>t s Erwären der Flüssigkeit Verdapfen Überhitzen des Dapfes Folie 18 von 43

19 Verdapfen von Flüssigkeiten - Beispiel: offenes Syste (Dapferzeuger) bei konstante Druck (isobare Verdapfung) - Zu jeder bestiten Teperatur gehört ein bestiter Druck Dapfdruck (Sättigungsdruck) - Druck uss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger Übergang von Flüssig- in Gasphase a b c d e p = const t<t s t s t s t s t>t s c) Nassdapf - Wasser und Dapf liegen i therodynaischen Gleichgewicht vor - Teperatur bleibt konstant - Verdapfung - Sattdapferzeugung, Nassdapf (i Dapf ist noch Wasser vorhanden,) - heterogenes Syste Erwären der Flüssigkeit Verdapfen Überhitzen des Dapfes Folie 19 von 43

20 Verdapfen von Flüssigkeiten - Beispiel: offenes Syste (Dapferzeuger) bei konstante Druck (isobare Verdapfung) - Zu jeder bestiten Teperatur gehört ein bestiter Druck Dapfdruck (Sättigungsdruck) - Druck uss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger Übergang von Flüssig- in Gasphase a b c d e d) Sattdapf p = const - Verdapfung vollständig abgeschlossen - Sattdapf, trockengesättigter Dapf - hoogenes Syste - beträchtlich Voluenzunahe t<t s t s t s t s t>t s - Teperatur konstant Erwären der Flüssigkeit Verdapfen Überhitzen des Dapfes Folie 20 von 43

21 Verdapfen von Flüssigkeiten - Beispiel: offenes Syste (Dapferzeuger) bei konstante Druck (isobare Verdapfung) - Zu jeder bestiten Teperatur gehört ein bestiter Druck Dapfdruck (Sättigungsdruck) - Druck uss zwischen Tripelpunkt und kritischen Punkt liegen, oberhalb erfolgt stetiger Übergang von Flüssig- in Gasphase a b c d e e) Heißdapf p = const - Teperaturanstieg und Voluenvergrößerung des Dapfes - Heißdapf, überhitzter Dapf t<t s t s t s t s t>t s Erwären der Flüssigkeit Verdapfen Überhitzen des Dapfes Folie 21 von 43

22 Wasserdapftafel, Sättigungszustand Folie 22 von 43

23 T, Q Diagra von Wasser Zustandsverlauf von Wasser i T-Q-Diagra für 1 kg Wasser bei 1 bar - spezifisches Voluen von gesättigten Dapf ist bei 1 bar 1625 al größer als das spezifische Voluen der siedenden Flüssigkeit Folie 23 von 43

24 h,t Diagra von Wasser bei Verdapfen Folie 24 von 43

25 T, S - Diagra von Wasserdapf Folie 25 von 43

26 H, S Diagra von Wasserdapf Folie 26 von 43

27 H, S Diagra von Wasserdapf Folie 27 von 43

28 Clausius - Rankine - Prozess 1..2 isentrope (d.h. ohne Entropiezunahe) Druckerhöhung in der Pupe 2..3 isobare Wärezufuhr i Dapferzeuger (Erwärung bis zu Siedepunkt) 3..4 isobare Wärezufuhr i Dapferzeuger zur Verdapfung 4..5 isobare Wärezufuhr zur Überhitzung des Dapfes 5..6 isentrope Entspannung des Dapfes in der Turbine 6..1 isobare Wäreabfuhr zur Kondensation des Dapfes i Kondensator Folie 28 von 43

29 Dapferzeuger Folie 29 von 43

30 Clausius - Rankine - Prozess 1..2 isentrope (d.h. ohne Entropiezunahe) Druckerhöhung in der Pupe 2..3 isobare Wärezufuhr i Dapferzeuger (Erwärung bis zu Siedepunkt) 3..4 isobare Wärezufuhr i Dapferzeuger zur Verdapfung 4..5 isobare Wärezufuhr zur Überhitzung des Dapfes 5..6 isentrope Entspannung des Dapfes in der Turbine 6..1 isobare Wäreabfuhr zur Kondensation des Dapfes i Kondensator Folie 30 von 43

31 Turbine Folie 31 von 43

32 Clausius - Rankine - Prozess 1..2 isentrope (d.h. ohne Entropiezunahe) Druckerhöhung in der Pupe 2..3 isobare Wärezufuhr i Dapferzeuger (Erwärung bis zu Siedepunkt) 3..4 isobare Wärezufuhr i Dapferzeuger zur Verdapfung 4..5 isobare Wärezufuhr zur Überhitzung des Dapfes 5..6 isentrope Entspannung des Dapfes in der Turbine 6..1 isobare Wäreabfuhr zur Kondensation des Dapfes i Kondensator Folie 32 von 43

33 Luftkondensator LuKo Folie 33 von 43

34 Clausius - Rankine - Prozess 1..2 isentrope (d.h. ohne Entropiezunahe) Druckerhöhung in der Pupe 2..3 isobare Wärezufuhr i Dapferzeuger (Erwärung bis zu Siedepunkt) 3..4 isobare Wärezufuhr i Dapferzeuger zur Verdapfung 4..5 isobare Wärezufuhr zur Überhitzung des Dapfes 5..6 isentrope Entspannung des Dapfes in der Turbine 6..1 isobare Wäreabfuhr zur Kondensation des Dapfes i Kondensator Folie 34 von 43

35 Clausius - Rankine - Prozess 1..2 isentrope (d.h. ohne Entropiezunahe) Druckerhöhung in der Pupe 2..3 isobare Wärezufuhr i Dapferzeuger (Erwärung bis zu Siedepunkt, Verdapfung, Überhitzung) 3..4 isentrope Entspannung des Dapfes in der Turbine 4..1 isobare Wäreabfuhr zur Kondensation des Dapfes i Kondensator Folie 35 von 43

36 Clausius - Rankine - Prozess W cir (h 3 -h 4 )-(h 2 -h 1 ) h 4 -h 1 η th = = = 1- Q zu (h 3 -h 2 ) h 3 -h 2 Folie 36 von 43

37 Berechnungsbeispiel (ideal) I linken Diagra wird Dapf it 20 bar und 350 C erzeugt. In der Dapfkraftanlage wird der Dapf bis 1,1 bar entspannt. Zu bestien ist der therische Wirkungsgrad des Kreisprozesses. h 3 = 3138,6 kj/kg (Wasserdapftafel, überhitzter Dapf bei 20 bar, 350 C) h 4 = 2550 kj/kg (h, S-Diagra bei isentroper Expansion) h 1 = 428,84 kj/kg (Wasserdapftafel, Sättigungszustand bei1,1 bar) h 2 = h 1 + v (p 1 p 0 ) it v = 0, /kg = 430,81 kj kg kj kj ,84 kg kg η th = kj = 0,217 = 21,7 % 3138,6-430,81 kj kg kg Folie 37 von 43

38 Berechnungsbeispiel (ideal) I linken Diagra wird Dapf it 20 bar und 350 C erzeugt. In der Dapfkraftanlage wird der Dapf bis 1,1 bar entspannt. Zu bestien ist der therische Wirkungsgrad des Kreisprozesses. h 3 = 3138,6 kj/kg (Wasserdapftafel, überhitzter Dapf bei 20 bar, 350 C) h 4 = 2550 kj/kg (h, S-Diagra bei isentroper Expansion) h 1 = 428,84 kj/kg (Wasserdapftafel, Sättigungszustand bei1,1 bar) h 2 = h 1 + v (p 1 p 0 ) it v = 0, /kg = 430,81 kj kg kj kj ,84 kg kg η th = kj = 0,217 = 21,7 % 3138,6-430,81 kj kg kg Folie 38 von 43

39 Wasserdapftafel, Sättigungszustand Folie 39 von 43

40 Wasserdapftafel, überhitzter Dapf Folie 40 von 43

41 Turbinenwirkungsgrad η i = h Ein h real h Ein h isentrop = 3214 kj kj kg kg 3214 kj kj kg kg = 0,75 Folie 41 von 43

42 Turbinenwirkungsgrade Folie 42 von 43

43 Vergleich - idealer, realer Dapfkraftprozess idealer Dapfkraftprozess realer Dapfkraftprozess Folie 43 von 43

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