HP 2003/04-3: Blockschaltbild eines Dampfkraftwerks:

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1 HP 003/04-3: Blockschaltbild eines Dampfkraftwerks: HP 003/04-3: Blockschaltbild eines Dampfkraftwerks: Teilaufgaben: 1 Welche Energieformen werden den Bauteilen Dampferzeuger, Turbine, Generator und Verbraucher zugeführt? Vom Dampfprozess sind die folgenden Daten bekannt: Dampfdruck am Turbineneingang: p TE = 180,bar Dampftemperatur am Turbineneingang: T TE = 800,K Wassergehalt des Dampfes beim Turbinenaustritt: x = 10,% Kondensatordruck: p Kond = 0,04 bar.1 Stellen Sie den Dampfprozess im T-s-Diagramm des Arbeitsblattes dar.. Nummerieren Sie die charakteristischen Punkte im T-s-Diagramm, und erläutern Sie die Zustandsänderungen..3 Berechnen Sie die zugeführte spezifische Wärme. Kennzeichnen Sie als Fläche im T-s-Diagramm..4 Berechnen Sie die abgeführte Wärme spezifische Wärme q ab. Kennzeichnen Sie q ab als Fläche im T-s-Diagramm..5 Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad des Kraftwerkes?.6 Durch eine Zwischenüberhitzung bei 50 bar auf 800 K kann der Wasseranteil des Dampfes am Turbinenausgang auf 5% verringert werden. Stellen Sie diesen Vorgang zusätzlich im T-s-Diagramm dar. Welche zwei Vorteile bietet die Zwischenüberhitzung? 3 Im Kraftwerk treten die folgenden Verluste auf: Dampferzeuger: 9% Dampfleitungen: % Turbine: 13% Generator: % Eigenbedarf: % Der thermische Wirkungsgrad des Kraftwerkes mit Zwischenüberhitzung beträgt η th = 38%. 3.1 Berechnen Sie den Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes. 3. Das Kraftwerk gibt eine Leistung von P ab = 500 MW ab. Berechnen Sie den täglichen Bedarf an Steinkohle. Alle Teilaufgaben sind unabhängig voneinander lösbar. Punkte 4,0,5 Σ =,5 Aufgaben: Abitur im Fach Technik M (Baden-Württemberg) Lösungen: tgt_hp _dampfkraftwerk.odt,

2 HP 003/04-3: Blockschaltbild eines Dampfkraftwerks: Arbeitsblatt zu den Aufgaben.,.3,.4 und.6 Ts-Diagramm von Wasser Temperatur T in K K 1 bar 600 0, bar ,04 bar 300 0,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, Entropie s in kj/k Aufgaben: Abitur im Fach Technik M (Baden-Württemberg) Lösungen: tgt_hp _dampfkraftwerk.odt,

3 HP 003/04-3: Blockschaltbild eines Dampfkraftwerks: Lösungsvorschlag Teilaufgaben: 1 Chemische Energie Dampferzeuger Thermische Energie Turbine Mechanische Energie Generator Elektrische Energie Verbraucher.1 T,s-Diagramm:. 1: Die Speisewasserpumpe bringt das Wasser auf 180 bar 1 : Wasser wird erhitzt und bleibt wegen des Druckes flüssig 3: Wasser verdampft bei konstanter Temperatur, die vom Druck 180 bar abhängt. 3 4: Wasserdampf wird bei konstantem Druck weiter erhitzt (überhitzt) 4 5: Wasserdampf gibt in der Turbine seinen Druck ab, 10% des Wasserdampfes kondensiert 5 1: Dem Wasser wird Wärme entzogen und es kondensiert T,s-Diagramm (Wasserdampfprozess mit Zwischenüberhitzung) q 1 = T + T ( s s 1 )= q 3 = T + T 3 3 s )= q 34 = T 3+ T s 3 )= =q 1 + q 3 + q 34 =(167, ) kj Dampfprozess im T,s-Diagramm (Wasser) K (3,90,4) kj kj =167,5 K (5,13,9) kj kj =756 K (6,35,1) kj kj =858 =341,5 kj q ab =q 51 = T + T s 5 )= K (0,47,8) kj kj =0 η therm = w Nutz Ts-Diagramm von Wasser = q + ab 341,5 kj / 0 kj / = =0,315=31,5% 341,5 kj /.6 Vorgang siehe T,s-Diagramm. Vorteile: 1) Vergrößerung der Nutzarbeit ohne höhere Temperatur ) Senkung des Anteil flüssigen Wassers Beide Maßnahmen entlasten das Material der Turbine. Temperatur T in K K 0,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, Entropie s in kj/k q ab Zwischenüberhitzung 1 bar 0, bar 0,04 bar Punkte 4,0 Aufgaben: Abitur im Fach Technik M (Baden-Württemberg) Lösungen: tgt_hp _dampfkraftwerk.odt,

4 HP 003/04-3: Blockschaltbild eines Dampfkraftwerks: η ges =η DE η DL η T η G η EB η therm =(19 %) (1 %) (113%) (1 %) (1 %) 38% =0,91 0,98 0,87 0,98 0,98 0,38=0,83=8,3% Man kann auch annehmen, dass im thermischen Wirkungsgrad W Nutz (= mechanische Energie) / (= Wärmeinhalt des Dampfes) die Verluste der Dampfleitungen enthalten sind und η ges ohne η DL berechnen. 3. Für die Aufgabe wird der Heizwert von Steinkohle benötigt. Man findet ihn im Tabellenbuch unter dem Stichwort Heizwert H u oder in der Formelsammlung Energietechnik als Steinkohleeinheit SKE. Letztere wird verwendet, um den Energieinhalt von Kohle verschiedener Herkunft und anderer Primärenergieträger zu vergleichen und ist der Heizwert einer bestimmten Steinkohlesorte bezogen auf ein Kilogramm (SKE ) oder eine Tonne (tske).,5 Lösungsmöglichkeit 1 Es geht direkt mit der Leistung (= Energiestrom) P= W t, sie entspricht dem Wärmestrom Φ= Q= Q t und kann per H u in Massenstrom ṁ= m t umgerechnet werden: P ab η ges =P zu = W zu t = m H u t t m= P ab t η ges H u Den Tagesbedarf erhält man mit t=4 Stunden: = P t ab 500 MW 4h = η H u 0,83 30 MJ / =5087t Lösungsmöglichkeit Leistung ist Energiemenge pro Zeiteinheit. Wer Probleme mit dem Begriff Leistung hat, kann auch mit der Energie rechnen, die innerhalb des geforderten Zeitraumes anfällt, in diesem Fall 1 Tag. Diesen Lösungsweg sollte man deutlich machen: Alle Berechnungen beziehen sich auf einen Tag: W ab =P ab 1Tag=500 MW 4h=1000 MWh =1000 MW 3600 s=43, 10 1 J ist die elektrische Energie, die das Kraftwerk pro Tag abgibt. Da die Erzeugung der elektrischen Energie aus Wärme nicht verlustfrei geschieht, muss die benötigte Wärmemenge ermittelt werden: η ges = W ab Q Q zu = W ab η = 43, 101 J =15, J ges zu 0,83 ist die Wärmeenergie, die pro Tag ins Kraftwerk gesteckt werden muss. Der Heizwert H u sagt aus, welche Masse Kohle dafür benötigt wird: H u(steinkohle) = Q zu m Sk = 15,6 101 J H usk 30MJ = 15,6 101 J =5087 t J Aufgaben: Abitur im Fach Technik M (Baden-Württemberg) Lösungen: tgt_hp _dampfkraftwerk.odt,

5 HP 003/04-3: Blockschaltbild eines Dampfkraftwerks: oder mit der Steinkohleeinheit SKE statt H u H u(steinkohle) m Sk SKE = 15,6 101 J =507 t, J t erhält man den Tagesbedarf von Steinkohle für dieses Kraftwerk. Lösungsmöglichkeit 3 Die Aufgabe kann sogar mit einer Reihe von Dreisätzen gelöst werden (Ich sehe schon die Stirn runzelnden Kollegen :-): Leistung P ab = 500 MW bedeutet: Das Kraftwerk liefert 500 MJ elektrische Energie in 1 Sekunde. Wie viel elektr. Energie liefert es an einem Tag? 500 MJ 1 Sekunde x? 1Tag x= 500 MJ 1Tag= 1s 500 MJ s =43, 10 6 MJ 1s Wirkungsgrad η ges = 0,83 bedeutet: Das Kraftwerk wandelt 1 MJ Wärmeenergie in 0,83 MJ elektrische Energie um. Wie viel Wärmeenergie benötigt es für 43, 10 6 MJ? 1 MJ 0,83 MJ x? 43, 10 6 MJ x= 1 MJ 0,83 MJ 43, 106 MJ =15, MJ Heizwert H u = 30 MJ/ bedeutet: 1 Steinkohle liefert 30 MJ Wärmeenergie. Wie viel Steinkohle wird für 15, MJ Wärmeenergie benötigt? 1 30 MJ x? 15, MJ x= 1 30 MJ 15, MJ=5, =5100 t oder: Steinkohleeinheit tske =, J bedeutet: 1 t Steinkohle liefert, J Wärmeenergie. Wie viel Steinkohle wird für 15, MJ Wärmeenergie benötigt? 1 t, J x? 15, MJ 1t x=, J 15, MJ =5, 10 3 t=500t Der letzte Wert ist der Tagesbedarf an Steinkohle für das Kraftwerk in der Aufgabe. Alle Teilaufgaben sind unabhängig voneinander lösbar. Σ =,5 Aufgaben: Abitur im Fach Technik M (Baden-Württemberg) Lösungen: tgt_hp _dampfkraftwerk.odt,