Elektroenergetika 1. Termodynamika

Transkript

1 Elektroenergetika 1 Termodynamika

2 Termodynamika Popisuje procesy, které zahrnují změny teploty, přeměny energie a vzájemný vztah mezi tepelnou energií a mechanickou prací Opakování fyziky Termodynamický systém Termodynamické zákony Teplo, práce, entalpie, entropie, termodynamické děje,. Elektroenergetika 1 2

3 Termodynamický systém Část látkového prostoru, který můžeme oddělit od okolí hranicí W Izolovaný nevyměňuje se svým okolím hmotu a energii Q p, V, T Uzavřený nevyměňuje se svým okolím hmotu, vyměňuje energii m Otevřený vyměňuje energii i hmotu Termodynamická rovnováha stav termodyn. systému v němž jsou všechny části v mechanické, tepelné a chemické rovnováze Elektroenergetika 1 3

4 Termodynamický děj Stavové veličiny popisují termodynamický systém v rovnovážném stavu (p, V, U, T, ) Při přechodu soustavy z jednoho rovnovážného stavu do druhého nastává termodynamický děj Hodnoty stavových veličin nezávisí na způsobu (cestě) jakým změna proběhla Hodnoty nestavových veličin (Q, W) závisí na způsobu (cestě) jakým změna proběhla Rozeznáváme děje Vratné a nevratné vratný děj může probíhat v obou směrech, kdy při obráceném ději soustava projde všemi stavy jako při ději přímém Kruhové počáteční a konečný stav systému jsou stejné Elektroenergetika 1 4

5 Termodynamické zákony První zákon termodynamiky Změna vnitřní energie izolovaného systému je součtem tepla, které bylo do systému dodáno a práce, která byla na systému vykonána du = δq δw Objemová práce W je změna objemu systému za konstantního tlaku δw = pdv Práce W je kladná pokud systém koná práci energie opouští systém, pokud je práce konána na systému má záporné znaménko energie je přidána do systému Elektroenergetika 1 5

6 Termodynamické zákony Druhý zákon termodynamiky (pravděpodobnost, empirie) Definice entropie ds = δq T Pro vratné a rovnovážné stavy izolované soustavy ds=0, pro samovolné procesy ds>0 Entropie se nikdy samovolně nezmenšuje Změna entropie při konstantní hodnotě tepla je větší při nižší teplotě Třetí termodynamický zákon Nulové termodynamické teploty nelze žádným způsobem dosáhnout Elektroenergetika 1 6

7 Entalpie Definice H = U + pv dh = du + pdv + Vdp Izobarický děj dp=0 dh = δq pdv + pdv + Vdp dh = δq Adiabatický děj δq = 0 dh = Vdp = δw Elektroenergetika 1 7

8 Carnotův oběh Tepelný oběh s nejvyšší tepelnou účinností v daném rozsahu teplot T 1 a T 2, která nezávisí na pracovní látce Sestává ze čtyř stavových změn 1-2 Adiabatická komprese mezi teplotami T 1 a T Izotermická expanze při teplotě T Adiabatická expanze při poklesu teploty z T 2 na T Izotermická komprese při teplotě T 1 Elektroenergetika 1 8

9 Účinnost Carnotova cyklu Účinnost η = celková mechanická práce systému celková energie spotřebovaná systémem = W Q p Mechanická práce systému W = Q p Q o pak η= Q p Q o Q p =1 Q 0 Q P = 1 T 1 s 1 s 2 T 2 s 1 s 2 = 1 T 1 T 2 Elektroenergetika 1 9

10 Fázový diagram vody p k Trojný bod vody Teplota 0,01 C a tlak 611 Pa Kritický bod vody Kritická teplota t k = 647,3 C Kritický tlak p k = 22,12 MPa t k Elektroenergetika 1 10

11 T-s diagram voda-pára Elektroenergetika 1 11

12 Mollierův diagram vody (h-s diagram vody a páry) Elektroenergetika 1 12

13 Clausius-Rankinův oběh Izobarický ohřev a odpar vody 3-4 Izobarické přehřívání páry 4-5 Adiabatická expanze páry v turbíně 5-1 Izobarická kondenzace páry v kondenzátoru Elektroenergetika 1 13

14 Účinnost Clausius-Rankinova oběhu Vyjádření přijatého tepla Q p = h 4 h 1 Mechanická práce turbíny W = h 4 h 5 Tepelná účinnost C-R cyklu η = W Q p = h 4 h 5 h 4 h 1 Elektroenergetika 1 14

15 Zvýšení účinnosti Clausius-Rankinova oběhu Zvýšení teploty a tlaku páry Velké nároky na materiálové, konstrukční a bezpečnostní požadavky Elektrárny s nadkritickými parametry Snížení teploty a tlaku kondenzace Limitováno teplotou okolního prostředí Běžné kondenzační teploty 30 C a tlaku 4 kpa Opakování části oběhu s nejvyšší účinností Přihřívání páry ( i vícenásobné) Elektroenergetika 1 15

16 Zvýšení účinnosti Clausius-Rankinova oběhu přihříváním páry Elektroenergetika 1 16

17 Regenerační ohřev napajecí vody Přihřívání napajecí vody při dopravě mezi kondenzátorem a kotlem regeneračními ohříváky (tepelné výměníky) Topnou látkou je odebraná pára z turbíny Snížení množství tepla odvedeného bez užitku v kondenzátoru tzn. zvýšení účinnosti Elektroenergetika 1 17

18 Systém regenearačního ohřevu Elektroenergetika 1 18

19 Ztráty na turbíně Ztráty třením, ztráty vnitřními netěstnostmi, ztráty změnou směru proudu, rázem páry na vstupu do lopatkové mříže,... Elektroenergetika 1 19

20 Ztráty v čerpadle Elektroenergetika 1 20

21 Energetická bilance turbíny m in h a P el m o1 h o1 m o2 h o2mo3h o3 (m in -m o1 -m o2 -m o3 )h e m in h a (m o1 h o1 +m o2 h o2 +m o3 h o3 ) m in m o1 m o2 m o3 h e P el Q z = 0 Q z - zahrnuje ztráty v generátoru a turbíně Pozn.: m značíme hmotnostní tok v kg/s Elektroenergetika 1 21

22 Energetická bilance regeneračního ohřevu m p c w t 12 VTO1 m o1 h o1 NTO1 m o2 h o2 m k1 c w t k1 m p c w t 11 m o3 h o3 NTO2 m p c w t 22 m p c w t 21 m p c w t 32 m p c w t 31 m k1 c w t k1 (m k1 +m k2 )c w t k2 (m k1 +m k2 )c w t k2 (m k1 +m k2 +m k3 )c w t k3 Elektroenergetika 1 22

23 Energetická bilance regeneračního VTO1 ohřevu m o1 h o1 + m p c w t 11 m p c w t 12 m k1 c w t k1 = 0 NTO1 m o2 h 02 + m p c w t 21 + m k1 c w t k1 m p c w t 22 m k1 + m k2 c w t k2 = 0 NTO2 m o3 h 03 + m p c w t 31 + (m k1 + m k2 )c w t k2 m p c w t 32 m k1 + m k2 + m k3 c w t k3 = 0 Elektroenergetika 1 23

24 Energetická bilance kondenzátoru m k h e m k h e + m w c w t w1 m w c w t w2 m k c w t k = 0 m w c w t w1 Tepelný výkon kondenzátoru: Q k = m w c w (t w2 t w1 ) = m k (h e c w t k ) m w c w t w2 m k c w t k Elektroenergetika 1 24

25 Energetická bilance kotle m p h nv m p h a + m pv q n Q z = 0 Účinnost kotle η k = m(h a h nv ) m pv q n = Q 1 m pv q n Měrná spotřeba tepla q s = 3 600Q 1 P Měrná spotřeba páry m p = 3 600m P (kj/kwh) (kg/kwh) kde P je elektrický výkon a m hmotnostní tok páry m p h a m p h nv m pv q n Q z Elektroenergetika 1 25

26 Odběr páry z turbíny Protitlaká turbína Teplárenský součinitel α = Q T Q max Q T (GJ/h) max. množství tepla dodaného tepla parou prošlou turbínou Q max (GJ/h) max. množství tepla dodané odběrateli Elektroenergetika 1 26

27 Odběr páry z turbíny Turbína s regulovaným odběrem páry Umožňuje nezávislou dodávku elektrické a tepelné energie Elektroenergetika 1 27

28 Braytonův oběh Elektroenergetika 1 28

29 Paroplynový oběh Elektroenergetika 1 29