Elektroenergetika 1. Termodynamika a termodynamické oběhy

Transkript

1 Termodynamika a termodynamické oběhy

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,. Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 9

10 Fázový diagram vody Trojný bod vody Teplota 0,01 C a tlak 611 Pa Kritický bod vody Kritická teplota 647,3 C a tlak 22,12 MPa Termodynamika a termodynamické oběhy 10

11 T-s diagram voda-pára Termodynamika a termodynamické oběhy 11

12 Mollierův diagram vody (h-s diagram vody a páry) Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 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 η = W Q p = h 4 h 5 h 4 h 1 Termodynamika a termodynamické oběhy 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) Termodynamika a termodynamické oběhy 15

16 Zvýšení účinnosti Clausius-Rankinova oběhu přihříváním páry Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 17

18 Systém regeneračního ohřevu Termodynamika a termodynamické oběhy 18

19 Ztráty na turbíně Ztráty třením, ztráty vnitřními netěstnostmi, ztráty změnou směru proudu, rázem páry na vstupu do lopatkové mříže,... Termodynamika a termodynamické oběhy 19

20 Ztráty v čerpadle Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 22

23 Energetická bilance regeneračního VTO1 NTO1 NTO2 ohřevu m o1 h o1 + m p c w t 11 m p c w t 12 m k1 c w t k1 =0 m o2 h o2 + m k1 c w t k1 + m p c w t 21 m p c w t 22 (m k1 +m k2 )c w t k2 = 0 m o3 h o3 + (m k1 + m k2 )c w t k2 +m p c w t 31 m p c w t 32 m k1 + m k2 + m k3 c w t k3 = 0 Termodynamika a termodynamické oběhy 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 Termodynamika a termodynamické oběhy 24

25 Energetická bilance kotle m p h nv m p h a + m pv q n Qz = 0 Účinnost kotle η k = m(h a h nv ) m pv q n = Q 1 m pv q n Měrná spotřeba tepla m p h a m pv q n q s = 3600Q 1 P Měrná spotřeba páry m p = 3600 m P [kj/kwh] [kg/kwh] m p h nv kde P je elektrický výkon a m hmotnostní tok páry Q z Termodynamika a termodynamické oběhy 25

26 Odběr páry z turbíny Protitlaká turbína Teplárenský součinitel α = Q T Q max Q T [GJ/h] max. množství tepla dodaného parou prošlou turbínou Q max [GJ/h] max. množství tepla dodané odběrateli Termodynamika a termodynamické oběhy 26

27 Odběr páry z turbíny Turbína s regulovaným odběrem páry Umožňuje nezávislou dodávku elektrické a tepelné energie Termodynamika a termodynamické oběhy 27

28 Braytonův oběh Termodynamika a termodynamické oběhy 28

29 Paroplynový oběh Termodynamika a termodynamické oběhy 29