Korzerű ENERGIAERMELÉS. Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György Az erőművek általában villamo energia termeléére épített léteítmények. Az energiaforrá zerint lehetnek: Hőerőművek Vízerőművek Szélerőművek Egyéb erőművek A termelt vagy zolgáltatott energia zerint: iztán villamo energiát zolgáltató Villamo energiát é hőenergiát zolgáltató erőművek Az erőművek kihaználáa zerint: Alaperőművek egéz évben egyenleteen termel jól kihaználja a kapacitáát Menetrendtartó erőművek igények alapján előre megzabott menetrend zerint Cúcerőművek cak a terheléi cúcok idején zolgáltat energiát alaperőmű menetrendtartó erőmű cúcerőmű 6000 MW 000 000 000 000 000 0 A napi villamo terhelé (coportokra oztva; 00.06.0.) import 0 GWh menetrendtartók GWh (földgáz olaj zén) alaperőművek 60 GWh (atom lignit kapcolt) 0 8 6 0 Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György
Erőművek közötti kapcolat zerint: Együttműködő erőművek Elzigetelt erőművek Magyarorzág villamo energiájának döntő rézét hőerőművekben állítják elő melynek orán hőenergia zabadul fel fozili tüzelőanyagok égetée vagy maghaadá révén é hő-körfolyamat egítégével a hőenergia egy rézét villamo energiává alakítják. Az átalakítá orán mechanikai munkát nyernek a hőkörfolyamat révén majd a mechanikai munka egy rézét villamo energiává alakítják. Hőerőmű alaptípuok A hőerőművekben jelenleg rendzerint vizgőz-körfolyamat az ún. Rankin-Clauiu körfolyamat valóul meg. A körfolyamatnak zámo hatáfokot javító változata imert. A cak villamoenergia termelét végző hőerőművet kondenzáció erőműnek nevezzük. Ennek kapcolái vázlata é - diagramja a következő -. ábrákon látható:. ábra: Kondenzáció erőmű. ábra: - diagram A bevezetett hőmennyiég az --- görbe alatti míg a rendzerből kikerülő hőmennyiég a - alatti területtel arányo. Kondenzáció erőműnél a kondenzátorral elvont hőmennyiég a munkafolyamat zempontjából vezteég. Ez a vezteég cökkenthető ha az itt elvont hőmennyiéget valamilyen má célra például fűtére haznoítjuk. Gyakorlatilag ez a haznoítá akkor lehetége ha a kondenzáció hőmérékletet megnöveljük (70-80 C) azaz melegebb kondenzált vizet vezetünk ki a rendzerből. Ekkor az erőmű a villamo energián felül már hőenergiát i zolgáltat (forróvíz) melyet egyéb hazno célra például fűtére lehet felhaználni. Az ilyen kapcolt energiatermeléű (kogeneráció) hőerőművet ellennyomáo hőerőműnek nevezzük melynek kapcoláát a. ábrán é a folyamat - diagramját pedig a. ábrán az - -- - pontok határolják. Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György 6. ábra: Ellennyomáo erőmű Dr. Pátzay György 7 Dr. Pátzay György 8
. ábra: Elvétele kondenzáció erőmű A harmadik fonto hőerőmű alaptípunál az elvétele-kondenzáció hőerőműnél az ellenyomáo é kondenzáció rendzert özekapcolják. Az ilyen erőmű kapcolái vázlata a. ábrán látható. Ez utóbbi rendzer rugalmaabb lehetőég van cak villamo energia termeléére i. Ezt a típut hívják exkrakció kondenzáció erőműnek i. Extrakció kondenzáció erőmű Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 0 A kapcolt (elektromo é hőenergia) energiatermelé következő példája egy gázturbiná villamo energia é egy gőz/melegvize kazán kapcoláát mutatja. Az ún. kombinált cikluú vagy binári cikluú erőműveknél például egy vagy több gázturbiná ciklu (felő ciklu) é egy gőzturbiná ciklu (aló ciklu) van kombinálva. Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György
Van olyan kombinált cikluú energiatermelő erőmű i ahol egy dízelmotoro villamo erőművet kombinálnak egy gőz/melegvize kazánnal. Dr. Pátzay György Egyzerű gőzerőmű Dr. Pátzay György Energia minőég (a termodinamika. főtétele) Az energia minőéget a hőméréklet határozza meg. Minél magaabb a hőméréklet annál magaabb a minőég. Míg az energia mennyiége megmaradó a munkavégzéi potenciál nem. Amikor a hőenergia a magaabb hőmérékletű helyről az alaconyabb hőmérékletű hely felé áramlik az energia minőége degradálódik. Az öze energia átalakítában annak egy réze degradálódik minden fizikai folyamatban az alkalmazott energia átlago minőége cökken. Ninc olyan folyamat ahol energia a hidegebb helyről áramolna a melegebb hely felé. Ninc olyan folyamat melynek eredményeként adott mennyiégű hőenergiát át lehetne alakítani mechanikai energiává (energia minőég cökkené lép fel). A rendezettég rendetlenég irányába tart. A rendzer entrópiája (S) a rendzer hőenergiájának mechanikai munkává való telje alakítáának korlátozottágát jelenti. Exergia (E)- egy rendzer energiatartalmának reverzibili körfolyamatban tetzőlege má energia formává alakítható réze anergia (A)- a rendzer energiatartalmának má energiaformává át nem alakítható réze. Ezek bármelyike 0 é 00% között változhat. A mechanikai energia (kinetikai é potenciáli) é a villamo energia tizta exergia a rendzer belő energiája pedig tizta anergia. Az exergia tulajdonképpen azt mutatja hogy a rendzer mennyiben tér el a környezeti egyenúlytól. L L A hőenergia exergia é anergia tartalma: E ( ) Q A Q Dr. Pátzay György H H Példa: Mekkora kg zobahőmérékletű ( C) víz é termoz (800 cm 08kg) 00 C-o kávé energiája exergiája é anergiája? Az energiatartalom azono: Qvíz c mvíz víz kj kg 98K kj kg K pvíz Q c mkávé víz kj 08kg 7K kj kg K kávé pkávé Ezzel zemben exergia é anergia tartalmuk különböző: L 98K Evíz ( ) Qvíz ( ) kj 0kJ 98K E L 98K Avíz ( ) Qvíz ( ) kj kj 98K A kávé kávé L ( ) Q H L ( ) Q H H H kávé kávé 98K ( ) kj kj 7K 98K ( ) kj 00kJ 7K Dr. Pátzay György 6
00 kj/kg hő exergiája C környezeti hőmérékleten Hőméréklet ( o C) E (exergia) (kj/kg) Alkalmazá 00 Ninc 0 00*(-98/) 77 00 0 Egyedi é távfűté 0 9 00 700 00 7 Hagyományo erőművek 600 686 800 7 000 769 Gáz/gőz közegű erőművek 00 7970 Dr. Pátzay György 7 Dr. Pátzay György 8 rozul zabályzott rendzer vezteégei jól zabályzott rendzer vezteégei Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 0
Hőerőgép... Energiatermelé hőerőművekben Hevíté HŐ Expandálá urbina Kazán Kondenzátor HŐ Hűté A XX. Században az elektromo energia nélkülözhetetlen. Ez egy nagyon flexibili fűtére hűtére világítára hajtára könnyen felhaználható könnyen zállítható é ellenőrizhető energiaforma. A civilizáció özeomlana nélküle ezért fonto nagymennyiégű energia átalakítáa elektromo energiává. A hőerőművekben történik a fozili é nukleári üzemanyagokból felzabadított termiku energia átalakítáa elektromo energiává. A világon üzemelő erőművek kétharmada gőztermelő erőmű a maradék egyharmad vizi- dieelmotoro vagy gázturbiná erőmű. A zél- árapály- napé egyéb erőművek jelenleg fejleztéi tádiumban vannak. A termodinamikából imert hogy a hőtermelő körfolyamatokban a hőt maga hőmérékletű forrából nyerik egy rézét munkává alakítják é a maradék hőt egy alacony hőmérékletű nyelőbe bocátják ki. Az öze felvett hő ajno nem alakítható munkává. A maximáli hatáfokot a Carnot körfolyamattal zámíthatjuk ki de ez cak elméleti lehetőég mert a reáli folyamatok ajno mind irreverzibiliek é így a gyakorlati hatáfokok alaconyabbak mint a Carnot körfolyamat hatáfokai. Szivattyú A Carnot körfolyamat Domain Komprimálá 8-ben Sadi Carnot francia mérnök egy hipotetiku reverzibili hőerőgépet fogalmazott meg (. ábra). Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György A dugattyúval ellátott hengerben levegő van. Körfolyamatban történő üzemeltetéénél nettó munkavégzé nyerhető. A körfolyamat lépéből áll: - Izoterm hőátadá A H hőmérékletű hőforrából Q hőenergiát közlünk a levegővel. A levegő hőméréklete állandóan H marad. A hő elhanyagolható hőméréklet különbég mellett megy át. A levegő kitágul é bizonyo munkát ad le. - Adiabatiku kiterjedé Ninc hőátadá. A levegő kitágul é munkát ad le miközben H hőmérékletről L hőmérékletre hűl le. - Izoterm hőleadá A levegő lead Q R hőenergiát a L alacony hőmérékletű nyelőnek. A levegő hőméréklete állandó L. Itt i a hő elhanyagolható hőméréklet különbég mellett megy át. A levegőt komprimáljuk é ehhez bizonyo munkavégzé kell. - Adiabatiku komprezió A levegőt komprimáljuk hőátmenet nélkül.. ábra: A Carnot-körfolyamat Ehhez zintén bizonyo munkavégzé Dr. Pátzay György zükége. A Carnot-ciklu a p-v é - diagramokban Dr. Pátzay György 6
Az /b. ábrán a körfolyamat lépéeinek - diagramja látható a fölvett hőmennyiég Q a leadott hőmennyiég pedig Q R. Az /c. ábrán egy Carnot gőzgép működéének émája az /d. ábrán pedig a telje körfolyamat - görbéje látható. A leadott nettó munkavégzé a görbe alatti területtel egyenlő. Az ábrák alapján: Illetve W η net Carnot H mert Q Q W Q H Q Q R ( ) ( ) L net QS Q Q R L H S R H H L ( ) ( ) ( ) L ( ) ( ) H 6. ábra: Munkavégzé reverzibili körfolyamatban Dr. Pátzay György A Carnot körfolyamat hatáfoka bármely H L hőmérékleteken üzemelő gőzgép hatáfok maximumát határozza meg. A körfolyamat hatáfoka növekvő H é cökkenő L értékkel nő. Dr. Pátzay György 6. példa: Egy Carnot gőzgép 00 C-on hőt vez fel é munkavégzé után hőt ad le egy 80 Co nyelőnek. A leadott munka kw. Mekkora a gép hatáfoka? Mekkora a hőközlé é hőleadá ebeége? Mekkora a hatáfok javulá ha a hőleadá 0 C-o nyelőbe történik? Megoldá: ηcarnot 80 + 7 069 00 + 7 QR Q Wnet 7 6 7kW ηcarnot W W Q 7kW net net Q ηcarnot 069 0 ha 0 C 0 + 7 ηcarnot 0787 00 + 7 W η 0787 7 7kW net L Carnot Q igy a % - o munka novekede 7-0 azaz% A gyakorlati határ a Carnot körfolyamat eetén: A környezet hőméréklete ritkán alaconyabb 0 C-nál a tüzelőanyagok égetéekor elérhető maximáli hőméréklet 800 C alatt van így: 0 η Carnot 09 07 ehát az elméletileg elérhető hatáfok 90% körül van. Gyakorlatban azonban a fütgázok hőfoka ~00 C metallurgiai okokból 000 C fölé nem mehet a hőméréklet így a reáli körfolyamat hatáfoka nem mehet -0% fölé! Gépjármű motor h 00 o C 7 K l 00 o C 77 K η (7-77)/7 8% Fozili tüzeléű gőzerőmű h 700 o C 97 K l 00 o C 7 K η (97-7)/97 % Geotermáli erőmű h 0 o C K l 80 o C η ( - )/ 7% Valóágo elérhető hatáfokok Autó a ztrádán: kb. % Geotermáli erőmű: % körül néha <% A Carnot-ciklu cak elméletileg működik. Víz munkaközeg eetén például víz+gőz vegye fázit kellene zállítani é komprimálni. Reáli lehetőég vizont az a megoldá ahol a rendzerbe egy kondenzátort iktatunk be é a fáradt gőzt lekondenzáltatjuk Rankine-Clauiu körfolyamat. Dr. Pátzay György 7 Dr. Pátzay György 8 7
A víz belő energiája A víz 0 00 C hőméréklet tartományban bármely hőmérékleten párolog. A párolgáhő 7.6-zor nagyobb mint az olvadáhő. vízgőz Belő energia (MJ) víz jég 0-0 -0 0 0 0 60 80 00 0 0 Hőméréklet (oc) Hőkapacitá (J/kg-K) Láten hő (MJ/kg) Jég 0 0. Víz 90../0. 7.6 Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 0. példa: Atmozfériku nyomáú víz 00 C-on forr é 9 kj/kg energia zükége kg 0 C-o víz 00 C-o vízzé melegítééhez. Így az atmozfériku nyomáú 00 C-o víz fajlago entalpiája 9 kj/kg. ovábbi 7 kj/kg energia zükége kg 00 C-o víz kg 00 C-o gőzzé alakítáához. Így a 00 C-o gőz fajlago entalpiája h g 9+7676 kj/kg. Mivel az atmozfériku nyomáú gőz korlátolt gyakorlati felhaználáal rendelkezik ezért a kazánokban legalább 7 bar abzolút nyomáú gőzt állítanak elő. Ezen nyomá fölötti gőz már megfelelő átmérőjű cővezetéken zállítható. Növekvő nyomáú gőz eetén nő a űrűég é cökken a fajlago térfogat.. példa: 6 bar nyomáú 09 zárazági fokú gőz (6 m% víz 9 m% gőz) telje fajlago entalpiája (88 C): A gőz fázi diagramja: h g 697 kj/kg+09*066 kj/kg69 kj/kg AB 0 C00 C víz h f (A-B) BC 00 C víz-00 o C gőz CD 00 C gőz- túlhevített gőz Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György Kritiku pont 7 o C bar 8
Sarjúgőz (Flah team) Nagy nyomáú adott az bar nyomáú víz forrpontja feletti hőmérékletű víz nyomácökkentée orán a cökkenő nyomáú vízből rézben gőz keletkezik. Ha a nagy nyomáú víz hőméréklete kiebb mint az bar nyomáú víz forrpontja nem keletkezik gőz.. példa: barg túlnyomáú 9 C hőmérékletű vizet atmozfériku nyomára (0 barg) vizünk mekkora a keletkezett arjúgőz fajlago mennyiége? A 9 C-o víz fajlago entalpiája 67 kj/kg a 00 C-o vízé 9 kj/kg. h h p h fgp p 67 9 0 kg gőz/kg víz 7 A víz - diagramja Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György Energiaátalakító folyamatok eredő hatáfoka Példa: dízelgenerátoro villamo vízzivattyú Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György 6 9
A Rankine-Clauiu körfolyamat A Rankine-Clauiu körfolyamat A gyakorlatban a folyamatok nem reverzibiliek így a való hatáfok még kiebb. Egy lehetége gyakorlati körfolyamat a Rankine-Clauiu körfolyamat. William Rankine kót mérnök volt. Körfolyamata a zén- olaj gáz- é atomerőművek hőtermeléének leíráára alkalmazható. Az erőművekben általában fozili tüzelőanyagot égetnek el (maga hőmérékletű forrá) é a környező levegő vagy víz (tó folyó tenger) az alacony hőmérékletű nyelő. A Rankine körfolyamatban a hőhordozó amely leggyakrabban víz fáziváltáon megy kereztül. A Rankine-Clauiu körfolyamat (röviden Rankine-körfolyamat) négy alapvető zerkezeti komponenből áll: a kazánból a turbinából a kondenzátorból é a zivattyúból. Kazán (túlhevítővel) Gőzturbina Villamo generátor Kondenzátor Dr. Pátzay György 7 Szivattyú Dr. Pátzay György 8 6 A Rankine-Clauiu körfolyamat 6 (K) 6 6 (J/kg K) - Folyadékhevíté - Elgőzölgé - úlhevíté Dr. Pátzay György 9 - Expanzió -6 Kondenzáció 6- Szivattyúzá Ideáli Rankine ciklu - reverzibili adiabatiku zivattyúzá - hevíté állandó nyomáon (rézben izoterm) - reverzibili adiabatiku expanzió - hűté állandó nyomáon (rézben izoterm) Dr. Pátzay György 0 0
- nemizentrópiá zivattyúzá - irreverzibili hevíté - nemizentróoiá expanzió - irreverzibili hűté Reáli Rankine ciklu A Rankine-Clauiu körfolyamat Kazán: Itt a vízzel hőt közlünk é nagynyomáú gőzt hozunk létre. urbina: Itt a nagynyomáú gőz expandál alacony nyomáú gőz keletkezik é a turbina rotorjának forgatáával munkát végez. Kondenzátor: Itt bizonyo hőleadá révén az alacony nyomáú gőz lehűl é lekondenzál vízzé. Szivattyú: Itt az alacony nyomáú vizet vizazivattyúzzák a kazánba melynek végén nagynyomáú alacony hőmérékletű víz lez belőle. Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György A Rankine-körfolyamat az abc ábrán zemléltetett termodinamikai változáokon megy kereztül. Ennek lépéei a következők: A Rankine-körfolyamat Állandó nyomáon hőközlé a hőhordozóval. Ez a - lépé. Az elégetett tüzelőanyag előzör fölmelegíti a - e állapotban belépő hideg vizet a telítéi hőmérékletre ( i ) majd elpárologtatja nagynyomáú záraz telített gőzzé(-e állapot). A hőhordozó izentrópiku (adiabatiku +reverzibili) expanziója - lépé. A kazánból érkező nagy nyomáú -e állapotú gőz adiabatikuan é reverzibilien expandál a turbinákon é alacony nyomáú gőz keletkezik (-e állapot). Eközben a turbina forgatáával munkát végez. A hőhordozó hőleadáa az alacony hőmérékletű nyelőnek állandó hőmérékleten - -a lépé. A turbinából kilépő alacony nyomáú -e állapotú gőz lehűl é állandó nyomáon lekondenzál -a állapotú telített víz keletkezik. A hőhordozó izentrópiku kompreziója (zivattyúzáa) - lépé. A kondenzátorból kikerülő alacony nyomáú vizet zivattyúval a kazánba vezetik ahol a -e állapotnak megfelelő állapotba kerül. Eközben bizonyo munkavégzé zükége. Dr. Pátzay György A ábrán a közölt hő Q a leadott hő Q R a turbinán leadott munkavégzé W a - diagramokon a megfelelő raffozott területekkel egyenlő. Az egyzerű Rankine-körfolyamat elemzée Ha h h h é h a hőhordozó fajlago entalpiája (kj/kg) az é állapotban é elhanyagoljuk a kinetiku é potenciáli energiákban bekövetkező változáokat a munkavégzé é hőátmenet mértéke mindegyik komponenre zámítható. A következő állandóult állapotra vonatkozó elemzé kg munkaközeggel zámolva a következő: A kazán energiamérlege Az öze bemenő energiaaz öze kimenő energiával: h + Q h Dr. Pátzay György Q h h (kj/kg)
A turbina energiamérlege Az öze bemenő energia az öze kimenő energia h QL + W + h Ha a turbinaház jól zigetelt a Q L hővezteég kici é elhanyagolható (Q L 0) így: A zivattyú energiamérlege Az öze bemenő energiaaz öze kimenő energia h + W P (kj/kg) h Mivel a víz özenyomhatatlan a zivattyú munkája közelítőleg: W h h (kj/kg) A kondenzátor energiamérlege Az öze bemenő energia az öze kimenő energia: h Q + h Q h h (kj/kg) R R zivattyú bemenő munka v ( p p ) vw ( p p ) W p 000 kj kg ahol W p - a zivattyú bemenő munkája (kj/kg) v w - a víz fajlago térfogata (000 m /kg körülbelül) p p - a zivattyú bemenetén é kimenetén a nyomá (N/m) w m N Nm kgm kg J kg A nettó munka munkavégzé: W NE W W p Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György 6 A ELJES RENDSZER ENERGIAMÉRLEGE A rendzer termiku (Rankine) hatáfoka: rendzer nettó munkavégzée W η rendzerrel közölt hõmennyiég Q Máik fonto jellemző a munkavégzé aránya (work ratio WR): NE Az öze bemenő energia az öze kimenő energia Q + W W + Q ahol Q NE W NE - a rendzerbe bevitt nettó hő (kj/kg) é a rendzer munkavégzée (kj/kg) A rendzer nettó teljeítmény kimenete:. kg kj kj P m WNE kw kg ahol P - a nettó teljeítmény kw m - a gőz tömegárama kg/ W NE - nettó munkavégzé kj/kg Dr. Pátzay György 7 Q NE p Q Q W W R W NE R p WRnettó munkavégzé/turbina munkavégzéw NE /W A Rankine cikluban a zivattyú munkaigénye igen kici a turbina munkavégzééhez képet (kb. %). Így WR>09. A kondenzálódó fáradt gőz térfogata draztikuan cökken a zivattyúzá előtt ezért cökken le a zivattyúzái munka.( kg víz térfogata kb. ezerzer kiebb mint ugyanannyi ki nyomáú gőzé). Ez a Rankine ciklu fő előnye a többi cikluhoz képet. Ezzel zemben a Carnot ciklunál vagy a gázturbina-ciklunál a zivattyúzához vagy a komprezióhoz zükége munka igen nagy körülbelül 0% így WR kici. Harmadik fonto jellemző a fajlago gőzfogyaztá (pecific team conumption SSC). Ez a kg/h egyégben kifejezett gőz-tömegáram amely kw nettó teljeítmény kimenethez zükége: 600 S. S. C. W NE (kg/kwh) Minél alaconyabb a fajlago gőzfogyaztá annál kiebb lez ugyanakkora elektromo energiatermeléhez zükége gőzáram mennyiége. Ez végeredményben kiebb kazáné kondenzátorméreteket jelent azaz minél kiebb a fajlago gőzfogyaztá annál kompaktabb lez a gőzerőmű. Kiméretű erőműveknél okzor a kondenzátort elhagyják é a turbináról lejövő fáradt gőzt kiengedik a levegőbe é a vezteéget fri tápvízzel pótolják (kipufogó üzemmód). Dr. Pátzay György 8
. példa: Egy nyitott áramkörű gőzerőműben az atmozferiku nyomáú é 0 C-o tápvizet olajtüzeléű kazánba táplálják ahol záraz telített 0 bar nyomáú gőzt termelnek. Ez a gőz turbinára kerül é izentrópikuan atmozferiku nyomáig expandál é a környező levegőbe távozik. Határozzuk meg: az erőmű termiku hatáfokát. a munkavégzé arányát a fajlago gőzfogyaztát. Megoldá: Ha az atmozferiku nyomá bar p 0 bar p bar t 0 C A gőz-entalpia táblázatokból a 0 bar-o záraz telített gőz entalpiája: h h 778 kj/kg A nedve (fáradt) gőz h entalpiája a következő megfontoláok alapján határozható meg: Az - lépé izentrópiku expanzió így Nyitott áramkörű (kipufogó gőz) erőmű Dr. Pátzay György f + x. fg g 9 0 + x 606 686 Azaz az x zárazági fokú nedve gőz entrópiája ( ) egyenlő a telített folyadékfázi entrópiájának ( f ) é a zárazági fokkal megzorzott párolgái entrópia (x * fg ) értékének özegével. A táblázatból 0 bar nyomá mellett g 686 kj/kgk é bar nyomá eetén f 0 kj/kgk f 606 kj/kgk. Így a fáradt gőz zárazági foka (gőzaránya) x 087. Ebből következik hogy haonlóan az entrópiára felírtak zerint: h h f + x h fg 7 + 087 8 86 kj/kg ( bar nyomáon h f 7 kj/kg h f 8 kj/kg) A táblázat alapján a 0 C-o tápvíz entalpiája h h f 7 kj/kg. A zivattyúzá munkaigénye: W v p 6 ( p p) 0000 ( 0 ) m N Nm J kg m kg kg A zivattyúzá energiamérlege alapján h értéke: w 900 J/kg 0 kj/kg 9 h + W p h 7 + 09 66 kj/kg A kazán energiamérlege alapján pedig Q értéke zámítható: h + Q h Dr. Pátzay György Q h h 778 66 6 kj/kg 0 Fajlago entrópia zámítáa a víz-gőz rendzer különböző tartományaiban Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György
P Specific Volume m /kg Internal Energy kj/kg Enthalpy kj/kg Entropy kj/(kg K) C kpa v f v fg v g u f u fg u g h f h fg h g f fg g 0.876 0.00000 7.0 7.0.00 60. 8..0 88.7 09.7 0.0766 8.97 9.06 0 0 0 0 0.8 0.00000 06. 06..986 6. 88..988 76.9 8.9 0.0 8.776 8.8986.706 0.0000 77.896 77.897 6.9. 9. 6.97 6. 8.0 0. 8.0 8.779.88 0.0000 7.777 7.778 8.8 8. 0.0 8.8. 7. 0.96 8.689 8.66.690 0.0000.6.7 0.7 0. 08.9 0.7.6 6. 0.670 8.888 8.8. 0.0000.89.896.67 90.0.7.67 9.6. 0.6 8.08 8..667 0.00006.9.0 6.8 7.9. 6.9 7.8 6. 0.00 7.86 8. 7.8 0.00008 9.7 9.8 67.0 6.7 9. 67.0 0.9 7. 0.7 7.687 8.0 9.898 0.0000.6.6 88. 7..9 88. 9.9 8. 0.68 7. 8.69. 0.000.06.07 09...6 09. 8.9 9. 0.707 7.708 8.07 Az ES_Stable gőztáblázat zámító program Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György W értéke pedig a turbina energiamérlege alapján: A nettó munkavégzé: W NE W -W P 9-099 kj/kg (a zivattyúzá munkaigénye elhanyagolható a turbina munkavégzééhez képet) A termiku hatáfok: W η Q A munkavégzé aránya: WR NE A fajlago gőzfogyaztá pedig: W NE W h W + h 9 07 7% 6 9 0998 9 600 600 S. S. C. 9 kg/kwh 9 W NE W h h 778 86 9 kj/kg A kondenzátor zerepe A Carnot cikluból kiderült hogy a hőleadánál a L hőméréklet cökkentée növelte a nettó munkavégzé mértékét é a hatáfokot. Ennek alapján illeztették be a kondenzátorokat a gőzerőművekbe. Az előző példában a 00 C-o atm nyomáú fáradt gőzt kibocátották a környező atmozférába. Má zóval a hőleadá 00 C-on történt. Kondenzátor beilleztéével a fáradt gőz lekondenzál é a folyadékfázi keletkezéével draztiku térfogatcökkené következik be ami parciáli vákuumot okoz é p abzolút nyomá az atmozfériku nyomá alá cökkenhet. Így a turbinában nagyobb az expanzió é így a munkavégzé. Ha a turbina kimenő nyomáa cökken a megfelelő telítéi hőméréklet i cökken azaz a hőleadái hőméréklet i cökken. Ezt az eetet a következő példában mutatjuk be. Dr. Pátzay György Shankey diagram Dr. Pátzay György 6
Minél alaconyabb a kibocátái nyomá annál jobb az erőmű hatáfoka. A rendelkezére álló hűtővíz hőméréklete a korlátozó tényező. Ézaki orzágokban télen közel 0 C a hűtővíz hőméréklete így télen üzemelnek a gőzerőművek a legjobb hatáfokkal. ehát a kondenzátor fő feladata hogy a turbina ellennyomáát cökkentve növelje a munkavégzét é így az erőmű hatáfokát. Ezenfelül a kondenzvíz recirkulálható a tápvízkörben. 6. példa: Az. példában zereplő erőműhöz kondenzátort illeztve a turbina ellennyomáa p 0 bar értékre cökkent. Határozzuk meg: a fáradt gőz paramétereit a nettó munkavégzé é a hatáfok emelkedéét 000 kg/h gőzáram mellett az erőmű energialeadáát. Megoldá: p 0 bar p 0 bar A gőz-táblázatból a 0 bar nyomáú záraz telített gőz entalpiája: h h g 778 kj/kg. A fáradt gőz h entalpiája az - lépé izentrópiku: f 08 + x 707 686 + x fg x 08 g A fáradt gőz zárazági tényezője x 08 így: h h f + x h fg + 08 8 68 kj/kg Zárt áramkörű gőzerőmű (Haználhattuk volna a h- diagramot (előző dián c ábra) i h közvetlen meghatározáára de az kevéé ponto eredményt adna.) Dr. Pátzay György 7 Dr. Pátzay György 8 A kondenzátum entalpiája: h h f kj/kg (0 bar nyomáon) A zivattyú bemenő munkája: A zivattyú energiamérlege: A kazán energia mérlege alapján: ( p 6 ) 0000 (.0 ) 980 J/kg 098 kj/kg W v p p w h + W h p + 098 kj/kg h + Q h Q h h 778 6 kj/kg A turbina energia mérlege alapján pedig: h h + W W h h 778 68 60 kj/kg A nettó munkavégzé: W NE p W W 60 098 609 kj/kg Özehaonlítva az. példa adataival a kondenzátor beilleztée jelentően megnövelte a munkavégzét: 609-9 % - o munkavégzé növekedé 00 7% 9 A termiku hatáfok: WNE 609 η 0 % Q 6 hatáfok növekedé -7 9% ami igen jelentő.. 0000 kg kj kj A nettó munkavégzé: P m WNE 609 600 kg Dr. Pátzay György 69 kw 69 MW 9 Az egyzerű ideáli túlhevített vízgőzö Rankine-ciklu he McGraw-Hill Companie Inc.998 Dr. Pátzay György 60
A ermodinamika. törvénye é Carnot hatáfok. törvény:hő nem alakítható át munkává bizonyo hővezteég nélkül. Carnot hatáfok:a végzett munka é a rendzerrel közölt hő cak a hőméréklettől függ. Ninc jobb hatáfokú hőerőgép a Carnot hőerőgépnél. Fonto:A hőméréklet Kelvin vagy Rankine egyégben lehet. η c W net /Q high ( high - low )/( high ) η c -( low / high ) K ºC + 7. R ºF + 9.67 A. törvény zerinti hatáfok A. törvény zerinti hatáfok a rendzer aktuáli hatáfokának é a maximáli lehetége (Carnot) hatáfoknak az aránya. η II. törvény zerinti hatáfok (hatáoág) η II η I /η c η I. törvény zerinti hatáfok η c Carnot hatáfok Dr. Pátzay György 6 Dr. Pátzay György 6 Eltéré az ideáli Rankin-Clauiu ciklutól A reáli körülmények között fellépő vezteégek közül a legjelentőebbek a úrlódái é a környezetbe jutó hővezteégek. Ezek irreverzibilitát okoznak é növelik az entrópiát. A kazánban fellépő nyomáeé következtében a kazánba belépő tápvizet a kilépő gőznyománál jelentően nagyobb nyomáon kell bezivattyúzni. urbina vezteégek A turbinánál fellépő vezteégek fő oka a turbina-házon kereztül távozó hővezteég é az turbina lapátokon valamint zelepeken áramló gőz úrlódái vezteégei. Ezek ugyancak irreverzibilitát é entrópia növekedét okoznak. Ezen okok miatt az expanzió nem izentrópiku ahogy azt a 9. ábra i mutatja. Az ábrán a -e pont az izentrópiku expanzió utáni ideáli állapotot a ` pont pedig a reáli végállapotot mutatja. A fenti okok miatt a valódi munkavégzé kiebb lez é a kilépő fáradt gőz magaabb entalpiával valamint entrópiával távozik. Aktuáli turbina munka kimenet h h A turbina izentrópiku hatáfoka: η Izentrópiku munka kimenet h h Szivattyú vezteégek Ugyancak a úrlódái vezteégek miatt a zivattyúzá már nem izentrópiku komprezió é így a valódi zükége munkavégzé a zivattyúnál megnövekedik. Izentrópiku munka bemenet h h A zivattyú izentrópiku hatáfoka: η Aktuáli munka bemenet h h Jó turbina é zivattyú kontrukciók eetén az izentrópiku hatáfokok értéke 08-08 között van. Dr. Pátzay György 6 Dr. Pátzay György 6 6
7. példa A 6. példában zereplő adatok alapján ha az izentrópiku hatáfok a turbina eetén 8% é a zivattyúnál 8% mekkora a nettó teljeítmény kimenet? Milyenek a turbináról kilépő gőz paraméterei? Egy reáli Rankin ciklu Dr. Pátzay György 6 η 0.8; η P 0.8 A 6. példa alapján h 778 kj/kg; h 68 kj/kg h kj/kg; h kj/kg. A turbina izentrópiku hatáfoka alapján: A kilépő fáradt gőz jellemzői: h h η h h 778 h 0.8 778 68 h 90kJ /kg h h + x h 90 + x 8 x 0.86 f (A gőztáblázatból 0 bar nyománál h f é h fg 8 kj/kg) x értéke az előző dián zereplő ábra c görbéjéhez haonló H- görbékből i leolvaható közvetlenül. Az így nyert gőz zárazabb minta az ideáli ciklu alapján zámított érték (x 08). A zivattyú hatáfoka pedig: h h η h h Dr. Pátzay György 66 fg 0.8 h h.kj / kg A kazán energiamérlege alapján: A turbina anyagmérlege alapján pedig: Látható hogy a turbina valóágo kimeneti munkája lényegeen alaconyabb mint az ideáli ciklu eetén (60 kj/kg). A zivattyú energiamérlege alapján: h + W h A reáli munka zivattyún nagyobb mint az ideáli eetben. A nettó munkavégzé: WNE 86.8 A termiku hatáfok: η 0.9 9.% Q.8 A termiku hatáfok megint cak alaconyabb mint ideáli eetben. A nettó leadott teljeítmény: h + Q h Q h h 778..8kJ/ kg kw.mw Dr. Pátzay György 67 h h + W WNE W Wp 88. W h h 778 90 88kJ /kg W h h..kj /kg p P m W. NE p 86.8kJ / kg 0000 kg kj kj 86.8 600 kg A kazánnyomá növekedé hatáa A kazánnyomá növekedée a maximáli ciklu hőméréklet növekedéét okozza é így a hatáfok i növekzik. Ez a hatá ~0 barig áll fent efölött a h fg láten hő draztikuan cökken é így keveebb hő megy át így a hatáfok enyhén cökken. 8. példa A 6. példánál a kazánnyomá 0 bar a kondenzátornyomá pedig 0 bar volt. Ha a kazánnyomát 0 bar-ra növeljük mekkora lez a hazno munkavégzé é a hatáfok növekedée? ételezzük föl hogy a turbinára záraz telített gőz áramlik é az expanzió izentrópiku. Lád. ábra. Az ábra zerint p 0 bar p 0 bar. A gőztáblázatból az 0 bar nyomáú záraz telített gőz entalpiája: h h g 79 kj/kg é entrópiája g 97 kj/kg.k. A kilépő gőz h entalpiájának meghatározáához (- lépé izentrópiku): 0.8 + x 7.07.97 x 077 + x f fg g Dr. Pátzay György 68 7
Ezután: h h f + x hfg + 0.77 8 96kJ / kg (Haználhatjuk a h- diagrammot i h leolvaáára.) A kondenzátum entalpiája (0 bar): h A zivattyú bemeneti munkája: W v p p hf kj / kg A zivattyú energiamérlege alapján: h + W h ( ) 0.000 ( 0 0. 0 ) 980J/kg.98kJ/ kg p p +.98 h h 6kJ /kg p A Rankine-Clauiu ciklu hatáfokának növelée A Rankine-ciklu hatáfoka nem túl maga de bizonyo módoítáokkal növelhető. A kazán energiamérlegével: h + Q h Q h h 79 6 8kJ / kg A turbina energiamérlege alapján: h h + W W h h 79 96 89kJ / kg A nettó (hazno) munkavégzé: Az alaconyabb gőznyomáú eethez képet a hazno munkavégzé %-al a hatáfok pedig 8%-al nőtt. WNE W Wp 89.98 8kJ / kg W η Q NE 8 06 6% 8 hatáfok növekedé 6 86% Dr. Pátzay György 69 Dr. Pátzay György 70 (a) alaconyabb kond. nyomá (hőm.) (c) nyomá (hőm.) növelée Dr. Pátzay György (b) nagyobb túlhevíté 7 A regeneratív tápvíz előmelegíté hatáa Dr. Pátzay György 7 8
. úlhevíté Növelve a gőz hőmérékletét a Carnot ciklu zerint nő a hatáfok. A kazánból kilépő nedve vagy záraz telített gőzt a túlhevítőn vezetik kereztül amíg a gőz egy adott magaabb hőmérékletre melegzik. Minél magaabb a túlhevített gőz hőméréklete annál nagyobb a hatáfok. A hőméréklet felő határa a jelenlegi anyagok eetén ~00 C. 9. példa Az előző példában 0 bar nyomáú záraz telített gőzt vezettünk a kazánból a turbinára é a kondenzátor nyomáa 0 bar volt. Ha a kazánból kilépő gőzt 600 C-ra hevítjük a turbina előtt mekkora a hazno munka á a hatáfok növekedé? Az expanzió izentrópiku. P 0 bar p 0 bar t 600 C. A túlhevített gőztáblázatból az 0 bar nyomáú é 600 C hőmérékletű gőz entalpiája h 666 kj/kg é entrópiája 78 kj/kg.k. A kilépő gőz h entalpiája (- folyamat izentrópiku: Így x 0908. + x f 0.8 + x 7.07 7.8 fg A kilépő gőz mot zárazabb mint az előző példában. Ez cökkenti a turbinalapátok erózióját. Ezután h értéke: h h + x h + 0.98 8 9kJ kg f fg / h értéke megint cak leolvaható a h- diagramból i. A kondenzátum entalpiája 0 bar nyomáon: h hf kj / kg A zivattyú bemeneti munkája: ( p p ) 0.000 ( 0 0. 0 ) 980J/ kg.98kj/ kg Wp v w Dr. Pátzay György 7 Dr. Pátzay György 7 A zivattyú energiamérlege: h + W h A kazán energiamérlege: h + Q h A turbina anyagmérlege zerint: +.98 h A nettó (hazno) munkavégzé: W h 6kJ/kg p Q h h 666 6 0kJ /kg h h + W W h h 666 9 7kJ/ kg W W 7.98 69kJ / kg NE p. Újrahevíté Itt a gőz átlago hőmérékletét má módon növelik. Miután a gőz a turbinán expandált elvezetik onnan azon a ponton ahol éppen nedve gőz lenne é az újrahevítőben magaabb hőmérékletre hevítik. Az újra hevített gőz aztán a turbinán a kondenzátor nyomáig expandál. Az előző példához képet a túlhevíté jelentően megnövelte a nettó munkavégzét. A munkavégzében a zázaléko növekedé 69 8 00 % 8 WNE 69 A hatáfok: η 0.7 7.% Q 0 A hatáfok %-o növekedé 7. -..7% Ez jelentő növekedé. Dr. Pátzay György 7 Dr. Pátzay György 76 9
0. példa Az előző példában az 0 bar nyomáú é 600 C-o túlhevített gőz a turbinán 0 bar nyomáig expandált. Az erőművet az előző dián zereplő ábra zerint módoítva a túlhevített gőz belép a nagynyomáú turbinába á bar nyomáig expandál majd ez a gőz áthalad az újrahevítőn ahol állandó nyomáon 00 C-ra hevül. Az újrahevített gőz ezután az alacony nyomáú turbinára kerül ahol a 0 bar kondenzátor nyomáig expandál. Mekkora a növekedé hazno munkavégzében é a hatáfokban? Mindkét turbinán az expanziót izentrópikunak tételezzük föl. Az ábra zerint: p 0 bar p bar p bar t 600 C t 00 C. Az entalpia értékek a h- diagramból könnyen leolvahatók: h 66 kj/kg h 9 kj/kg h 70 kj/kg h 70 kj/kg. Az alacony nyomáú turbináról távozó gőz jellemzője a diagramról ugyancak könnyen leolvaható: x 098. A gőz tehát zárazabb mint az előző példában így tovább cökken a turbina lapátok erózió igénybevétele. A kondenzátum entalpiája: h h f kj/kg 0 bar nyomáon. A zivattyú bemeneti munkája: W v ( p6 p ) 0000 ( 0 0 0 ) p w 980 J/kg 98 KJ/kg A zivattyú energiamérlege: h + W h A kazán energiamérlege: A nagynyomáú turbina energiamérlege: Az újrahevítő anyagmérlege: h + QSRH h Q h h 70 9 kj/kg Az öze közölt hő: Az alacony nyomáú turbina anyagmérlege: h h + WLP W h h 70 70 700 kj/kg Az öze turbina munkavégzé: W Q A hazno munkavégzé: S 6 + 98 h h 6 kj/kg 6 h + Q Q SB SB p 6 6 h h 66 6 09 kj/kg SRH h QSB + QSRH W NE 6 h h + W W W P HP h h 66 9 70 kj/kg HP 09 + 7 kj/kg LP WHP + WLP 70 + 700 0 kj/kg W 0 98 0 kj/kg Dr. Pátzay György 77 Dr. Pátzay György 78 Az előző példához képet az újrahevíté jelentően megnövelte a hazno munkavégzét. A zázaléko növekedé a munkavégzében é a hatáfokban: 0-69 % - o munka növekedé 00 07% 69 WNE 0 η 00 00 77% Q 7 S A hatáfok növekedé 77-70% elhanyagolható mert a hőközlé átlago hőméréklete cak kicit változott. Az újrahevíté fő előnye az hogy cökken az alacony nyomáú turbinában a gőz nedveége.. ápvíz regeneratív előmelegítée úlhevítéel é újrahevítéel együtt i a Rankine-ciklu hatáfoka nem éri el a 0%- ot. Az ideáli Carnot-ciklu hatáfoka a 0. példa adataival 6%. A különbég oka az hogy a Rankine-cikluban a hő zömét a ciklu maximáli hőmérékleténél alaconyabb hőmérékleten közöljük. Ez a hatá a tápvíz regeneratív előmelegítéével cökkenthető. A regeneratív tápvíz előmelegíténél gőzt vonnak el a turbina közte fokozatától a kazánba belépő tápvíz előmelegítéére. Így a kazánban a hőbevitel magaabb átlago hőmérékleten történik. Dr. Pátzay György 79 Dr. Pátzay György 80 0
. példa Mivel a turbinától elvont gőz nem tud munkát végezni a turbinán annak munkája lecökken. Ugyanakkor a kazánba betáplált hőmennyiég jelentően cökken így a hatáfok növekzik. Dr. Pátzay György 8 Egy hőerőműben a turbinára 0 bar nyomáú 600 C hőmérékletű gőz áramlik. Miután bar nyomáig expandált a gőz egy rézét tápvíz előmelegítére vonjuk el egy nyitott hőcerélőben. A hőcerélőből távozó telített víz bar nyomáú. A turbinán maradó gőz a 0 bar kondenzátor nyomáig (izentrópikuan) expandál. Mekkora a ciklu termiku hatáfoka? Mekkora a hazno teljeítmény 0000 kg/óra gőztermelé mellett? Az előző dián zereplő ábra zerint: p 0 bar p bar p 0 bar t 600 C. Az é állapotú gőz entalpiája a h- diagram alapján: h 66 kj/kg h 9 kj/kg h 90 kj/kg. A kondenzátum entalpiája: h h f kj/kg 0 bar nyomáon. Az zivattyú bemeneti munkája: W Az. zivattyú energiamérlege alapján: h + W ( p ) 000 ( 0 0 0 ) 8J/kg 08 kj/kg p vw p p h + 08 h Dr. Pátzay György h kj/kg 8 h 6 az bar nyomáú telített víz entalpiája h f 60 kj/kg Lépjen ki kg gőz a kazánból é y kg gőzt vonjunk el a turbinától tápvíz előmelegítére. A tápvíz előmelegítő energiamérlege alapján: A zivattyú bemeneti munkája: Wp Öze belépő energia öze kilépő energia y h + ( y) h h6 y 9 + ( y) 60 y 0 ( p ) 0000 ( 0 0 ) 00 J/kg kj/kg vw p6 A nettó munkavégzé: W NE W A termiku hatáfok: η Q p NE W ( y) Wp W 9 ( 0) 08 89 kj/kg 89 00 00 9% 00 ehát a tápvíz regeneratív előmelegítée nélküli 7%-o hatáfok 9%-ra javult tehát fokozatonként ~%-o javulá érhető el. A nagy erőművekben maximum 7 fokozatú előmelegítő rendzert alkalmaznak.. 0000 A nettó teljeítménykimenet m WNE 89 0 kw 0 MW 600 A. zivattyú energiamérlege alapján: h + W 6 p h 7 60 + h7 6 kj/kg A kazán energiamérlege alapján: h7 + Q h Q h h 66 6 00 kj/kg 7 A turbina energiamérlege alapján: h y h + ( y ) h + W 66 0 9 + ( 0) 90 + W W 9 kj/kg Dr. Pátzay György 8 Dr. Pátzay György 8
00 Mw e telejítményű zénerőmű 0 t zén óránként 8000 óra üzemidő mellett.000.000 t zén Dr. Pátzay György 8 Dr. Pátzay György 86 9-9 9- Kombinált cikluú gáz-gőzerőmű émája. Kombinált cikluok (binári cikluok) alkalmazáa Egy erőmű termiku hatáfoka tovább növelhető binári cikluok (kombinált cikluok) alkalmazáával. A binári ciklu két külön cikluból áll: egy magaabb hőmérékletű (topping cycle) é egy relatíve alaconyabb hőmérékletű cikluból. A legáltalánoabb binári ciklu a gáz-gőz (turbiná) kombinált ciklu ahol egy gázturbina (Joule-Brayton ciklu zerint) üzemel a magaabb hőmérékletű tartományban é egy gőzturbina az alaconyabb hőmérékletű tartományban. Az elő cikluból a gázturbináról kilépő forró fütgázok hevítik fel gőzzé a vizet a máodik cikluban. ermézeteen a kombinált ciklu alkalmazáa eetén a termiku hatáfok magaabb mint a külön alkalmazott egye cikluok hatáfokai. Dr. Pátzay György 87 Dr. Pátzay György 88
Dr. Pátzay György 89 Dr. Pátzay György 90 Kombinált cikluok Amennyiben két termék van é a hatáfok eléri a 6%-ot akkor ez kapcolt termelé. Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 9
. Kapcolt energiatermelé (Kogeneráció) Ideáli kapcolt energiatermelé Kapcolt energiatermelé: mechanikai villamoenergia é hőenergia együtte termelée. A hőenergia lehet: gőz (általában technológiai célra) forróvíz (technológiai illetve fűtéi célra) forró levegő (technológiai célra általában zárítá) Kapcolt energiatermelé energetikai mutatói Két fonto mutató együtte haználata zükége özhatáfok (mennyiégi hatáfok) fajlago kapcolt villamoenergia-termelé Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 96
Kapcolt energiatermelé Az energia-megtakarítának egyik leghatékonyabb ezköze a kapcolt hő- é villamoenergia-termelé amikor egy villamoenergia-termelő berendezé termodinamikai alaptörvények következtében elkerülhetetlenül keletkező hulladékhőjét olyan hőfokzinten tudjuk előállítani hogy az még hőigények előorban fűtéi igények kielégítéére felhaználható. Az ilyen rendzerekben a felhaznált tüzelőhő 80-90%- a haznoul villamo- vagy hőenergia formájában. E két energiaforma aránya azonban a válaztott körfolyamat típuától függően eltérő lehet. Ennek megfelelően a kapcolt energiatermelét megvalóító berendezéek jellemzéére két mutatót kell haználni. Az egyik az öze hatáfok a két hazno teljeítmény vizonya a bevezetett hőteljeítményhez a máik a két hazno teljeítmény aránya (a fajlago villamoenergia-termelé) amely a hazno villamo teljeítmény (P vill ) é hőteljeítmény (Q fűtéi ) aránya: Pvill + Q& fűűté Pvill η é σ Q& Q& öze Az utóbbi mutatónak az adja a jelentőégét hogy különválaztott megtermelé eetén a cak villamo-energiát termelő folyamatok hatáfoka általában 0-0% míg fűtéi hő kb. 90% hatáfokkal állítható elő. Emiatt kedvezőbb az a megoldá amelyben több értéke villamoenergia termelhető azaz nagyobb a fajlago villamoenergia-termelée. Dr. Pátzay György 97 fűűté öbb évtizede imerete é alkalmazott eljárá a nagy távhőrendzerekben alkalmazott kapcolt energiatermelé gőzkörfolyamatokban. Ez célzerűen több tíz vagy inkább 00 MW-ot meghaladó cúchőigényű távhőrendzerekben alkalmazható (általában fűtéi célú) forróvíz vagy (általában technológiai célú) gőz hőhordozó előállítáára. A hőkiadá módja ellennyomáú vagy elvétele kondenzáció lehet. Az ellennyomáú hőzolgáltató blokk turbinájában cak annyi gőzt lehet expandáltatni amennyit a fogyaztók igényelnek vagy amennyivel a fogyaztók által igényelt forróvíz felmelegíthető. Ez azt jelenti hogy a villamoenergia előállítáa é a tüzelőanyag fogyaztá közelítőleg arányo a hőigény nagyágával. Egy ellennyomáú fűtőblokk kapcoláát a következő ábra mutatja. Szabályozatlan elvétel t e ápvízelőmelegítő rendzer Fűtéi hőcerélők Az öze hatáfok általában 80 90% a fajlago villamoenergia-termelé értéke a körfolyamat paramétereitől é a hőkiadá hőfokzintjétől függően 0 é 0 között lehet. Egy ilyen kapcolt energiatermelé é az azt helyetteítő külön-külön termelé energiaáramait mutatja kerekített zámokkal a következő ábra. Dr. Pátzay György 98 t v kapcolt energiatermelé tüzel ő- anyag 00 villamo energia 0 hőenergia 6 vezteég üzelőhő megtakarítá: + 7 00 0 külön hő- é villamoenergia termelé tüzelőanyag tüzelőanyag 7 villamo energia 0 vezteég vezteég 0 hőenergia 6 Szabályozatlan elvétel Fűtéi hőcerélők t e tv ápvízelőmelegítő rendzer Elvétele kondenzáció erőmű Az ellennyomáú kapcolt energiatermelétől eltérően az elvétele kondenzáció kapcolt energiatermelé eetén ninc általáno kényzerkapcolat a két termék aránya között. Az ellennyomáú fűtőblokknak alapvetően három különböző üzemállapota van: Minimáli kondenzáció: a kondenzátorba ömlő gőzáram nem cökkenthető nullára még az ábrában jelölt (nem mindig beépített) torlaztó cappantyú eetén em. Ilyenkor a blokk üzeme úgy értékelhető mint egy közö gépben megvalóuló minimáli kondenzáció é egy ellennyomáú körfolyamat zuperpozíciója. Maximáli gőznyelé: ilyenkor a hőkiadá növelée a villamo teljeítmény cökkenéét vonja maga után. A villamo teljeítmény cökkenéének é a kiadott hőteljeítménynek az arányát fajlago kieett villamoenergia-termelének nevezzük. Közbenő tartomány: a két kiadott hazno teljeítmény egymától függetlenül változtatható beállítható. Dr. Pátzay György 99 Dr. Pátzay György 00
Dr. Pátzay György 0 Dr. Pátzay György 0 Hőerőgépek cikluainak hatáfokai Rankine ciklu: villamo hőerőművek atomerőművek hatáfok~ 0% Brayton ciklu: A Rankine ciklu javítáa földgázzal é tüzelőolajjal üzemelő gázturbinák hatáfok~ 8% Kombinált Rankine-Brayton ciklu: cak földgázra hatáfok~60%! Otto ciklu: zikragyújtáú belőégéű motorok (benzinmotorok) hatáfok~0% Dieel ciklu: komprezió gyújtáú belő égéű motorok (dízelmotorok) hatáok~% Dr. Pátzay György 0 Dr. Pátzay György 0 6
Rankine cikluok elméleti hatáfokai Villamoenergia termelé hatáfoka 00 90 80 Rankine ciklu Hatáfok % Hőátadá hőméréklete K C Alap 07 úlhevített 8 8 7 úlhevített+újrahevített 6 66 9 70 60 0 0 0 0 0 úlhevített+tápvíz előmelegített 0 69 6 úlhevített+újrahevített+tápvíz előmelegített 6 6 Szuperkritiku 6 688 Dr. Pátzay György 0 Dr. Pátzay György 06 0 7 Efficiency (%) Hydro power plant idal power plant Large ga fired CCG power plant Melted carbonate fuel cell (MCFC) Pulveried coal boiler with ultra-critical team parameter Solid oxide fuel cell (SOFC) Coal fired IGCC Atmopheric Circulating Fluidied Bed Combution (CFBC) Preuried Fluidied Bed Combution (PFBC) Large ga turbine (MW range) Steam turbine coal-fired power plant Steam turbine fuel-oil power plant Wind turbine Nuclear power plant Bioma and bioga Wate-to-electricity power plant Dieel engine a decentralied CHP unit (electrical hare) Small and micro turbine (up to 00 kw) Photovoltaic cell Geothermal power plant Solar power tower Dr. Pátzay György 07 Dr. Pátzay György 08
Dr. Pátzay György 09 Dr. Pátzay György 0 üzelé O /CO atmozférában Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György 8
0- A hűtőgép é a hőzivattyú Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György A hőzivattyú alaconyabb hőmérékletű helyről munka befektetéével magaabb hőmérékletű helyre zállít hőenergiát. A zállítandó hőenergiát a környezetből (levegőből talajból vízből vagy ipari maradékhőből) nyeri. A hőzivattyú alkalma hűtére i ekkor a magaabb hőmérékletű helyről zállít hőt munka befektetéével az alaconyabb hőmérékletű helyre. ípuai:. Komprezió hőzivattyú A LEGISMEREBB ÍPUS. Megfordított orrendű Carnot ciklu zerint dolgozik. A bepárlóban az alacony nyomáú é hőmérékletű hőhordozó közeg elpárolog é hőt vez fel az alacony hőmérékletű forrából. Ezután munka befektetéével komprezorral komprimáljuk é megnöveljük a hőhordozó nyomáát é hőmérékletét. A megnövelt nyomáú é hőmérékletű hőhordozó ezután a kondenzátorban lekondenzál é hőt ad le a magaabb hőmérékletű helyen azaz fűt. Ezután egy expanzió zelepen alacony nyomára expandál é elpárologva újra hőt vez fel az alacony hőmérékletű forrából. Dr. Pátzay György Komprezió hőzivattyú Dr. Pátzay György 6 9
A hőzivattyú hatékonyágát az ún. munka végzé arányával( work ratio) vagy COP értékkel (coefficient of performance) jellemzik. Ez a leadott hőmennyiég é a befektetett munka aránya a modern hőzivattyúknál COP~6 azaz 6 kw hő nyerhető kw elektromo energia befektetéével.. Abzorpció hőzivattyú A bepárlóból érkező gáz halmazállapotú munkaközeg folyékony oldózerben nyelődik el é eközben hő zabadul fel. A továbbhaladó kombinált közeget munka végzéel a zivattyú megnövelt nyomáal ejektorba juttatja ahol külön válik a gáz munkaközeg a folyadéktól egy külő hőforrá (maradékhő gázégő) egítégével. A nagynyomáú gáz munkaközeg a kondenzátorba léve lekondenzál é hőt ad le a magaabb hőmérékletű helyen. Ezután fojtózelepen áthaladva bepárlóban az alacony nyomáú é hőmérékletű hőhordozó közeg elpárolog é hőt vez fel az alacony hőmérékletű forrából. Dr. Pátzay György 7 6 A bepárlóból érkező gáz halmazállapotú munkaközeg folyékony oldózerben nyelődik el () é eközben hő zabadul fel. A továbbhaladó kombinált közeget munka végzéel a zivattyú () megnövelt nyomáal ejektorba () juttatja ahol külön válik a gáz munkaközeg a folyadéktól egy külő hőforrá (maradékhő gázégő) egítégével. A nagynyomáú gáz munkaközeg a kondenzátorba () érve lekondenzál é hőt ad le a magaabb hőmérékletű helyen. Ezután fojtózelepen () áthaladva bepárlóban (6) az alacony nyomáú é hőmérékletű hőhordozó közeg elpárolog é hőt vez fel az alacony hőmérékletű forrából. Abzorpció hőzivattyú Dr. Pátzay György 8 A hőzivattyúk előnyei: Alacony hőmérékletű hőenergiát képeek munka befektetéével megfelelő hőmérékletű hőenergiává alakítani. Kici az elektromo energia igényük é kiebb a gáz emiziójuk a zokványo hőerőgépekhez képet é kevé bennük a mozgó alkatréz. A hőzivattyúk hátrányai: A maximálian elérhető hőméréklet ~0 C Cak maga energiaáraknál gazdaágo a működéük Fejlődéük orán egyre bonyolultabbak Alkalmazái területük: Fűtégőzfejlezté Szárítá Bepárlá deztilláció Háztartái hűtőgép Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 0 0
0-6 A hőzivattyú télen fűti nyáron hűti a házat Hőerőgépek... Expanzió Hőközlé HŐ urbina Kazán Kondenzátor HŐ Hőelvoná Szivattyú Dr. Pátzay György Komprezió Dr. Pátzay György... hűtőgépek űzcöve kazán Komprezió Melegíté HŐ Hűtő prirál Kompreor Kondenzátor HŐ Hűté Folytózelep Expanzió Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György
Vízcöve kazán Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György 6 Dr. Pátzay György 6