ÁLTALÁNOS GÉPTAN

ÁLTALÁNOS GÉPTAN

Debreceni EgyetemMűszaki Kar

Előadó: Dr. Fazekas Lajos

Debreceni Egyetem Műszaki Kar

6. Előadás

A vízgőz


A vízgőz energiája

A fajlagos hőtartalom, az i-p diagram •A vízgőz az egyik legfontosabb ipari energiahordozó. •A víz, illetve a vízgőz nagy fajhője (fajlagos hő kapacitása) miatt különösen alkalmas hőenergia tárolására.•A víz fajhője:

Kkg

kJcv 19,4


•A vizet légköri nyomáson (p0≈0,1013MPa) melegítve, kb. T1=373K-ig, vagyis 100°C-ig, az folyadékállapotban marad. •T0=273K-ről indulva, a forrás kezdetéig a víz fajlagos (azaz kg-kénti) hőtartalma:

az az ún. folyadékmeleg légköri nyomáson.

kg

kJK

Kkg

kJTTci v 41910019,4)(' 011,0

A fajlagos hőtartalom jele az SI mértékrendszerben a „h”, de a korábbi szakirodalmakban található i használata is megengedett (egyes

szakirodalmakban a fajlagos hő fogyasztást fajlagos entalpiának is nevezik).

A víz halmazállapot változása és hőtartalma


•Tovább folytatva a melegítést, a víz 373K-en forrni kezd, azaz átalakul gőzzé. •Amíg a gőzzé alakulás tart, nedves gőzről beszélünk, amikor a víz teljes tömegében gőzzé alakult, azt már telített gőznek nevezzük. •A gőzzé alakulás közben a gőz-víz keverék hőmérséklete állandó, a fajlagos hőtartalom azonban, a betáplált hőmennyiség következtében, növekszik. •Légköri nyomáson a teljes elpárologtatáshoz szükséges fajlagos hőmennyiség az ún. rejtett meleg:

r0,1=2260kJ/kg

A vízgőz átalakulásának folyamata


•A légköri nyomású telített vízgőz fajlagos hőtartalma:

•A telített gőzt tovább hevítve, túlhevített gőzt kapnak, amelynek fajhője:

kg

kJ

kg

kJrii 26792260419' 1,01,01,0

Kkg

kJcth 09,2

A telített vízgőz és a túlhevített gőz


•Mindkét fajhő számértéke függetlennek tekinthető a nyomástól. •A T2 hőmérsékletre túlhevített légköri nyomású vízgőz túlhevített fajlagos hőtartalma:

i”’0,1=cth·(T2-T1)•A túlhevített gőz összes fajlagos hőtartalma ezek után:

i0,1=i’0,1+r0,1+i”’0,1

bevezetve az i”0,1=i’0,1+r0,1 jelölést, akkor:

i0,1=i”0,1+I”’0,1

A túlhevített gőz fajlagos hőtartalma


•Az egyes fajlagos hőtartalmak arányai a nyomás függvényében változnak.

•Nyomás növekedésével növekszik a folyadékmeleg fajlagos értéke, ugyanakkor csökken a rejtett meleg.

A vízgőz i-p diagramja


Az entrópia fogalma

Az entrópia termodinamikai állapotfüggvény, amelynek változásából a folyamatok megfordíthatóságára lehet következtetni (reverzibilitás elmélete). A matematikai kifejezése, illetve az entrópia változása a

differenciálegyenlettel írható le, ahol a dW hőmennyiség változást jelent, a T abszolúthőmérséklet pedig állandó.

K

kJ

T

dWdS


Az egyenletet rendezve és integrálva:

•Az egyenlet szerint állandó hőmérsékleten is van hő felvétel, ha növekszik a rendszer entrópiája. •Ismereteink szerint a hő felvétel hőmérséklet növekedéssel jár együtt. Szilárd testre, tiszta folyadékra vagy telített gőzre felírható:

W = c·m·(T2-T1)ahol c az illető anyag fajhője, azaz anyagjellemző, az egyes anyagokra más és más.

WTSSdWdSTWs

s

)( 12

0

2

1


T

dWdS


•Az entrópia emlékeztet a fajhő fogalmára, a fajhő azonban anyagjellemző, az entrópia nem az illető anyagra, hanem annak hőtartalmára jellemző állapotfüggvény. •Az entrópia mint állapotfüggvényről kimondható: zárt rendszer entrópiája meg nem fordítható (irreverzibilis) folyamatoknál nő; megfordítható (reverzibilis) folyamatoknál nem változik. •A technikai számításoknál az entrópia abszolút értéke nem döntő, csak annak változása, így sok esetben az entrópia értékét a 0 °C hőmérséklettől számolják. •A vízgőz állapotváltozási diagramjain a fajlagos entrópia szerepel:

Kkg

kJ

m

Ss



A vízgőz állapotváltozását leíró T-s és i-s diagramok

•Ezeket a diagramokat entrópia-diagramoknak is nevezik, mivel a vízgőz állapotjelzőinek bonyolult összefüggéseit ábrázolják koordináta-rendszerben oly módon, hogy a diagram vízszintes tengelyén változóként a fajlagos entrópia értékei szerepelnek. •Attól függően, hogy a függőleges tengelyen melyik állapotjelzőt ábrázolják a másik változóként: hőmérséklet-entrópia diagramok szerkeszthetők. •Az entrópia diagramokban a vízgőz egyéb állapotjelzői mint paraméterek szerepelnek.


A vízgőz T-s diagramja


•A vízgőz T-s diagramjában – megállapodás szerint – a t = +0,01°C hőmérsékletű és p = 611Pa nyomású vízállapothoz s0 = 0 entrópia-, illetve i0 = 0 hőtartalom értéket rendelnek a legújabban elfogadott nemzetközi gőztáblázatokban. •Az elgőzölögtetés kezdetét (telített folyadékállapot) és végét (száraz telített gőzállapot) törések jelzik a p = konst. vonalakon.



• Ezeken a pontokon csatlakozik az elpárologtatás vízszintes vonala a folyadék- és gőztartományban exponenciális jelleggel az emelkedő p=konst. vonalszakaszokhoz.

• Ezeknek a töréspontoknak az összekötő vonalai az ún. határgörbék a gőzök T-s diagramjaiban: alsó határgörbe a telített folyadékállapotokat összekötő, felső határgörbének a száraz telített gőzállapotokat összekötő görbe ágakat nevezik.

• A két határgörbe ág a K kritikus pontban találkozik.



A vízgőz T-s diagramja Folyadék(az alsó

határgörbe és a p=300 bar vonal között)

Folyadék + Gőz(az egész határgörbe alatti

terület)

Túl-hevített

gőz K-tól

jobbra

Kritikus pont

Alsó határ-görbe

Felső határ-görbe


•Csökken a nyomás növekedésével a rejtett meleg, míg végül a pkr≈22MPa nyomáson nullára zsugorodik. •A két határgörbe között a vízszintesen futó izobárokat egyenlő szakaszokra osztva és az egymásnak megfelelő pontokat összekötve adódnak az x=konst. vonalak, x jelenti a folyadéknak azt a részét, ami már gőzhalmazállapotba jutott. •Az alsó határgörbén x=0 a felső határgöbén x=1. •Az i=konst. vonalak ebben a diagramban már nem futnak vízszintesen, mert a vízgőz távolról sem tekinthető ideális gáznak.


x = a keverék gőztartalma.


•A diagramon szereplő nyomás- és hőmérséklet tartományban a víz vagy vízgőz fojtása i=konst. hőmérséklet-csökkenéssel jár. •Az alsó határgörbéről induló fojtás részleges elpárolgást eredményez. •A hőközlések, hőelvonások, adiabatikus reverzibilis (megfordítható) és adiabatikus irreverzibilis (nem megfordítható) állapotváltozások kezelését illetően az ideális gázok T-s diagramjánál leírtak alkalmazhatók értelemszerűen.




•A T-s diagram használata azért nehézkes, mert a hőterületeket minden alkalommal pontosan le kell mérni. Ez bonyolultabbá teszi az irreverzibilis állapotváltozások követését és mindenekelőtt a gőzturbinákban végbemenő folyamatok számítását. •A vízgőz termodinamikai jellemzőit ezért i-s koordináta-rendszerben megadva megalkották a vízgőz i-s diagramját, mely hasznos segédeszköze kalorikus szakembereknek.


A vízgőz i-s diagramja (Mollier-diagram)


•A diagramban a határgörbéken kívül a p=konst. T=konst. X=konst. vonalak szerepelnek. •A két határgörbe között t=konst. a vonalak egybeesnek a telítési állapotnak megfelelő nyomásvonalakkal. •Nagy léptékű diagramokon szerepeltetik a v=konst. vonalakat is. Ezeknek a gőzturbina méretezésénél van fokozott jelentőségük.

A vízgőz i-s diagramja


•Az ábrán szaggatott vonallal határolt tartomány az, amit a nagy léptékű diagramokon szerepeltetnek. •A folyadéktartomány termodinamikai jellemzőit ugyanakkor gőztáblázatokból veszik. •Fontos törvény a vízgőz entrópiai-diagramjainak használatával kapcsolatban, hogy adiabatikus állapotváltozás esetén a vízgőz entrópiája állandó, s ezért az adiabatikus állapotváltozást a T-s és i-s diagramban is függőleges egyenesek ábrázolják.

A vízgőz i-s diagramja


A vízgőz technológiai alkalmazása

• A kombinált ciklus olyan termodinamikai körfolyamat, amely több egyszerű körfolyamatból áll.

• A hőerőgépek a tüzelőanyag elégetéséből származó hőenergiának csak egy részét (általában 50%-nál kevesebbet) tudják hasznosítani. A hőenergia többi része veszteségként a környezetet melegíti.

• Két vagy több megfelelően választott körfolyamat, például a Brayton–Joule-ciklus és a Rankine-ciklus együttműködése a rendszer összhatásfokát javítja.

• A kombinált ciklusú erőműben egy gázturbina-generátor egység elektromos áramot termel, a gázturbinából távozó még meleg gázzal pedig, amely egyébként veszteséget jelentene, gőzt termelnek, ez gőzturbinát hajt, mely egy másik generátorral áramot termel.

Kombinált ciklusú erőművek


A Rankine-ciklus T-s diagramja •1-2 folyamat: A nagynyomású és magas hőmérsékletű száraz gőz a gőzturbinában expandál. A gőz nyomása és hőmérséklete csökken. A gőz nyomása végül atmoszférikusnál kisebb lesz (vákuum), a gőz egy része lecsapódik: nedves gőz lép ki a turbinából.•2-3 folyamat: A nedves gőz felületi kondenzátorba jut és ott állandó nyomáson lehül és teljes egészében lecsapódik (folyékony vízzé kondenzálódik). A gőz nyomását és hőmérsékletét a kondenzátor hűtővizének hőmérséklete határozza meg.Nukleáris és gőzturbinás

erőművekben is alkalmazzák.


A Rankine-ciklus T-s diagramja

•3-4 folyamat: A tápszivattyú a munkaközeg nyomását a frissgőz nyomására emeli és benyomja a kazánba.

•4-1 folyamat: A kazánban a nagynyomású víz felforr, gőzzé változik, majd a kazán túlhevítő részében túlhevül: túlhevített száraz gőzzé változik, és a körfolyamat ismétlődik elölről.

Nukleáris és gőzturbinás erőművekben is alkalmazzák.


Brayton–Joule-ciklus

A valóságos Brayton-Joule körfolyamat:•1-2 folyamat: adiabatikus állapotváltozás - kompresszió,•2-3 folyamat: izobár állapotváltozás - hőközlés,•3-4 folyamat: adiabatikus állapotváltozás - expanzió,•4-1 folyamat: izobár állapotváltozás - hőleadás

Az entrópia közben

nem változik!

Gázturbinás erőművek esetében alkalmazzák.


A kombinált ciklusú erőmű elvi vázlata és a gőzturbinás erőmű elvi felépítése

Kombinált ciklusú erőmű:1 - generátorok,

2 - gőzturbina, 3 - kondenzátor,4 - tápszivattyú,5 - gőzkazán, 6 – gázturbina.

5

Gőzturbinás erőmű.


A gőz- és a gázturbinás erőmű energetikai összehasonlítása

K = Kazán, Tgo =Gőzturbina, Tga = Gázturbina, É = Égéstér, G = Generátor

E1 = kötött primer energiaforrásQ = közölt hőmennyiség

W = munkaE2 = kimenő villamos energia


Nyíregyházi Kombinált Ciklusú Erőmű• Magyarországon 2007-ben helyezték üzembe a csúcstehnológiájú Nyíregyházi

Kombinált Ciklusú Erőmű Kft. telephelyén az első ilyen hazai erőművet. Az erőmű 47 MW villamos és 68 MW hőteljesítményt képes leadni igen kis kén-dioxid és nitrogén-oxid kibocsátás mellett. Az erőmű hatásfoka 89%.– A gázturbina generátorának kapocsteljesítménye maximum 32,7 MW– A gőzturbina generátorának kapocsteljesítménye maximum 22,3 MW– Névleges kiadott teljesítmény 47,1 MW– Maximális hőkiadás 68 MW, ebből

• forróvíz 64 MW• gőz maximum 60 t/h

• A gázturbina Hitachi gyártmányú 7280 1/min fordulatszámú gép. • A 17 fokozatú axiális kompresszor 28 bar nyomásra sűríti a levegőt, az égéstér

után a gáz hőmérséklete 1300 C°, amely 3 fokozatú gázturbinát hajt. A gázturbina generátorát a Siemens készítette.

• A gőzturbina Siemens SST 600 típusú, 9400 1/min fordulatszámú gép, fogaskerekes reduktoron keresztül hajtja meg az ugyancsak Siemens gyártmányú generátort.

• A gőzturbina frissgőz-paraméterei: 45 bar/497 C°.


A Szegedi Gázerőmű működési elve

A sárga nyíllal jelölt folyamat a vízgőz

körfolyamat.


Nyitott rendszerű gázturbina elvi vázlata


Zárt rendszerű gázturbina elvi vázlata


Szétbontott gőzturbina és járókerekei


Gázturbina szerkezeti felépítése


Köszönöm figyelmüket!Viszont látásra!

ÁLTALÁNOS GÉPTAN

Documents