Θερμικές Εγκαταστάσεις (Παραγωγής Ισχύος)

Transcript

1 (Παραγωγής Ισχύος) Διδάσκων: Κώστας Περράκης ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ (Πρόγραμμα ιαλέξεων) Εισαγωγή Ενέργεια, Διατάξεις και συστήματα παραγωγής ισχύος. Θερμοδυναμικά συστήματα, Ιδιότητες, κατάσταση και ισορροπία, διεργασίες και κύκλοι. Ιδιότητες των καθαρών ουσιών. Καθαρές ουσίες, φάσεις, διεργασίες αλλαγής φάσης, διαγράμματα φάσεων. Θερμοδυναμική του ατμού., πίνακες ιδιοτήτων. Καταστατικές εξισώσεις, Ιδανικό αέριο. Ο πρώτος νόμος της Θερμοδυναμικής (κλειστά συστήματα-ανοικτά συστήματα). Εισαγωγή, θερμότητα, έργο, εσωτερική ενέργεια, διατύπωση του πρώτου νόμου. Ανάλυση διατάξεων μόνιμης ροής σε θερμικά δίκτυα. Ο δεύτερος νόμος της Θερμοδυναμικής. Εισαγωγή, θερμοδοχεία, θερμικές μηχανές, συντελεστές απόδοσης, αεικίνητα. Κύκλος Carnot, αξιώματα Carnot, Εντροπία, Αρχή αύξησης της εντροπίας. Εξέργεια, Ισοζύγιο και Αρχή μείωσης της εξέργειας. Μετάδοση Θερμότητας. Αγωγή, Συναγωγή, Ακτινοβολία. Προβλήματα Μετάδοσης Θερμότητας. Εναλλάκτες Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 1 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 2 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ (Πρόγραμμα ιαλέξεων) συνέχεια.. Κύκλοι ισχύος με αέρα. Βασικές θεωρήσεις και παραδοχές, Κύκλοι ισχύος με αέρα. Otto, Diesel. Ο κύκλος Αεριοστροβίλου-Brayton- Ιδανικός κύκλος Brayton, αναγέννηση, αναθέρμανση. Κύκλοι παραγωγής ισχύος με ατμό. Ατμοηλεκτρικοί σταθμοί (ΑΗΣ). Ιδανικός κύκλος Rankine, κύκλος Rankine με αναθέρμανση και με αναγέννηση. Σύνθετοι κύκλοισυμπαραγωγή. ιατάξεις και εξαρτήματα σε θερμικά δίκτυα Ατμοηλεκτρικών σταθμών. Εστίες, Λέβητες, Υπερθερμαντήρας, Ατμοστρόβιλος, Συμπυκνωτής, Αντλίες, Αναγεννητές, Ατμοπαγίδες κλπ.. Ενεργειακοί υπολογισμοί. Παράδειγμα υπολογισμού θερμικού δικτύου παραγωγής ισχύος Ατμοπαραγωγού. Ψυκτικοί Κύκλοι. Ιδανικός και πραγματικός κύκλος ψύξης με συμπίεση ατμού, Αντλίες θερμότητας, Ψύξη με απορρόφηση, άλλα συστήματα ψύξης Βιβλιογραφία Θερμοδυναμική για Μηχανικούς, Y. Cengel, M. Boles 7η έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2011, (Διανέμεται δωρεάν στους φοιτητές). Εισαγωγή στη Θερμοδυναμική, J.Smith, M. Abbot, H. Van Ness, 5η έδ έκδοση Εδό Εκδόσεις Τζιόλα, 1998 (Εναλλακτικά ά διανέμεται δωρεάν στους φοιτητές). Θερμοδυναμική - Τόμος 2, Άγγελος Παπαϊωάννου. Θερμοηλεκτρικοί σταθμοί. Κακαράς Ε. Εκδόσεις Φούντας; Ατμοπαραγωγοί Ι Γενικές Αρχές. Παπαγεωργίου Ν.Εκδόσεις Συμεών; Ασκήσεις - Θέματα Ατμοπαραγωγών και Θερμικών Εγκαταστάσεων. Καρέλλας Σ, Κακαράς Ε, Παπαγεωργίου Ν, Παπαπαύλου Χ. Εκδόσεις Συμεών; Πίνακες Ιδιοτήτων, Τυπολόγιο, Μονάδες-Μετατροπές, (eclass) Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 3 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 4 1

2 Στοιχεία Θερμοδυναμικής Θερμοδυναμική και ενέργεια Κεφάλαιο 1 Ενότητα 1 Η Θεμοδυναμική είναι ένα περίεργο αντικείμενο. Την πρώτη φορά που ασχολείσαι λί μαζί του δεν το καταλαβαίνεις καθόλου. Την δεύτερη φορά που ασχολείσαι μαζί του νομίζεις ότι το καταλαβαίνεις όλο εκτός από καναδυό σημεία. Την τρίτη φορά που ασχολείσαι μαζί του ξέρεις ότι δεν το καταλαβαίνεις, ωστόσο έχεις εξοικειωθεί τόσο μαζί του ώστε δεν σε νοιάζει πλέον. -Arnold Sommerfield "Thermodynamics is the only physical theory of universal content which, within the framework of the applicability of its basic concepts, I am convinced will never be overthrown." Albert Einstein Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 5 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 6 Εισαγωγή ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ (Θέρμη+ ύναμη) Ιστορικά Στοιχεία Προσπάθεια για Μηχανική Ισχύ από Θερμότητα Ατμός-Διατάξεις και κινητήρες ατμού Ήρων ο Αλεξανδρεύς 1 ος αιώνας μχ - αιολόσφαιρα Η επιστήμη της Ενέργειας Ενέργεια: Αντιληπτή σαν Ικανότητα πραγματοποίησης αλλαγών Σαν μοντέρνα επιστήμη ασχολείται με τον Μετασχηματισμό κάθε μορφής Εέ Ενέργειας σε κάποια άλλη καθώς και με όλα τα συστήματα και τις διατάξεις κατανάλωσης και μετατροπής ενέργειας Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 7 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 8 2

3 Ιστορικά Στοιχεία ΑΗΣ ΚΑΡΔΙΑΣ (4 μονάδες1200 MW) -Thomas Savery 1697 Αγγλία -Thomas Newcοmen 1712 Αργοί- μικρή απόδοση 5% Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 9 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 10 Βασικά στοιχεία εγκατάστασης Ατμοπαραγωγού Λέβητας-Υπερθερμαντήρας Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 11 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 12 3

4 Ατμοστρόβιλος Ατμοστρόβιλος Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 13 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 14 Ατμοστρόβιλος-Γεννήτρια Κύκλος Rankine με αναθέρμανση-αναγέννηση Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 15 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 16 4

5 Τετράχρονος Κινητήρας Αεριοστρόβιλος παραγωγής ισχύος Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 17 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 18 Turbofan Συνολική Παγκόσμια Παραγωγή Πρωτογενούς Ενέργειας Combustible Renewables & Waste : Βιομάζα Hydro: Υδροηλεκτρικά Nuclear: Πυρηνικά Natural Gas: Φυσικό αέριο Coal: Άνθρακας Oil: Πετρέλαιο Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 19 Toe: μονάδα μέτρησης ενέργειας=ενέργεια που παράγεται από την καύση ενός τόνου αργού πετρελαίου= MWh(πηγές: ΔΟΕ, ΟΟΣΑ). **Στον όρο Other (λοιπά) περιλαμβάνονται η γεωθερμία, η ηλιακή, η αιολική ενέργεια, κλπ Μέση κατανάλωση ανα άτομο στις ανεπτυγμένες χώρες 5 Toe Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 20 5

6 Ιστορικά Στοιχεία Πηγές Ηλεκτροπαραγωγής στην ΕΕ των 27 (2008) ΔιατύπωσηΔ ύ 1ου, 2ου Θερμοδυναμικού αξιώματος ξώ 1850 Sadi Carnot Εγχώρια Παραγωγή Η.Ε. ανά μορφή καυσίμου Διασυνδεδεμένο Σύστημα William Rankine Εργασίες Rudolf lfclausius Lord Kelvin (William Thomson) Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 21 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 22 Θερμοδυναμική και Ενέργεια Θερμοδυναμικοί Νόμοι (Αξιώματα) 1ος Νόμος της Θερμοδυναμικής Αρχή διατήρησης Ενέργειας-Ένας θεμελιώδης φυσικός νόμος Θερμοδυναμική και Ενέργεια 2ος νόμος της Θερμοδυναμικής Η Ενέργεια εκτός από ποσότητα έχει και ποιότητα Οι πραγματικές διεργασίες γίνονται προς την κατεύθυνση της ελάττωσης της ποιότητας της Ενέργειας Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 23 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 24 6

7 Πεδία εφαρμογών Θερμοδυναμικής Κάθε δραστηριότητα της μηχανικής που περιλαμβάνει αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενέργειας και μάζας Παραγωγή Ισχύος από πρωτογενείς ενεργειακές πηγές Μετατροπή μορφών ενέργειας Σχέσεις ιδιοτήτων της ύλης Μορφές ενέργειας Ολική Ενέργεια Συστήματος Ε Θερμική Μηχανική Κινητική Δυναμική Χημική Ηλεκτρική Μαγνητική γη Πυρηνική Μακροσκοπικές μορφές Σχετίζονται με το σύστημα σαν σύνολο σε σχέση με εξωτερικό σύστημα αναφοράς (πχ. Δυναμική, Κινητική) Μικροσκοπικές μορφές Συνδέονται με την μοριακή δομή και κινητικότητα των μορίων του συστήματος (Εσωτερική Ενέργεια U) Ε ολ =U + KE + PE = U + mv 2 /2 + mgz (kj) Η Θερμοδυναμική ασχολείται με τις μεταβολές της ολικής Ενέργειας όχι με την απόλυτη τιμή της Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 25 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 26 Φυσική σημασία της Εσωτερικής Ενέργειας Εσωτερική ενέργεια U Στάσιμες μορφές Ενέργειας Περιέχονται ή αποθηκεύονται στο σύστημα Μορφές ενέργειας Δυναμικές Μορφές Ενέργειας ή Ενεργειακές αλληλεπιδράσεις Μεταφορά Θερμότητας-Έργο Θερμική ήεέ Ενέργεια Πυρηνική Ενέργεια δεσμών των ατόμων του πυρήνα Χημική Ενέργεια δεσμών των ατόμων του μορίου Λανθάνουσα Σχετίζεται με την ενέργεια αλλαγών φάσης Αισθητή Κινητική ενέργεια των μορίων Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 27 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 28 7

8 Σύστημα - Περιβάλλον ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Βασικές ιδέες και αρχές Θερμοδυναμικό Σύστημα ή Σύστημα Καθορισμένη ποσότητα ύλης ή περιοχή του χώρου Περιβάλλον Η μάζα ή η περιοχή έξω από το σύστημα Όριο ή οριακή επιφάνεια Η υποθετική επιφάνεια που χωρίζει το σύστημα από το περιβάλλον Περιβάλλον Όριο Σύστημα Απαραίτητος ο ακριβής καθορισμός του συστήματος που θα μελετηθεί Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 29 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 30 Μικροσκοπική και Μακροσκοπική θεώρηση... Μεθοδολογίες Εξέτασης Θερμοδυναμικών Συστημάτων Άτομα σε ένα δοχείο, και η ταχύτητά τους Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 31 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 32 8

9 Ενέργεια κατά την μικροσκοπική περιγραφή Η Μακροσκοπική Περιγραφή Ενέργεια ατόμου = x,y,z συντεταγμένες θέσης κάθε μορίου U x, U y, U z ταχύτητες κάθε μορίου 1 e m V 2 Αριθμός ατόμων = N, Ν=6.02x10 26 mol -1 N N 2 Ολική Ενέργεια = en m V ke 2 i Περιγραφή του συστήματος από μικρό αριθμό επιλεγμένων μακροσκοπικών συντεταγμένων που εμπίπτουν στις αισθήσεις, που μπορούν να μετρηθούν και προσδιορίζονται πειραματικά. Η ενέργεια και στις δύο, περιπτώσεις είναι ίδια E. Στην μακροσκοπική περιγραφή αγνοούνται οι υποθέσεις για την δομή της ύλης. Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 33 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 34 Μεθοδολογίες εξέτασης συστημάτων Για την περιγραφή της συμπεριφοράς των Θερμοδυναμικών Συστημάτων και της αλληλεπίδρασής τους με το περιβάλλον πρέπει να γίνει καθορισμός και επιλογή των κατάλληλων μεγεθών που συνδέονται με αυτό ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΣ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΣ Περιγραφή του συστήματος από μεγάλος αριθμός μικροσκοπικών μικρό αριθμό μακροσκοπικών συντεταγμένων συντεταγμένων γίνονται υποθέσεις για την δομή της ύλης που εμπίπτουν στις αισθήσεις δεν εμπίπτουν στις αισθήσεις μας που μπορούν να μετρηθούν και δεν μπορούν να μετρηθούν προσδιορίζονται πειραματικά χωρίς να γίνονται υποθέσεις για την Πχ. Ν μόρια αερίου Ν=6.02x10 26 δομή της ύλης mol -1 x,y,z συντεταγμένες θέσης κάθε Πχ. Σύνθεση, όγκος, πίεση, μορίου U θερμοκρασία ενός καύσιμου μίγματος x, U y, U z ταχύτητες κάθε μορίου Ιδιότητες Θερμοδυναμικού Συστήματος Θερμοδυναμικό Σύστημα m V T P ρ Συνεχές μέσο Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Εξαρτώνται από το μέγεθος του συστήματος Εκτατικές και Εντατικές ιδιότητες Εκτατικές Εντατικές Ειδικές ή μοριακές ιδιότητες 1/2m 1/2V T P ρ Δεν εξαρτώνται από το μέγεθος του συστήματος 1/2m 1/2V T P ρ Εκτατικές Εντατικές ανά μονάδα μάζας ή ανά mol Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 35 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 36 9

10 Τύποι Συστημάτων προς Εξέταση Κλειστό Σύστημα Βασικοί ορισμοί. Ροή Μάζας dm dt 0 Ανοιχτό Σύστημα Ροή Μάζας Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 37 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 38 Κλειστό Θερμοδυναμικό Σύστημα-Μάζα ελέγχου Ανοιχτό Θερμοδυναμικό Σύστημα-Όγκος ελέγχου Σύστημα + Περιβάλλον = Σύμπαν Περιβάλλον Κλειστό Σύστημα Περιβάλλον Ροή Μάζας Επιφάνεια Ελέγχου Ανοιχτό Σύστημα ( Καθορισμένος Χώρος ή Όγκος) Όριο Συστήματος Τα ανοιχτά συστήματα παρουσιάζουν ροή μάζας μέσω των ορίων τους Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 39 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 40 10

11 Κλειστό Σύστημα Πως αλλάζει η κατάσταση ενός θερμοδυναμικού συστήματος; Περιβάλλον Θερμότητα Αλληλεπιδράσεις μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος... Έργο Σύστημα Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 41 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 42 Παράδειγμα: Κύλινδρος Έμβολο-Ένα κλειστό Σύστημα Κλειστά συστήματα m Έμβολο Κλειστό Σύστημα ή Μάζα ελέγχου Αέριο σε πίεση, P Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 43 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 44 11

12 Ανοικτό Σύστημα Παράδειγμα: Αεροστρόβιλος-Ένα ανοιχτό Σύστημα Περιβάλλον Ροή Μάζας Σύστημα Θερμότητα Εισαγωγή Αέρα Εισαγωγή καυσίμου Καυστήρας Έξοδος Ισχύος Έργο Ροή Μάζας Ισχύς προς συμπιεστή Έξοδος Καυσαερίων Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 45 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 46 Παράδειγμα: Θερμοσίφωνας-Ένα ανοιχτό Σύστημα Ανοικτό Σύστημα ή Όγκος ελέγχου Εισαγωγή ΕνέργειαΕ έ ιατάξεις και συστήματα παραγωγής ισχύος. Θερμοδυναμικά συστήματα Μακροσκοπική προσέγγιση Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 47 Κεφάλαιο1, Ενότητα 1, Διαφάνεια 48 12