ΥΛΙΚΑ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

ΥΛΙΚΑ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΤΜΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ Σημειώσεις Δ. Κουζούδη Εαρινό Εξάμηνο 2017

ΑΤΜΟ-ΣΤΡΟΒΙΛΟΙ (ΑΤΜΟ-ΤΟΥΡΜΠΙΝΕΣ) Που χρησιμοποιούνται; Για παραγωγή ηλεκτρικής ς σε μεγάλη κλίμακα. Εκτός από τα φωτοβολταϊκά που παράγουν απευθείας ηλεκτρισμό από το φως, όλες οι άλλες τεχνολογίες παράγουν κάπως κίνηση και η κίνηση αυτή, μέσω γεννητριών, μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό. Η κίνηση παρέχεται από στροβίλους μέσω της αλληλεπίδρασής τους με κάποιο ρευστό όπως το νερό των ποταμών (υδροστρόβιλοι) στους υδροηλεκτρικούς σταθμούς είτε από ατμό (ατμοστρόβιλοι) Ο ατμός παράγεται από την καύση κάποιου καυσίμου όπως λιγνίτης, φυσικό αέριο, βιοντίζελ, πετρέλαιο ή πυρηνικό καύσιμο.

Ενέργεια Γενικά Περίπου το 80% της ηλεκτρικής ς τόσο παγκοσμίως όσο και στην Ελλάδα παράγεται με ατμο-στρόβιλους. Η θέρμανση του ατμού προέρχεται από καύση άνθρακα (Ελλάδα), υδρογονανθράκων όπως το φυσικό αέριο ή το βιο-ντίζελ, πυρηνικού καυσίμου (ουράνιο ή πλουτώνιο) και σε μικρό ποσοστό από ηλιακούς κατοπτρικούς συλλέκτες. Δυστυχώς μόνο το 1/3 από το παραγόμενο ποσό θερμότητας μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Παρόλα αυτά, τα δίκτυα διανομής της ηλεκτρικής ς ανά τον κόσμο (π.χ. της ΔΕΗ στην Ελλάδα) είναι πολύ αποτελεσματικά με μόλις 6% απώλειες.

Δυναμική Φωτοβολταϊκό Υδροστρόβιλος Φωτεινή Αιολική Στροφείο ανεμογεν. Περιστροφική Γεννήτρια (δυναμό) Ηλεκτρική Ατμοστρόβιλος Θερμική Πυρηνικ. Αντιδραστήρας Καυστήρας Καυστήρας Πυρηνικ. καύσιμο Ορυκτό καύσιμο Φυσικό αέριο

ΑΤΜΟ-ΣΤΡΟΒΙΛΟΙ (ΑΤΜΟ-ΤΟΥΡΜΠΙΝΕΣ)

Στροφεία Πτερύγια Ρευστό Θερμοκρασίες Κέλυφος Πίεση Ανεμογεννήτρια Ατμοστρόβιλος Υδροστρόβιλος Υδροστρόβιλος Ανεμογεννήτρια Ατμοστρόβιλος

Ανεμογεννήτρια Ατμοστρόβιλος Υδροστρόβιλος Στροφεία 1 Ν > 1 1 Πτερύγια 3 Ν >> 3 Ν > 3 Ρευστό Αέρας Ατμός Νερό Θερμοκρασίες 0 20 0 C 500 700 0 C 10 30 0 C Κέλυφος Όχι Ναι Ναι Πίεση ~ Ατμοσφαιρική Πολύ Υψηλή Υψηλή Υδροστρόβιλος Ανεμογεννήτρια Ατμοστρόβιλος

Ατμο-στρόβιλοι, πολλά στροφεία (κοινός άξονας), πολλές λεπίδες Κατά μήκος της κίνησης του ατμού: Κίνηση ατμού

Ατμο-στρόβιλοι, πολλά στροφεία (κοινός άξονας), πολλές λεπίδες Κατά μήκος της κίνησης του ατμού: Πτώση τάσης Πτώση θερμοκρασίας Αύξηση ακτίνας κίνησης ατμού Αύξηση μεγέθους πτερυγίων Αύξηση χώρου μεταξύ πτερυγίων Κίνηση ατμού

Αύξηση ειδικού όγκου του ατμού όπως μειώνεται η πίεσή του => μεγαλύτερες λεπίδες

Ατμός Μη κινούμενες σχάρες Κινούμενα στροφεία Άξονας ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Ατμός υψηλή Παρασύρει τα πτερύγια των στροφείων κοινό άξονα Αποκτάει ακτινική προς τα έξω συνιστώσα Μη κινούμενες σχάρες, ευθυγραμμίζουν την ταχύτητα

Διάβρωση

Τυπικά τέσσερις περιοχές πίεσης/θερμοκρασίας (κατακόρυφος άξονας) Καλύπτουν ένα εύρος ισχύος 0-100 MW (οριζόντιος άξονας)

Old video explaining redirection of steam > 3:00 https://www.youtube.com/watch?v=swvuqcq5xoa

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ RANKINE Αποτελείται από Καυστήρα: Μετατροπή νερού σε υπέρθερμο ατμό Ατμοστρόβιλο: Μετατρέπει την θερμική του ατμού σε περιστροφική κίνηση Συμπυκνωτής: Μετατρέπει το μίγμα ατμού νερού σε 100% νερό Αντλία: Αυξάνει την πίεση του νερού Καυστήρας Ατμοστρόβιλος Συμπυκνωτής Αντλία

ΚΥΚΛΟΣ RANKINE, θερμοδυναμικές διαδικασίες (Δείτε και το θερμοδυναμικό διάγραμμα στην επόμενη διαφάνεια. Οι αριθμοί 1 έως 6 είναι σημεία στο διάγραμμα) Καυστήρας: Θεωρούμε ότι το ρευστό διατηρεί την υψηλή πίεση που δημιουργήθηκε από την αντλία και έτσι οι παρακάτω τρεις διαδικασίες είναι ισοβαρείς: 2 3 Θέρμανση νερού 3 4 Αλλαγή φάσης από νερό σε ατμό 4 5 Μετατροπή κορεσμένου ατμού σε υπέρθερμο 5. Ατμοστρόβιλο Ατμοστρόβιλος: Επειδή δεν προσφέρεται ούτε αφαιρείται θερμότητα στον ατμό, θεωρείται προσεγγιστικά αδιαβατική διαδικασία. 5 6 Εκτόνωση. Συμπυκνωτής: Μετατρέπει το μίγμα ατμού νερού σε 100% νερό, 6 1 Αλλαγή φάσης, σταθερό Τ και Ρ Q εσ Καυστήρας 4. 3. W ωφ 2. 6. Q εξ Συμπυκνωτής Αντλία: Θεωρείται προσεγγιστικά αδιαβατική διαδικασία. 1 2 Συμπίεση (αλλαγή ισοβαρούς στο διάγραμμα) W δπ Αντλία 1.

ΚΥΚΛΟΣ RANKINE, Διάγραμμα Θερμοκρασίας Εντροπίας (οι καμπύλες α και β είναι ισοβαρείς) 5. Ι. Περιοχή υπόψυκτου νερού ΙΙ. Περιοχή κορεσμού (αλλαγής φάσης νερού-ατμού) ΙΙ Περιοχή υπέρθερμου ατμού α Ι. α 3. 4. ΙΙ. α ΙΙΙ. 2. β β 1. β 6.

ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ Καμινάδα καυσαερίου Γεννήτρια Πύργος ψύξης

ΚΥΚΛΟΣ RANKINE Όλες οι μεταβολές Α Β θεωρούνται ως διεργασίες ροής με ελεγχόμενο όγκο οπότε μπορούμε να εφαρμόσουμε την θερμοδυναμική που αναπτύξαμε στην προηγούμενη διάλεξη. Το ισοζύγιο ς για μια στάσιμη κατάσταση οδηγεί στην ሶ Q ሶ W + mh ሶ Α mh ሶ Β + 1 2 mሶ c Α 2 c 2 Β = 0 Συνήθως η μεταβολή της κινητικής ς του ατμού είναι μικρή επειδή οι ταχύτητες c είναι μικρές (προσοχή: ταχύτητα ρεύματος ατμού και όχι μοριακές ταχύτητες που είναι τεράστιες!). Όπως είδαμε, στον κύκλο αυτό έχουμε είτε αδιαβατικές διεργασίες στις οποίες Q = 0 οπότε και ሶ W = mሶ h Α h Β είτε έντονα θερμικές-ψυκτικές διεργασίες με υψηλά Q οπότε W 0 και ሶ Q = mሶ h Β h Α Επομένως πρέπει να γνωρίζουμε τις τιμές του h σε κάθε σημείο αλλά και εντροπίας s (επειδή δουλεύουμε σε διάγραμμα T-s). Αυτές τις τιμές τις διαβάζουμε από τα διαγράμματα νερού-ατμού, π.χ. http://www.spiraxsarco.com/resources/pages/steam-tables.aspx

ΚΥΚΛΟΣ RANKINE, θερμοδυναμικές διαδικασίες Έτσι το ωφέλιμο έργο (ανά μονάδα χρόνου) είναι αυτό που παράγει ο ατμοστρόβιλος ሶ W ωφ = mሶ h 5 h 6 ενώ πρέπει να δαπανήσουμε για τον καυστήρα ποσό θερμότητας (ανά μονάδα χρόνου) Q εσ 5. W ωφ Ατμοστρόβιλο ሶ Q εσ = mሶ h 5 h 2 6. αλλά και για την αντλία (ανά μονάδα χρόνου) ሶ W δπ = mሶ h 2 h 1 Αντιθέτως η αποβαλλόμενη θερμότητα Qሶ εξ = mሶ h 6 h 1 στον συμπυκνωτή, δεν προσμετράται στην απόδοση όπως και στη μηχανή Carnot. Καυστήρας 4. 3. W δπ 2. Αντλία Q εξ Συμπυκνωτής 1.

ሶ ΚΥΚΛΟΣ RANKINE, απόδοση Έτσι η απόδοση η του κύκλου είναι ίση με το κλάσμα του ωφέλιμου προς το δαπανώμενο έργο η = ሶ Q εσ + W ωφ = Wሶ αντλ h 5 h 6 h 5 h 2 + h 2 h 1 Q εσ 5. W ωφ Ατμοστρόβιλο δηλαδή 6. η = h 5 h 6 h 5 h 1 Καυστήρας 4. Q εξ 3. 2. Συμπυκνωτής 1. W δπ Αντλία

Παράδειγμα: Σε μια διαδικασία με κύκλο Rankine, η πίεση στον λέβητα είναι ίση με 2 MPa και η θερμοκρασία εισόδου στον ατμοστρόβιλο είναι 370 0 C. Το νερό πριν να εισαχθεί στον συμπυκνωτή έχει πίεση 12.5 kpa και είναι κορεσμένο στην είσοδο της αντλίας. Η αντλία δουλεύει ισεντροπικά. (α) Σχεδιάστε τη διαδικασία σε διάγραμμα T-s (β) Βρείτε την ποιότητα του ατμού στην έξοδο της τουρμπίνας (γ) Βρείτε την απόδοση του κύκλου Λύση: Από πίνακες ατμού-νερού (steam tables) βρίσκουμε τις εξής ιδιότητες (ακολουθώ τον παρακάτω σύνδεσμο): http://www.spiraxsarco.com/resources/pages/steam-tables.aspx

Σημείο 1, χαμηλή πίεση 12.5 kpa, κορεσμένο υγρό, επάνω στην καμπύλη κορεσμένου υγρού. Επιλέγω από τον πίνακα το Saturated Water Line 5. α Ι. α 3. 4. ΙΙ. α ΙΙΙ. 2. β β 1. β 6.

Από τα διαγράμματα παίρνουμε θερμοκρασία 50.25 0, ειδική ενθαλπία h 1 = 210 kj/kg και ειδική εντροπία s 1 = 707 J/kg K

Σημείο 2, ισεντροπική συμπίεση στα 20 MPa, υπόψυκτο υγρό. Επιλέγω από τον πίνακα το Sub Saturated Water Region 5. α α Ι. 3. 4. ΙΙΙ. α ΙΙ. 2. β β 1. β 6.

Θέτω πίεση 20 Mpa και ειδική εντροπία s 2 = s1 = 707 J/kg K και παίρνω h 2 = 230.6 kj/kg

Σημείο 3, υψηλή πίεση 20 ΜPa, κορεσμένο υγρό, επάνω στην καμπύλη κορεσμένου υγρού. Επιλέγω από τον πίνακα το Saturated Water Line. Όπως και με το σημείο 1 βρίσκω θερμοκρασία 366 0 C, ειδική ενθαλπία h 3 = 1.83 10 6 J/kg και ειδική εντροπία s 3 = 4014 J/kg K 5. α Ι. α 3. 4. ΙΙ. α ΙΙΙ. 2. β β 1. β 6.

Σημείο 4, υψηλή πίεση 20 ΜPa, κορεσμένο υγρό, επάνω στην καμπύλη κορεσμένου ατμού. Επιλέγω από τον πίνακα το Dry Saturated Steam Line. Όπως και με το σημείο 1 βρίσκω θερμοκρασία 366 0 C, ειδική ενθαλπία h 4 = 2.41 10 6 J/kg και ειδική εντροπία s 4 = 4933 J/kg K 5. α Ι. α 3. 4. ΙΙ. α ΙΙΙ. 2. β β 1. β 6.

Σημείο 5, υψηλή πίεση 20 ΜPa, θερμοκρασία 370 0 C, υπέρθερμος ατμός. Επιλέγω από τον πίνακα το Superheated Steam Region. Όπως και παραπάνω, βρίσκουμε ειδική ενθαλπία h 5 = 2.52 10 6 J/ kg και ειδική εντροπία s 5 = 5105 J/kg K 5. α Ι. α 3. 4. ΙΙ. α ΙΙΙ. 2. β β 1. β 6.

Σημείο 6, ισεντροπικά μεταβαίνουμε σε χαμηλή πίεση 12.5 kpa επάνω στην γραμμή κορεσμού. Επιλέγω από τον πίνακα το Wet-Steam Region. Αφού ισεντροπική μεταβολή, τότε s 6 = s 5 = 5105 J/kg K αλλά δυστυχώς το σύστημα ζητάει ως είσοδο να δώσουμε την ξηρότητα, (Dryness) δηλαδή το ποσοστό x σε ατμό του μίγματος ατμού-νερού. Πως το βρίσκουμε αυτό; Επάνω στην γραμμή κορεσμού (δείτε παρακάτω σχήμα) η ξηρότητα είναι ίση με 0% στο αριστερό της άκρο f (σημείο 1) και 100% στο δεξί της άκρο g. Όλες οι ιδιότητες του μίγματος ατμού-νερού μεταβάλλονται γραμμικά με το x επάνω σε αυτή την ευθεία. Έτσι π.χ. θέτοντας στον πίνακα x = 0 % και 100% (με πίεση 12.5 kpa) παίρνουμε αντίστοιχα s f = 707 J/kg K (ίση με το σημείο 1) και s g = 8070 J/kg K. Τότε στο σημείο 6 που έχουμε την ενδιάμεση τιμή s 6 = 5105 J/kg K θα ισχύει με γραμμική προσαρμογή ότι: x = 5105 707 8070 707 = 0.597 δηλαδή η ξηρότητα είναι 59.7 % (καμιά φορά η ξηρότητα είναι γνωστή και ως η ποιότητα του ατμού.

Τώρα μπορούμε να καταφύγουμε στον πίνακα επάνω στην γραμμή κορεσμού (Wet Stream Region) και να εισάγουμε για την ξηρότητα 59.7 % και για πίεση την τιμή 12.5 kpa και να πάρουμε για την ειδική ενθαλπία h 6 = 1.63 10 6 J/kg

Έτσι στο συγκεκριμένο πρόβλημα η απόδοση είναι ίση με δηλαδή η = h 4 h 5 h 4 h 6 = 2.41 106 5105 2.41 10 6 1.63 10 6 = 0.309 η = 30.9 %