Post on 22-Jan-2021
EnergietechnikDampfkraftprozess, Dampfkraftwerk
Institut für Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 2 von 45
Energietechnik
- Grundlagen -
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 3 von 45
Energietechnik
Der Dampfkraftprozess ist ein thermischer Kreisprozess der die flüssig – gasförmig - Phasenumwandlungnutzt. Arbeitsmedium ist in aller Regel Wasser.
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 4 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 5 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 6 von 45
Energietechnik
Thermodynamischer Prozess:• Änderung der Zustandseigenschaften
eines Systems wie Temperatur, Druck, Volumen
• dabei ändern sich auch die innere Energie / die Enthalpie des Systems
• Wärme und Arbeit werden mit der Umgebung ausgetauscht
• die Betrachtung stützt sich auf Spezialfälle, bei denen eine der Größen Druck, Volumen, Temperatur oder Entropie konstant bleibt
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 7 von 45
Energietechnik
Kreisprozesse:
Bei einfachen Prozessen wird das Arbeitsmittel (AM) von einem Anfangs-(AZ) in einen Endzustand überführt. Um die Energieumwandlung - z.B. Gewinnung von Arbeit durch Wärmezufuhr - wiederholen zu können, muss der Anfangszustand wieder erreicht werden. Um die bei einem Energieumwandlungsprozess erzeugte Energie nutzen zu können muss das AM jeweils auf einem anderen Weg in den AZ gebracht werden, d.h. es ist eine zyklische Folge von Zustandsänderungen erforderlich.
•Umwandlung Wärme in mechanische Arbeit (Wärmekraftmaschine)
•Umwandlung mechanischer Arbeit in Wärme (Arbeitsmaschine, Kältemaschine)
•in einem geschlossenen System oder
•in mehreren hintereinander geschalteten offenen Systemen
Idealer Carnot Prozess (Vergleichsprozess, Prozess mit dem besten Wirkungsgrad)
Wirkungsgrad = gewünschtes Ergebnis / Aufwand
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 8 von 45
Energietechnik
Für jede Zustandsänderung gilt:
2
3
45
n
v
1p
121212 uuwq −=+
232323 uuwq −=+
343434 uuwq −=+
111,1, nnnnnn uuwq −=+ +++
11 += nuu
01
1,1
1, =∑+∑=
+=
+n
iii
n
iii wq
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 9 von 45
Energietechnik
Der Carnot-Prozess dient als Vergleichsprozess. Er ist der Kreisprozess mit dem theoretisch maximalen
Umwandlungswirkungsgrad.
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 10 von 45
Energietechnik
Für die Umwandlung von Wärme in Arbeit wird des theoretisch erreichbare Maximum durch den Carnot-Wirkungsgrad angegeben. Eine höherer Wirkungsgrad ist für diese Umwandlung durch die minderwertigere Natur der Wärme nicht möglich. (2. Hauptsatz)
ηCarnot = 1 - (T2:T1)
ηProzess = ηCarnot * ηis
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 11 von 45
Energietechnik
- Der Verdampfungsvorgang -
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 12 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 13 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 14 von 45
Energietechnik
Was heißt „Kritischer Punkt“ ?
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 15 von 45
Energietechnik
- Der Clausius-Rankine-Prozess -
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 16 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 17 von 45
Energietechnik
Zustandsänderungen für Wasser / Dampf
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 18 von 45
Energietechnik
Clausius-Rankine-Prozess als Heissdampfprozess – Verfahrensschema und Darstellung im T-s-Diagramm
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 19 von 45
Energietechnik
Kreislaufprozess:• Das Arbeitsmittel Wasser (gasförmig bzw. flüssig) durchströmt
das Anlagensystem im Uhrzeigersinn• Speisewasserpumpe – Verdichtung des flüssigen Arbeits-
mittels → Zuführung von technischer Arbeit• Dampferzeuger – An das Arbeitsmittel wird bei hohem Druck
Wärme übertragen (z.B. Verbrennung fossiler Brennstoffe)• Mit den höchsten Werten von p, T verlässt der Wasserdampf die Kesselheizflächen und tritt dann in die Turbine ein ( )0Leitungeninp,T →∆∆
• Turbine – Entspannung des Wasserdampfes auf niedrigen Druck → Abgabe technischer Arbeit
• Kondensator – Wärmeabgabe des Nassdampfes bis zur Kondensation an das Kühlmedium → flüssiges Arbeitsmittel
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 20 von 45
Energietechnik
Annahmen: 1) Die Prozesse laufen nur in den Hauptaggregaten ab und sind
ausnahmslos reversibel2) Die Wärmeübertragung erfolgt bei konstantem Druck.3) Die Turbine und die Speisewasserpumpe sind thermisch ideal
isoliert.4) Zustandsänderungen in den einzelnen Hauptaggregaten:
Speisewasserpumpe: isentrope KompressionDampferzeuger: isobare WärmezufuhrTurbine: isentrope EntspannungKondensator: isobare Wärmeabfuhr
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 21 von 45
Energietechnik
Entsprechende dem Carnot-Wirkungsgrad sind für einen hohen Wirkungsgrad erforderlich:
• hohe Frischdampftemperaturen• geringe Kondensatortemperaturen
Die Temperaturen sind allerdings an folgende Randbedingungen gebunden:• Wärmeabfuhr: klimatische Verhältnisse• Wärmezufuhr: Werkstoff
z.B. bei Drücken von 180 ... 240 bar: • Unlegierte Stähle St 35.8, St 45.8 bis Wandtemperaturen von 450°C• Legierte Stähle 15Mo3, 13Cr Mo4.4, 10CrMo9.10 bis 580°C• Austenitische Stähle X10CrNiMo1613, X10CrNiNb1613 bis 700°C
Weiterhin kann der thermische Wirkungsgrad durch komplexere Prozesse gesteigert werden (Zwischenüberhizung, regenerative Speisewasservorwärmung)
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 22 von 45
Energietechnik
- Komplexere Prozesse -
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 23 von 45
Energietechnik
Dampfkraftprozess mit einfacher Zwischenüberhitzung
Wirkungsgrad steigt!
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 24 von 45
Energietechnik
Regenerative Speisewasservorwärmung
Wirkungsgrad steigt!
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 25 von 45
Energietechnik
Regenerative Speisewasservorwärmung• Wärmeverschiebung erfolgt prozessintern• äußere Wärmeübertragung findet damit im Bereich
hoher Temperaturen statt• dies führt zur Annäherung des Wirkungsgrades an
den Carnotprozess (Carnotisierung)
Die Vorwärmung mit Abdampf, der nahezu Umgebungstemperatur besitzt, ist jedoch nicht möglich! Ausweg: Vorwärmung mit teilentspanntenAnzapfdampfIn den einzelnen Vorwärmstufen sollen gleich große Wärmen übertragen werden!
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 26 von 45
Energietechnik
[ Rebhan, R. (Hrsg.): Energiehandbuch. Springer-Verlag Berlin Heidelberg]
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 27 von 45
Energietechnik
Regenerative Speisewasservorwärmung - Anzahl
Speisewassertemperatur
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 28 von 45
Energietechnik
Mischvorwärmer / Rieselentgaser
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 29 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 30 von 45
Energietechnik
[Balke-Dürr GmbH]
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 31 von 45
Energietechnik
[Balke-Dürr GmbH]
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 32 von 45
Energietechnik
[Balke-Dürr GmbH]
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 33 von 45
Energietechnik
Economizer (Rauchgasbeheizter Vorwärmer)
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 34 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 35 von 45
Energietechnik
Realer Dampfkraftprozess (Clausius - Rankine)
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 36 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 37 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 38 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 39 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 40 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 41 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 42 von 45
Energietechnik
Speisewasserpumpen
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 43 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 44 von 45
Energietechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 45 von 45
Energietechnik