Energietechnik - TU Dresden · Energietechnik Kreisprozesse: Bei einfachen Prozessen wird das...

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Energietechnik Dampfkraftprozess, Dampfkraftwerk Institut für Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik

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EnergietechnikDampfkraftprozess, Dampfkraftwerk

Institut für Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik

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Energietechnik

- Grundlagen -

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Der Dampfkraftprozess ist ein thermischer Kreisprozess der die flüssig – gasförmig - Phasenumwandlungnutzt. Arbeitsmedium ist in aller Regel Wasser.

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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

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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

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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

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Der Carnot-Prozess dient als Vergleichsprozess. Er ist der Kreisprozess mit dem theoretisch maximalen

Umwandlungswirkungsgrad.

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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

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- Der Verdampfungsvorgang -

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Was heißt „Kritischer Punkt“ ?

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- Der Clausius-Rankine-Prozess -

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Zustandsänderungen für Wasser / Dampf

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Clausius-Rankine-Prozess als Heissdampfprozess – Verfahrensschema und Darstellung im T-s-Diagramm

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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

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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

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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)

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- Komplexere Prozesse -

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Dampfkraftprozess mit einfacher Zwischenüberhitzung

Wirkungsgrad steigt!

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Regenerative Speisewasservorwärmung

Wirkungsgrad steigt!

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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!

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Energietechnik

[ Rebhan, R. (Hrsg.): Energiehandbuch. Springer-Verlag Berlin Heidelberg]

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Energietechnik

Regenerative Speisewasservorwärmung - Anzahl

Speisewassertemperatur

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Energietechnik

Mischvorwärmer / Rieselentgaser

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Energietechnik

[Balke-Dürr GmbH]

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[Balke-Dürr GmbH]

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[Balke-Dürr GmbH]

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Economizer (Rauchgasbeheizter Vorwärmer)

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Realer Dampfkraftprozess (Clausius - Rankine)

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Speisewasserpumpen

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