ÁLTALÁNOS GÉPTAN Előadó: Dr. Fazekas Lajos Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar 6. Előadás A vízgőz Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A fajlagos hőtartalom, az i-p diagram 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: Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A víz halmazállapot változása és hőtartalma 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. 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). Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A vízgőz átalakulásának folyamata 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 Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A telített vízgőz és a túlhevített gőz A légköri nyomású telített vízgőz fajlagos hőtartalma: A telített gőzt tovább hevítve, túlhevített gőzt kapnak, amelynek fajhője: Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A túlhevített gőz fajlagos hőtartalma 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 Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar A vízgőz i-p diagramja Az egyes fajlagos hőtartalmak arányai a nyomás függvényében változnak. Nyomás növekedésével növekszik a folyadékmeleg fajlagos értéke, ugyanakkor csökken a rejtett meleg. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar 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 abszolút hőmérséklet pedig állandó. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar Az entrópia fogalma 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.  Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar Az entrópia fogalma 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: Debreceni Egyetem Műszaki Kar

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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar A vízgőz T-s diagramja Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar 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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar A vízgőz T-s diagramja 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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A vízgőz T-s diagramja Túl-hevített gőz Kritikus pont Folyadék K-tól jobbra Kritikus pont Folyadék (az alsó határgörbe és a p=300 bar vonal között) Alsó határ-görbe Felső határ-görbe Folyadék + Gőz (az egész határgörbe alatti terület) Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A vízgőz T-s diagramja 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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar A vízgőz T-s diagramja 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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar A vízgőz T-s diagramja 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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A vízgőz i-s diagramja (Mollier-diagram) Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar A vízgőz i-s diagramja 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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Debreceni Egyetem Műszaki Kar 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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A vízgőz technológiai alkalmazása Kombinált ciklusú erőművek 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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

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. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Brayton–Joule-ciklus Gázturbinás erőművek esetében alkalmazzák. 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! Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Kombinált ciklusú erőmű: A kombinált ciklusú erőmű elvi vázlata és a gőzturbinás erőmű elvi felépítése 5 Kombinált ciklusú erőmű: 1 - generátorok, 2 - gőzturbina, 3 - kondenzátor,4 - tápszivattyú, 5 - gőzkazán, 6 – gázturbina. Gőzturbinás erőmű. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A gőz- és a gázturbinás erőmű energetikai összehasonlítása K = Kazán, Tgo =Gőzturbina, Tga = Gázturbina, É = Égéstér, G = Generátor E1 = kötött primer energiaforrás Q = közölt hőmennyiség W = munka E2 = kimenő villamos energia Debreceni Egyetem Műszaki Kar

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°. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

A Szegedi Gázerőmű működési elve A sárga nyíllal jelölt folyamat a vízgőz körfolyamat. Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Nyitott rendszerű gázturbina elvi vázlata Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Zárt rendszerű gázturbina elvi vázlata Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Szétbontott gőzturbina és járókerekei Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Gázturbina szerkezeti felépítése Debreceni Egyetem Műszaki Kar

Köszönöm figyelmüket! Viszont látásra! Debreceni Egyetem Műszaki Kar