ENE-C3001 Energiasysteemit

Transkriptio

1 ENE-C300 Energiasysteeit Mikä on energiasysteei? Kari Alanne Mikä on energiasysteei? Lähtökohtana on terodynaainen systeei eli ypäristöstä taserajalla erotettu kokonaisuus, josta tietoa kerätään ja jossa tapahtuvia iliöitä tarkastellaan. Kiinnostuksen kohteena ovat systeeiin tulevat, sieltä lähtevät ja sinne varastoituvat energiat. Terodynaainen systeei voi olla kokonainen järjestelä (esi. teollisuusprosessi, voialaitos), siitä rajattu osa tai yksikköprosessi (esi. läönsiirrin, höyryturbiini). Käytännössä kokonaista järjestelää eli energiasysteeiä tarkastellaan useiden erillisten terodynaaisten systeeien uodostaana kokonaisuutena. Tavoitteena on yärtää, iten erilliset systeeit vaikuttavat toisiinsa ja sitä kautta kokonaisuuteen. Pohdi, kuinka onella eri tavalla taseraja voidaan/on järkevää kuvassa asettaa. Pohdi yös, itkä tekijät ratkaisevat taserajan asettaisen.

2 Systeein käyttäytyistä kuvaavat perusajattelutavat Prosessiajattelua tarvitaan systeein tilassa (esi. läpötila, paine) tapahtuvien uutosten kuvaaiseen ja yärtäiseen ongelanratkaisussa. Laskennassa käytetään tilayhtälöitä. Taseajattelua tarvitaan systeeiin tulevien, sinne varastoituvien ja sieltä lähtevien aine- ja energiavirtojen kuvaaiseen ja yärtäiseen ongelanratkaisussa. Laskennassa käytetään taseyhtälöitä (esi. assatase, tehotase). Esierkki: prosessiajattelu Alkutila Muutostila Lopputila T [C] p [Pa] V [ 3 ] U [J] y.y. ΔT [C] Δp [Pa] ΔV [ 3 ] ΔU [J] läpöenergia = sisäisen energian uutos Q = ΔU = U U [J] T [C] p [Pa] V [ 3 ] U [J] y.y. Tilayhtälö (esierkiksi): pv pv T T

3 Esierkki: taseajattelu Φ [W] = läpövirta P [W] = ekaaninen teho tai sähköteho ΔU/Δt [J/s=W] Φ [W] P [W] Tehotaseyhtälö (kuvan esierkissä): P + Φ P - Φ = ΔU/Δt Massan säilyinen eli jatkuvuus Tarkastellaan virrtauskanavan poikkileikkauksia ja Supistus q A v ρ q q Av A v Jatkuvuusyhtälö q A v ρ 3

4 q,i h tot,i z i Energian säilyinen avoiessa virtaussysteeissä (I PS) P i Φ n q, h tot, P n U, Φ i Φ z = 0 P q,n h tot,n P q, h tot, Entalpiavirrat Mekaaniset tehot Läpövirrat Taseraja Energiatase: du Pi Φi q, ihtot, i i i i dt Massatase: d qi, i dt Stationääritila: d dt = du dt = 0 Entalpia eli läpösisältö Fluidin eli virtaavan aineen sisältäää energiaa kuvaava, sisäenergiasta johdettu apusuure Kokonaisoinaisentalpia p htot cpt h v gz cv t h v gz issä c p = virtaavan aineen oinaisläpökapasiteetti vakiopaineessa c V = virtaavan aineen oinaisläpökapasiteetti vakiotilavuudessa p = paine, joka pakottaa virtausalkion systeeiin ρ = virtaavan aineen tiheys t = virtaavan aineen läpötila (läpötila-asteikon nollakohta on sovitussa vertailuläpötilassa, esi. 0 C) h = keiallinen oinaisenergia, ns. uodostuisentalpia (esi. läpöarvo) v = virtausnopeus g= putoaiskiihtyvyys z = korkeusasea (nollakohta sovitulla tasolla, esi. erenpinnan tasolla) Kokonaisoinaisentalpian [J/kg] yhtälössä otetaan tarpeen ukaan huoioon virtaukseen sitoutuneet energiauodot. (Yllä olevassa esitystavassa ei ole ukana pintajännitysenergia, jonka erkitys useissa akrotason insinöörisovelluksissa on vähäinen.) 4

5 Pyrkiys kohti tasapainoa (II PS) Läönsiirron käynnistyinen: läpötilaerot pyrkivät tasoittuaan -> läönsiirto tapahtuu aina korkeaasta läpötilasta atalapaan Virtauksen syntyinen: paine-erot (ja korkeuserot) pyrkivät tasoittuaan -> virtaus tapahtuu aina korkeaasta paineesta atalapaan (painovoia). Tarkastellaan esierkkinä assa-alkiota. Säiliöstä purkautuva kaasu Järvestä laskeva vesi V 0 v 0 = 0 p 0 T 0 Virtaus kiihtyy kanavan supistuessa (= staattisen paineen uuntuessa dynaaiseksi paineeksi). Häviöt Paine on potentiaalia. Virtaus hidastuu kanavan laajetessa (= dynaaisen paineen palautuessa staattiseksi paineeksi). p T V v z v 0 = 0 Virtaus kiihtyy potentiaalienergian uuntuessa kineettiseksi energiaksi. gz v Häviöt häviöt Virtaus hidastuu kineettisen energian palautuessa potentiaalienergiaksi. v Korkeus on potentiaalia. Häviöllisyys (II PS) Systeein entropia eli epäjärjestys kasvaa terodynaaisessa prosessissa. Sellaista läpövoiakonetta, joka uuttaisi kaiken ottaansa läön työksi, ei voida rakentaa (hyötysuhde: η < 00 %) Kaikkea systeeiin tuotua energiaa ei voida uuttaa ekaaniseksi työksi ( energian laadun aleneisen laki ). Rajoittavat tekijät ovat läpötila, jossa läpö tuodaan prosessiin (T i, [K]) ja ypäristön läpötila, tasapainotila, jota kohti läpö siirtyy (T o, [K]). Carnot-hyötysuhde ilaisee teoreettisen osuuden systeeiin tuodusta läpöenergiasta (= exergian), joka voidaan uuttaa työksi: T o C Ti Sankey-diagrai havainnollistaa, iten systeeiin tuotu energia uuntuu eri uotoon ja päätyy häviöiksi. Mikä on Sankey-diagrain kuvaaan prosessin Carnot-hyötysuhde, kun sähkö on tuotettu aurinkopaneelilla (auringon pintaläpötila 6000 K) ja läpö vapautuu huonetilaan (läpötila 94 K)? 5