Luku 9 KAASU(VOIMALAITOS )- KIERTOPROSESSIT

Transkriptio

1 Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, 2011 Luku 9 KAASU(VOIMALAITOS )- KIERTOPROSESSIT Copyright TUT&The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Tavoitteet Arvoida sellaisten kaasukiertoprosessien suorituskykyä, joissa työneste säilyy koko ajan kaasuna. Johtaa yksinkertaistavia oletuksia kaasukiertoprosesseissa käytettäväksi. Tarkastellä mäntämoottorien toimintaa. Analysoida suljettuja ja avoimia kaasukiertoprosesseja. Ratkaista Otto-, Diesel-, Stirling- ja Ericsson -kiertoprosesseihin liittyviä ongelmia. Ratkaista ongelmia, jotka liittyvät Brayton-kiertoprosessiin; Braytonkiertoprosessiin regeneraatiolla ja Brayton kiertoprosessiin välijäähdytyksellä, tulistuksella ja regeneraatiolla. Analysoida suihku-propulsio kiertoprosesseja. Identifioida yksinkertaistavia oletuksia kaasukiertoprosessien toisen pääsäännön mukaiseen analyysiin. Tehdä toisen pääsäännön mukainen analyysi kaasukiertoprosesseihin. 2 1

2 KIERTOPROSESSIEN ANALYYSIN PERUSTEET Useimmat voimaa tuottavat laiteet toimivat kiertoprosesseina. Ideaalinen kiertoprosessi: Kiertoprosessia joka muistuttaa todellista, muta on tehty täysin palautuvista prosesseista. Palautuvalla kiertoprosessilla kuten Carnot kiertoprosessilla on korkein terminen hyötysuhde kaikista lämpövoimakoneista, jotka toimivat samojen lämpötilatasojen välillä. Toisin kuin ideaaliset kiertoprosessit, ne ovat täysin palautuvia sopimattomia realistisiksi malleiksi. Lämpövoimakoneiden terminen hyötysuhde Mallintaminen on tehokas insinöörityökalu, joka tarjoaa hyvän tuntuman ja yksinkertaistuksen tarkkuuden kustannuksella. Monien monimutkaisten prosessien analyysi voidaan pelkistää hallittavissa olevalle tasolle käyttämällä idealisointeja. 3 T-s kaaviossa, kiertoprosessin sulkeman alueen suhde lämmöntuonnin alaan vastaa kiertoprosessin termistä hyötysuhdetta. Mikä tahansa muutos, joka kasvattaa näiden alojen suhdetta lisää myös kiertoprosessin termistä hyötysuhdetta. Voimakiertoprosessien analyysin idealisoinnit ja yksinkertaistukset: 1. Kiertoprosessi si sisällä minkäänlaista kitkaa. Siksi työväliaineeseen ei kohdistu painehäviötä sen virratessa putkissa tai alitteissa kuten lämmönsiirtimissä. 2. Kaikki paisunta ja puristusprosessit tapahtuvat quasi-tasapainossa. 3. Eri komponentteja yhdistävät putket ovat hyvin eristettyjä ja lämpöhäviöt niissä ovat mitättömiä. Ideaalisten kiertoprosessien tulkinnassa täytyy harjoittaa huolellisuutta Molemmissa P-v ja T-s kaavioissa, prosessikäyrän sulkema alue vastaa kiertoprosessin nettotyötä. 4 2

3 CARNOT KIERTOPROSESSI JA SEN ARVO TEKNIIKASSA Carnot-kiertoprosessi muodostuu neljästä täysin palautuvasta prosessista: isoterminen lämmön tuonti, isentrooppinen paisunta, isoterminen lämmön luovutus ja isentrooppinen puristus. Ideaaliselle ja todelliselle kiertoprosessille: Terminen hyötysuhe kasvaa lämmöntuonnin keskimääräisen lämpötilan kasvaessa tai lämmönluovutuksen keskimääräisen lämpötilan laskiessa. Ajasta riippumaton Carnot-kiertoprosessi. Carnot-kiertoprosessin P-v ja T-s kaaviot. 5 ILMA-STANDARDIN OLETTAMUKSET Palamisprosessi korvataan lämmöntuontiprosessilla ideaalisessa kiertoprosesseilla. Ilma-standardin olettamukset: 1. Työväliaineena on ilma, joka jatkuvasti kiertää suljetussa kierrossa ja käyttäytyy aina kuten ideaalikaasu. 2. Kaikki kiertoprosessin muodostavat prosessit ovat sisäisesti palautuvia. 3. Palamisprosessi korvataan ulkoisesta lähteestä tapahtuvalla lämmöntuontiprosessilla. 4. Palamiskaasujen poistoprosessi korvataan lämmönluovutusprosessilla, joka palauttaa työväliaineen alkutilaansa. Kylmä-ilma-standardin olettamukset: Työväliaine on ilma, jolla on vakio ominaislämmöt huoneen lämpötilassa (25 C). Ilma-standardi-kiertoprosessi: Kiertoprosessi, johon ilma-standardin olettamukset soveltuvat. 6 3

4 POLTTOMOOTTORIEN YLEISKATSAUS Puristussuhde Keskimääräinen tehollinen paine Kipinäsytytys (Spark-ignition SI) moottorit Puristussytytys (Compression-ignition CI) moottorit Mäntämoottorisanasto. 7 OTTO KIERTOPROSESSI: IDEAALINEN KIERTOPROSESSI KIPINÄ SYTYTYKSELLE Todelliset ja ideaaliset kiertoprosessit kipinäsytysmoottoreille ja niiden P-v-kaaviot. 8 4

5 Nelitahti kiertoprosessi 1 Jakso = 4 iskua = 2 kierrosta Kaksitahti kiertoprosessi 1 Jakso = 2 iskua = 1 kierros Kaksitahtikoneet ovat yleensä vähemmän tehokkaita kuin vastaavat nelitahti koneet, mutta ne ovat melko yksinkertaisia ja halpoja ja niillä on korkea teho-paino ja teho-tilavuus -suhteet. Ideaalisen Ottoprosessin T-s kaavio. Kaksitahtipolttomoottorin kaaviokuva. 9 Kipinä-sytytys moottoreissa, puristussuhdetta rajoittaa itsesytytys tai moottorin nakutus. Otto-prosessin terminen hyötysuhde kasvaa työväliaineen ominaislämpösuhteen k kasvaessa. Ideaalisen Otto-prosessin terminen hyötysuhde puristussuhteen funktiona (k = 1.4). 10 5

6 DIESEL-PROSESSI: IDEAALINEN PROSESSI PURISTUS-SYTYS -MOOTTOREILLE Diesel-moottoreissa, vain ilmaa puristetaan puristusiskussa, joka eliminoi itsesytyksen (moottorin nakutuksen). Siksi, diesel-moottorit voidaan suunnitella toimimaan korkeammilla puristussuhteilla kuin kipinäsytys moottorit, tyypillisesti 12 ja 24 välillä. 1-2 isentrooppinen puristus 2-3 vakio tilavuus lämmön tuonti 3-4 isentrooppinen paisunta 4-1 vakio tilavuus lämmön poisto. Diesel-moottoreissa, sytystulppa on korvattu polttoainesuuttimella ja vain ilmaa puristetaan puristusprosessissa. 11 Cutoff suhde Samalla puristussuhteella Ideaalisen Diesel-prosessin terminen hyötysuhde puristus- ja cutoff-suhteiden funktiona (k=1.4). 12 6

7 Kaksois-prosessi: Realistisempi ideaalisen prosessin malli modernille, suur-nopeus puristus-sytytys- moottorille. Ideaalisen kaksoisprosessin P-v -kaavio. KYSYMYKSIÄ Diesel-moottorit toimivat korkeammilla ilmapolttoainesuhteilla kuin bensiini-moottorit. Miksi? Kaksitahti moottoreita ei käytetä autoissa vaikka niillä on suurempi teho-painosuhde. Miksi? Stationaarit diesel-moottorit ovat kaikista tehokkaimpia voimaa tuottavia laitteita (noin 50%). Miksi? Mikä on turbo-ahdin? Miksi niitä käytetään enimmäkseen diesel-moottoreissa bensiinimoottoreihin verrattuna? 13 STIRLING- JA ERICSSON-PROSESSIT Stirling prosessi 1-2 T = vakio, paisunta (lämmön tuonti ulkoisesta lähteestä) 2-3 v = vakio, regenerointi (sisäinen lämmönsiirto työväliaineesta regeneraattoriin) 3-4 T = vakio, puristus (lämmön poisto ulkopuoliseen nieluun) 4-1 v = vakio, regenerointi (sisäinen lämmönsiirto regeneraattorista työväliaineesen) Regeneraattori on laite, joka lainaa energiaa työväliaineesta osassa kiertoprosessia ja maksaa sen takaisin toisessa osassa (ilman korkoa). 14 7

8 Stirling- ja Ericsson-prosessit antavat viestin: Regeneraatio voi lisätä hyötysuhdetta. Molemmat Stirling- ja Ericsson-prosessit ovat täysin palautuvia, kuten Carnotprosessikin ja siksi: Ericsson-prosessi on aivan kuin Stirlingprosessi paitsi, että kaksi vakiotilavuus prosessia on korvattu vakiopaine prosessilla. Stirling-prosessin toiminta. Jatkuvasti toimiva Ericsson kone. 15 BRAYTON PROSESSI: IDEAALINEN PROSESSI KAASU-TURBIINEILLE Polttoprosessi on korvattu vakio-paine lämmöntuonti prosessilla ulkopuolisesta lämmönlähteestä ja poistoprosessi on korvattu vakiopaine lämmönpoistolla ulkoilmaan. 1-2 Isentrooppinen puristus (ahtimessa) 2-3 Lämmöntuonti vakiopaineessa 3-4 Isentrooppinen paisunta (turbiinissa) 4-1 Lämmönpoisto vakiopaineessa Avoin kaasuturbiini (prosessi). Suljettu kaasuturbiini. 16 8

9 Painesuhde Ideaalisen Brayton-prosessin T-s ja P-v kaaviot. Ideaalisen Braytonprosessin terminen hyötysuhde painesuhteen funktiona. 17 Kaasuturbiinien kaksi tärkeintä sovelluskohdetta ovat lentokoneet ja sähköntuotanto. Turbiinin siipien materiaalin lämpötilan kestävyys rajoittaa käytettävissä olevaa korkeinta lämpötilaa. Tämä rajoittaa myös prosessissa käytettävissä olevaa painesuhdetta. Ilma kaasuturbiineissa tuo polttoaineen poltossa tarvittavan hapen ja jäähdyttää samalla eri komponetteja pitäen niiden lämpötilan turvallisissa rajoissa. Ilmapolttoainesuhde 50 tai enemmän ei ole epätavallinen. T min ja T max vakio arvoilla, Brayton prosessin nettotyö kasva aluksi painesuhteen mukana, saavuttaa sitten maksimin arvolla r p = (T max /T min ) k/[2(k - 1)], ja lopulta laskee. Sitä osaa turbiinin tuottamasta työstä, jota käytetään ahtimen pyörittämiseen kutsutaan back work suhteeksi. 18 9

10 Kaasuturbiinien kehittäminen 1. Turbiinin sisääntulolämpötilan kasvattaminen 2. Turbiinin komponenttien hyötysuhteen kasvattaminen (turbiini, kompressori). 3. Lisäämällä muutoksia peruskiertoon (välijäähdytys, regeneraatio tai rekuperaatio ja tulistus). Todellisen kaasuturbiinikiertoprosessin eroavuudet ideaalisesta Aiheuttajat: Palautumattomuudet turbiinissa ja kompressorissa, painehäviöt, lämpöhäviöt Kompressorin ja turbiinin isentrooppiset hyötysuhteet Todellisen kaasu-turbiini -kiertoprosessin eroavuudet ideaalisesta Brayton-kiertoprosessista palautumattomuuksien vuoksi. 19 REGENERAATIO BRAYTON- KIERTOPROSESSISSA Kaasu-turbiini -koneissa, turbiinista lähtevien pakokaasujen lämpötila on usein huomattavasti korkeampi kuin kompressorista lähtevän ilman lämpötila. Siksi, kompressorista lähtevä korkeapaineinen ilma voidaan lämmittää kuumilla pakokaasuilla vastavirta lämmönsiirtimessä (regeneraattorissa tai rekuperaattorissa). Brayton prosessin terminen hyötysuhde kasvaa regeneraation seurauksena, koska käytetään vähemmän polttoainetta samaan nettotyöhön. Regeneratiivisen Braytonprosessin T-s kaavio. Kaasu-turbiinikoneikko, jossa on regeneraattori

11 Regeneratiivisen Braytonprosessin T-s kaavio. Terminen hyötysuhde riippuu minimi ja maksimi lämpötilojen suhteesta samoin kuin painesuhteesta. Regeneraatio on tehokkain alhaisilla painesuhteilla ja alhaisella minimi ja maksimi lämpötilojen suhteilla. Voidaanko regeneraatiota käyttää korkeilla painesuhteilla? Braytonprosessin terminen hyötysuhde ideaaliselle kiertoprosessille regeneraatiolla ja ilman sitä. Regeneraattorin hyötysuhde Kylmä-ilma-standardin mukainen hyötysuhde Kylmä-ilma-standardin mukainen hyötysuhde 21 BRAYTON-PROSESSI VÄLIJÄÄHDYTYKSELLÄ, TULISTUKSELLA JA REGENERAATIOLLA Kompressoriin tehdyn työn minimimoimiseksi ja turbiinin tekemän työn maksimoimiseksi Kaasu-turbiini-koneikko kaksi-vaiheisella puristuksella, välijäähdytyksellä, kaksivaiheisella paisunnalla, tulistuksella ja regeneraatiolla ja sen T-s kaavio

12 Monivaiheinen puristus välijäähdytyksellä: Kaasun puristuksen vaatimaa työtä kahden paineen välillä voidaan pienentää suorittamalla puristus vaiheittain ja jäähdyttämällä kaasua niiden välillä. Tämä pitää kaasun ominaistilavuuden niin pienenä kuin mahdollista. Monivaiheinen paisunta välitulistuksella pitää väliaineen ominaistilavuuden niin korkana kuin mahdollista paisunnan aikana, maksimoiden tehdyn työn. Välijäähdytys ja välitulistus pienentävät aina termistä hyötysuhetta ellei siihen ole liitetty regeneraatiota. Miksi? Yksivaiheisen kompressorin (1AC) ja välijäähdytetyn kaksivaiheisen kompressorin (1ABD) työn tarpeen vertailu. Kun puristus- ja paisuntavaiheiden lukumäärä kasvaa, kaasu-turbiini kiertoprosessi, jossa on välijäähdytys, tulistus ja regeneraatio, lähestyy Ericsson kiertoprosessia. 23 IDEAALISET SUIHKUTYÖNTÖVOIMALAITTEET Kaasu-turbiineita käytetään laajasti lentokoneiden voimanlähteinä, koska ne ovat kevyitä kompakteja ja niillä on korkea teho-paino suhde. Lentokoneiden kaasu- turbiniit toimivat avoimessa systeemissä, jonka nimi on suihkutyöntövoimalaite -prosessi. Ideaalinen suihkutyöntöprosessi eroaa yksinkertaisesta ideaalisesta Brayton-prosessista siinä, että kaasuja ei paisuteta ympäristön paineeseen turbiinissa. Sen sijaan, ne paisuvat paineeseen, jossa turbiinin tuottama teho juuri riittää kompressorin ja apulaitteiden käyttämiseen. Suihkukiertoprosessin tuottama nettotyö on nolla. Turbiinin jälkeiset melko korkea paineiset kaasut kiihdytetään suuttimessa tuottamaan työntövoimaa lentokoneen kuljettamiseen. Lentokoneen työntövoima syntyy kiihdyttämällä kaasua koneen liikesuunnan vastaiseen suuntaan. Tämä toteutetaan joko hieman kiihdyttämällä suurta kaasumassaa (potkurikäyttöinen moottori) tai kiihdytämällä runsaasti pientä kaasumassa (suihku- tai turbosuihkumottori) tai molemmin tavoin (turbopotkurisuihkumoottori). Suihkumoottoreissa, korkeassa lämpötilassa ja paineessa turbiinista lähtevät kaasut kiihdytetään suuttimessa tuottamaan työntövoimaa

13 Työntövoima (propulsiivinen voima) Propulsioteho Propulsiohyötysuhde Propulsioteho on työntövoima, joka vaikuttaa lentokoneeseen tietyn matkan (etäisyyden) aikayksikössä. Turbosuihkumoottorin peruskomponentit ja ideaalisen turbosuihkumoottorin T-s kaavio. 25 Turbosuihkumoottorien modifikaatiot Ensimmäiset lentokoneet olivat potkurikäyttöisiä, joiden voimanlähteenä oli oleellisesti samanlaiset moottorit kuin autoissa. Molemmilla potkurikäyttöisillä moottoreilla ja suihkumoottoreilla on omat vahvuutensa ja rajoituksensa ja useita yrityksiä on tehty yhdistää nämä toivotut ominaisuudet yhteen moottoriin. Kaksi tällaista modifikaatiota ovat potkurisuihkuturbiini ja turbopuhallin moottori. A turbofan engine. Lentokoneeseen toimitettu energia (poltetusta polttoaineesta) näkyy monissa eri muodoissa. Eniten käytetty voimalaite lentokoneissa on turbopuhallin (tai puhallinsuihkumoottori), jossa suuri turbiinin käyttämä puhallin pakottaa huomattavan suuren ilmaa kanavan läpi (vaipan), joka ympäröi moottoria

14 Boeing 777:n moderni suihkumoottori. Pratt & Whitney PW4084 turbopuhallin moottori kykenee tuotamaan 374 kn työntövoiman. Sen pituus on 4.87 m, puhaltimen halkaisija on 2.84 m ja sen paino on 6800 kg. Eri mootori tyypit: Turbopuhallin, potkurisuihkuturbiini, Ramjet, Scramjet, Raketti Potkuriturbiini moottori. Ramjet suihkumoottori

15 KAASUPROSESSIEN II-PÄÄSÄÄNNÖN MUKAINEN ANALYYSI Suljetun systeemin eksergian väheneminen T b systeemin rajapinnalla Jatkuvuustilassa olevalle systeemille Jatkuva, yksi sisäänmeno, yksi ulostulo Eksergian väheneminen kiertoprosessissa Kiertoprosessille, jossa on lämmönsiirtoa vain lähteen ja nielun välillä Virtauseksergia Suljetun systemin eksergia Näiden kieroprosessien toisen pääsäännön mukainen analyysi paljastaa missä suurimmat palautumattomuudet tapahtuvat ja mistä aloittaa parannukset. 29 Yhteenveto Kiertoprosessien perusanalyysiä Carnot-kiertoprosessi ja sen arvo tekniikassa Ilma-standardin olettamukset Katsaus polttomoottoreihin Otto-prosessi: Ideaalinen prosessi kipinäsytytys moottoreille Diesel-prosessi: Ideaalinen prosessi puristussytytys moottoreille Stirling- ja Ericsson prosessit Brayton-prosessi: Ideaalinen prosessi kaasu-turbiini koneikoille Brayton-prosessi regeneraatiolla Brayton-prosessi välijäähdyyksellä, tulistuksella ja regeneraatiolla Ideaaliset suihkuvoimalaiteprosessit Toisen pääsäännön mukainen analyysi kaasuprosesseille 30 15