termodynamika pro ee1 a pee -...
TRANSCRIPT
Termodynamika pro +EE1 a PEE
Literatura: http://home.zcu.cz/~nohac/vyuka.htm#EE1
http://home.zcu.cz/~nohac/EE1/
[0] Zakladni pomocny text prednasek doc. Schejbala
[1] Pomocne texty ke cviceni
[2] Prednaska - Zaklady vyroby a termodynamiky
[3] Prednaska - Zaklady vyroby a termodynamiky - Doplnek - Ucinnost tepelne elektrarny
[4] Prednaska - Technologie vyroby v elektrarnach
[5] Otazky v zkusebnim elektronickem testu (toto je temer kompletni seznam)
[6] Caste otazky u ustni zkousky (toto neni pochopitelne vycerpavajici seznam)
[7] Adresar vsech techto vyse uvedenych a dalsich podpurnych souboru pro predmety EE1 a PEE
Možné způsoby výroby elektrické
energie v současnosti:
termodynamická přeměna energie jaderného
paliva a spalování fosilních paliv
v mechanickou energii a následně
elektrickou - jaderné a klasické tepelné
(tepelné na fosilní paliva) elektrárny
přeměna mechanické polohové a kinetické
energie vody v mechanickou energii a
následně elektrickou - vodní elektrárny
Možné způsoby výroby elektrické
energie v současnosti:
přeměna slunečního záření na elektrickou
energii (přímo nebo zprostředkovaně) -
sluneční, větrné,
geotermické
slapové, …
Možné způsoby výroby elektrické
energie v současnosti:
Fosilní paliva
Jaderná energie
Sluneční energie
Geotermální energie
Tepelná energie
Energie koloběhu vody
Energie větru
Slapová energie, …
Elektr. energie
Termodynam. energie
Mechan. energie
Kotel/P.G. Parní turbína Alternátor
Fotovoltaický článek
J. reaktor
Vodní turbína
Větrná turbína
Spalovací turbína/motor Termodynam. energie
Kotel/Spal. kom.
Diagram energetických toků v ČR:
Tuhá paliva
Plynná paliva
Kapalná paliva
Elektřina
Teplo (z JE)
Import
Tuzemské
přírodní
zdroje
Export
Zušlechťování
Tuhá paliva
Plynná paliva
Kapalná paliva
Elektřina
Teplo (z JE)
Tuhá paliva
Plynná paliva
Kapalná paliva
Elektřina
Teplo (z JE)
Tuhá paliva
Plynná paliva
Kapalná paliva
Elektřina
Teplo (ze všech zdrojů)
Předpoklad světového vývoje výroby elektrické energie:
Předpoklad světového vývoje výroby elektrické energie:
Předpoklad Evropského vývoje výroby elektrické energie:
Jaderné elektrárny
Obnovitelné zdroje kromě vodních
Ostatní zdroje
Uhelné elektrárny
Vodní elektrárny
Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:
Instalovaný výkon Vyrobená energie
Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:
Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:
Instalace fotovoltaických elektráren v ČR
Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:
Struktura sítí v ČR:
Struktura sítí v ČR:
Struktura sítí v ČR:
Struktura sítí v ČR:
Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:
Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:
Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:
Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:
Závěr:
Výroba elektrické energie v České republice je v nejbližší budoucnosti možná především na základě termodynamických přeměn vodní páry.
Dělení energetických výroben:
Podle druhu vyráběné energie:
• (kondenzační) elektrárny
• teplárny
• výtopny (kotelny)
Podle druhu nasazení v denním digramu zatížení:
• základní (do PMIN)
• pološpičkové (do PS)
• špičkové (do PMAX)
Základy termodynamiky KFY / TFYE:
Základní termodynamické veličiny:
• teplota
míra kinetické energie elementárních částic
hmoty daná translačním, rotačním a vibračním
charakterem
KCtKC abs 015.273, 0
0ºC = 273.15ºK
-273.15ºC = 0ºK
Základní termodynamické veličiny:
123
1
106
molAčásticN
molAkgMMm
Základní termodynamické veličiny:
https://kfy.zcu.cz/export/sites/kfy/dokumenty/FP1/tabulky.pdf
voda při 20°C má 4.1818 kJ/kg/K 4,185 kJ/kg/K = 1 kcal/kg/K
Základní termodynamické veličiny:
Základní termodynamické veličiny:
Základní termodynamické veličiny:
- +
Základní termodynamické veličiny:
- +
Základní termodynamické veličiny:
Základní termodynamické veličiny:
Základní termodynamické veličiny:
Základní termodynamické veličiny:
Základní termodynamické axiomy:
Stavová rovnice plynu: TrmVp
1. Termodynamický zákon:
Tavpuw
hgqvpuw
hg 222
2
22111
2
11
22
22222 ,,,, vpuwh11111 ,,,, vpuwh
Q
Ta
Základní termodynamické axiomy:
Stavová rovnice plynu: TrmVp
1. Termodynamický zákon:
Pro vodní turbíny:
2
022
21
2121
wwhhgaii T
Pro parní turbíny:
212121 00 iiawwhh T
Základní termodynamické děje:
Zákon Gay-Lussacův-děj izobarický:
.. konstT
Vkonstp Ze stavové rovnice plynu
0
)()(
12
1212
T
PVV
a
VVpa
dTrdVpTrdVpd
didpvdidTcdTrdTcdVpdTcdadudq
Základní termodynamické děje:
Zákon Gay-Lussacův-děj izobarický:
2
1 1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
12lnln
V
Vc
T
Tc
T
dTc
T
dTc
T
dqdsS
PPP
P
Základní termodynamické děje:
Zákon Gay-Lussacův-děj izobarický:
A Q, I
1212
VVpA
1
2
1
2
12
1212
lnlnV
Vc
T
TcS
IIQ
PP
Základní termodynamické děje:
Zákon Charlesův - děj izochorický:
Ze stavové rovnice plynu .. konstT
pkonstV
2112
2
1
12
12 0
ppVppVdpVa
a
dudTcdVpdTcdadudq
T
VV
Základní termodynamické děje:
Zákon Charlesův - děj izochorický:
2
1 1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
12lnln
p
pc
T
Tc
T
dTc
T
dTc
T
dqdsS
VVV
V
Základní termodynamické děje:
Zákon Charlesův - děj izochorický:
AT
2112
ppVAT
1
2
1
2
12
1212
lnlnp
pc
T
TcS
UUQ
VV
Q
Základní termodynamické děje:
Zákon Boyle-Mariotův-děj izotermický:
Ze stavové rovnice plynu .. konstVpkonstT
TrVpVpVp
p
pTr
V
VTr
V
VVpdV
V
Vpdvpa
dadadadTcdadudq
aadVpdpVVpdkonstVp
TV
T
2211
2
1
1
2
1
2
2
1
11
2
1
12 lnlnln
00)(.
Základní termodynamické děje:
Zákon Boyle-Mariotův-děj izotermický:
2
1
1
2
1
212
2
1
2
1
2
1
2
1
12
lnln
ln11
p
pr
V
Vr
V
V
T
rT
T
Ada
Tdq
TT
dqdsS
.konstT
Základní termodynamické děje:
Zákon Boyle-Mariotův-děj izotermický:
Q A AT=A=Q
2
1
1
2
12
121212
lnlnp
pr
V
VrS
AAQT
2
1
1
2
1212lnln
p
pTr
V
VTrAA
T
Základní termodynamické děje:
Děj adiabatický:
.0ln0lnln
0
0
00
00
..,
konstVppVpV
p
dp
V
dVdpVdVp
dVpdTccc
dpVdTcdadidq
dVpdTcdadudq
konstVpkonstqs
VVP
PT
V
Základní termodynamické děje:
Děj adiabatický:
1
2
1
2
1122
111
22
21
1
12211
T
T
V
VVTVT
VV
TrV
V
TrVpVp
Dosazením za tlak ze stavové rovnice plynu:
Podobně dosazením za objem opět ze stavové rovnice plynu:
1
1
1
2
1
1
2
2
1
1
2
1
1
2
2
22
1
11
T
T
p
p
V
V
T
T
p
p
p
Trp
p
Trp
Základní termodynamické děje:
Děj adiabatický:
Dosazením za p2•V2:
1
2
11112 1
1
V
VVpa
2211
1
2
11
222
1
111
212112121
1
10
VpVpV
VVVpVVp
TrTrTTr
TTcadudadq V
Základní termodynamické děje:
Děj adiabatický:
0
0
12
12
S
Q
1
2
111
121
1
V
VVpA
Základní termodynamické děje:
p=konst. T=konst. q, s = konst.
V/T=konst. pV=konst pV=konst
dq di=cP dT dq da, daT dq 0
a12=p(V2-V1) 1221
1
2
11112
1
11
uTTr
V
VVpa
1212
1
212 ln
qa
V
VTra
T
Ideální termodynamické cykly:
Obecný ideální termodynamický cyklus:
00 QQLAdadqUdu P
𝑑𝑞 = 𝑑𝑢 + 𝑑𝑎 → 𝑑𝑢 = 𝑑𝑞 − 𝑑𝑎 = 𝑐𝑉 ∙ 𝑑𝑇
Ideální termodynamické cykly:
Carnotův cyklus:
http://www.vascak.cz/data/physics_flashlets/carnot.html
1
2
3
4
3 2
1 4
Q2
Q1
Ideální termodynamické cykly:
Carnotův cyklus:
- sestává ze dvou izoterm a dvou adiabat
2
1
232
141232 1T
T
SST
SSTSST
Q
P
OP
Ideální termodynamické cykly:
Carnotův cyklus:
2
3
1
4
1
3
4
1
2
4
3
1
2
1
1
2
2
1
2
32
1
41
1
ln
ln
11
V
V
V
V
V
V
T
T
T
T
V
V
T
T
T
T
V
VTr
V
VTr
Q
Q
P
O
První adiabata Druhá adiabata
Ideální termodynamické cykly:
Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:
- sestává ze dvou izobar a dvou adiabat
Ideální termodynamické cykly:
Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:
- sestává ze dvou izobar a dvou adiabat
1
2
111
p
p
T
T
ii
l
C
D
BC
ABDCdodzisk
ADBCOP
iiiiaal
iiiiqql
Ideální termodynamické cykly:
Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:
BCP
ADP
BC
AD
P
O
TTc
TTc
ii
ii
Q
Q
111
Zavedením:
B
A
V
V - kompresní poměr
B
C
V
V - izobarický součinitel
11
1
ABB
A
A
B TTV
V
T
TA->B adiabata
Ideální termodynamické cykly:
Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:
B->C izobara 1 ABCB
C
B
C TTTV
V
T
T
Ideální termodynamické cykly:
Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:
adiabaty A->B a C->D mají stejné mezní tlaky:
AACD
A
B
D
C
C
D
C
D
B
A
C
D
D
C
A
B
B
A
DACB
TTTT
V
V
V
V
T
T
V
V
V
V
V
V
p
p
V
V
p
p
konstVppppp
1
1
1
1
11
11
1
.
Ideální termodynamické cykly:
Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:
1
1
1111
111
1
111
C
D
C
D
AA
AA
p
p
T
T
TT
TT
BCP
ADP
BC
AD
P
O
TTc
TTc
ii
ii
Q
Q
111
Cyklus s plynovou turbínou:
Jednoduchá praktická realizace:
Cyklus s plynovou turbínou:
Praktická realizace s výměníkem tepla a rozdělenou turbínou:
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Cyklus sestává ze dvou izobar a dvou adiabat v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:
TK= 647,30° K = 374.15° C pK= 22.13 MPa
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Izobara v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Izochora v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Termodynamické děje v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:
konstantní nVpDiagram T-S
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
konstantní nVpDiagram p-V
Termodynamické děje v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
konstantní nVpDiagram i-S
Termodynamické děje v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
V oblasti mokré páry zavádíme veličinu suchost:
1;0///
//
mm
mx
//// ssxss
//// iixii
//// vvxvv Index ’ znamená sytou kapalinu
tedy (x =0)
Index ’ ’ znamená sytou páru
tedy (x =1) sytá kapalina sytá pára
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Mezní hodnoty veličin pro sytou kapalinu a sytou páru:
i
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Diagram T-S Diagram i-S
Termodynamické děje v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:
p – konst.
T – konst.
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Základní oběh a schéma parní elektrárny:
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Diagram T-S:
1 - 1’
adiabatická
komprese
v hlavním
oběhovém čerpadle
(napáječce)
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Diagram T-S:
1’ - 2
izobarický
ohřev
v ohříváku - ekonomizéru
(součást kotle)
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Diagram T-S:
2 - 3
izobarický a současně
izotermický var
ve výparníku
(součást kotle)
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Diagram T-S:
3 - 4
izobarické přehřátí
páry v přehříváku
(součást kotle)
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Diagram T-S:
4 - 5
adiabatická expanze
páry v turbíně
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Diagram T-S:
5 - 1
izobarická a současně
izotermická kondenzace
v kondenzátoru
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Diagram i-S:
1 – kd (kondenzát)
1’ – nv (napájecí voda)
4 – a (admisní pára)
5 – e,k (pára po expanzi)
1
1’ 2
3
4
5
Diagram i-S:
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:
Diagram p-V:
Účinnost C-R cyklu parní turbíny:
Vyšetření z diagramu T-S:
P
OP
P
O
Q
Q
Q 1
Účinnost C-R cyklu parní turbíny:
Vyšetření z diagramu T-S:
P
OP
P
O
Q
Q
Q 1
%40 (!)
Účinnost C-R cyklu parní turbíny:
Vyšetření z diagramu
i-S:
ea iil
kda ii
l
Účinnost C-R cyklu parní turbíny:
kgkJi
Ct
MPap
a
a
a
/3245
430
,5.6
pa
ta ia
Výpočet z diagramu i-S:
Účinnost C-R cyklu parní turbíny:
Adiabatická expanze v turbíně:
pa
ta ia
kPap
Ct
e
kd
4.6
37
ie tkd
kgkJie /2040
kgkJh
iih
ad
eaad
/1205
Účinnost C-R cyklu parní turbíny:
Parametry kondenzátu:
kgkJi
kgkJi
cti
kd
kd
pkdkd
/9.154
/1868.437
kda
ad
ii
h
39.09.1543245
1205