TEP Termodynamikk 1

Transkript

1 Institutt for Energi og Prosessteknikk TEP Termodynamikk 1 Fagets Innhold og Læringsmål Termodynamiske Systemer, Egenskaper og Tilstander Begrepene Arbeid og Varme (og Energi generelt) Tilstandslikninger for Gassfase (Ideell Gass Modell) Termodynamiske Tabeller og Diagrammer Tilstandsendringer, Indre Energi, Entalpi og Entropi TD s Hovedsatser for Åpne og Lukkede Systemer Ulike Sirkelprosesser Carnot, Rankine, Otto, Diesel og Brayton Reversible og Irreversible Prosesser 3 Anvendelsesområder (Kapitlene 8, 9 og 10) Dampkraft, Gasskraft & Motorer, Varmepumper & Kjølekretser Introduksjon til Eksergi, Energikvalitet og Virkningsgrader Forkunnskapskrav: Ingen... J Truls Gundersen

2 Pensum i faget er u Institutt for Energi og Prosessteknikk TEP Termodynamikk 1 M. J. Moran, Shapiro et al.: Principles of Engineering Thermodynamics", 7 th ed. (SI), John Wiley & Sons, 2012 (5 th or 6 th ) Kap. 1 - Introduksjon, Konsepter & Definisjoner (ikke 1.4.2) Kap. 2 - Energi og Termodynamikkens 1. lov (ikke 2.2.4, 2.2.5) Kap. 3 - Termodynamiske Egenskaper Kap. 4 - Kontrollvolum for Strømmende Systemer Kap. 5 - Termodynamikkens 2. lov Kap. 6 - Introduksjon og Bruk av Entropikonseptet Kap. 7 - Flyttet til Termo-2, Eksergi Light (Notat på Hjemmeside) Kap. 8 - Kraftsystemer basert på Damp Kap. 9 - Forbrenningsmotorer og Kraftsystemer basert på Gass (ikke 9.9, ) Kap.10 - Kjølekretser og Varmepumper (ikke 10.5) Truls Gundersen

3 Institutt for Energi og Prosessteknikk Forelesninger (4F/uke Toveiskommunikasjon!?) Faglærer foreleser Kap. 1 6 (basis) og Kap. 8 (anvendt) Faglærer foreleser også Eksergi Light (6F) Topp Gjesteforelesere dekker Kap. 9 og 10 (anvendt) Øvinger (4Ø/uke minimum 8 av 12 må godkjennes) Vit.ass: Stipendiat Birgitte Johannessen 7 Stud.ass er (som kan Termodynamikk!!) Faglærer vil forsøke å være tilstede... Semesteroppgave (obligatorisk) Labsjef Morten Grønli organiserer gjennomføringen Kjøres i ukene xx & yy, innlevering av rapport innen zz.zz Basert på relativt nye Demo-anlegg i EPT s Lab. Referansegruppe 2 fra EoM, 2 fra Ind.Øk. Frivillige er velkomne, svært lite arbeid, 2 korte møter Hjemmeside: Truls Gundersen

4 Link til Hjemmeside

5 Assignment Number 4 Engng. Thermodynamics 1 Assignment Number 11 Engng. Thermodynamics 1 Hint: Use compressibility (Z), pseudoreduced spesific volum (v R ) and Figure A-1 in M&S.

6 Institutt for Energi og Prosessteknikk Termodynamikken er et viktig basisfag Fagenes naturlige Hierarki Fenomener: Varme/Masse-Transport Reaksjon, Strømning, etc. Naturlover: Fysikk, Mekanikk, Termodynamikk, etc. System-Fag Prosesser, Fabrikksteder, Samfunn Komponent-Fag Varmevekslere, kompressorer, turbiner, destillasjonstårn, etc. Fundamentale Fag Fenomener og Naturlover Truls Gundersen

7 Institutt for Energi og Prosessteknikk Termodynamikkens anvendelser er uendelige Vårt fokus er på Sykliske Prosesser Truls Gundersen

8 Termodynamikkens Las Vegas C.P. Snow formulerte termodynamikkens lover på en måte som gjør at de fleste kan huske dem: 1. You cannot win (that is, you cannot get something for nothing, because matter and energy are conserved). 2. You cannot break even (you cannot return to the same energy state, because there is always an increase in disorder; entropy always increases). 3. You cannot get out of the game (because absolute zero (Kelvin) is unattainable). Introduksjon og Motivasjon Intro 1

9 Termodynamikk - En farlig Teori? Conservative Christians protest the second law of thermodynamics on the steps of the Kansas Capitol Ralph Reed holds a textbook he claims is being used to teach physics in schools. Q: Hvis det er avvik mellom kartet og terrenget - Ville du endre kartet eller terrenget?? Introduksjon og Motivasjon Intro 2

10 Eks.: Stasjonært vs. Likevekt?? Rørsatsvarmeveksler (Shell & Tube) Introduksjon og Motivasjon Intro 3

11 Reversibel vs. Irreversibel Læreboka: Piston-Cylinder Assembly Gass Gass 1 W = mn g h= mtotal g h n n W 0 men... >0 Varmereservoar Varmereservoar Irreversibel Introduksjon og Motivasjon Intro 4

12 Typisk Flytskjema Olje/Gass-Separasjon Videre Tørking og Kompresjon Innledende Konsepter og Definisjoner 1-1

13 Vannets Trippelpunkt (0.01 C, atm) Trykk = Kraft dividert på Flate Systemet søker fasen med størst tetthet (vann) Innledende Konsepter og Definisjoner 1-2

14 Konstant Volum Gasstermometer Innledende Konsepter og Definisjoner 1-3

15 Temperaturskalaer Innledende Konsepter og Definisjoner 1-4

16 Fahrenheitskalaen På Fahrenheitskalaen er frysepunktet for vann 32 F (grader Fahrenheit), og kokepunktet for vann er 212 F. Det verserer ulike teorier om hvordan Fahrenheit valgte skalaens fikspunkter, og en av dem er at nullpunktet 0 F ( 17,8 C) er det kaldeste man kan få ved å blande riktige mengder salt og knust is, mens 100 F (37,8 C) er like over gjennomsnittlig kroppstemperatur hos mennesker (37 C) og kan ha vært Fahrenheits egen kroppstemperatur under intense arbeidsdager... (ref.: Wikipedia) Innledende Konsepter og Definisjoner 1-5

17 Oppsummering - Kap. 1 Innledende Konsepter og Definisjoner System, Systemgrenser og Omgivelser Åpent (Δm 0,Q 0,W 0), Lukket (Δm=0,Q 0,W 0), Adiabatisk (Δm=0,Q=0,W 0), Isolert (Δm=0,Q=0,W=0) Egenskaper, Tilstander og Prosesser Ekstensive (V, m, n) & Intensive (p, T, v, ρ) Egenskaper Et Systems Tilstand beskrives av dets Egenskaper Likevektstilstand og Stasjonær Tilstand Syklisk Prosess og Kvasi-likevektsprosess Klassisk Termodynamikk dreier seg i hovedsak om Likevektstilstander og Prosesser mellom disse Faser, Stoffer og Komponenter Gass, Væske og Fast Fase samt alle Kombinasjoner Ren Komponent, Rent Stoff og Blandinger Oppsummering Kap. 1 Oppsummering 1

18 Oppsummering - Kap. 1 Innledende Konsepter og Definisjoner Størrelser Primære: Masse, Lengde, Tid (Mek) & Temperatur (TD) Sekundære (Avledede): Kraft = Masse Lengde / (Tid) 2 [N] Trykk = Kraft / (Lengde) 2 [N/m 2 ] = [Pa] Energi = Kraft Lengde [Nm] = [J] Effekt = Energi / Tid [J/s] = [W] Enhetssystemer SI er vedtatt, men treg innføring internasjonalt Pascal er upraktisk (1 atm = Pa, 1 bar = 10 5 Pa) Kelvin er ubekvem, benytter Celcius Industrien benytter: SI + bar + C Oppsummering Kap. 1 Oppsummering 2

19 Oppsummering - Kap. 1 Innledende Konsepter og Definisjoner Temperaturskalaer T(K) = T( C) T( R) = 1.8 T(K) T( F) = T( R) T( F) = 1.8 T( C) + 32 Ulike tilstander for komponenten H 2 O Frysepunkt: 0 C ( K) og 1 atm Kokepunkt: 100 C ( K) og 1 atm Trippelpunkt: 0.01 C ( K) og atm Trykk og Temperatur i Naturlovene Absolutt Temperatur è Kelvin Absolutt Trykk è Pa, bar (ikke barg), psia (ikke psig) Oppsummering Kap. 1 Oppsummering 3

20 Oppsummering - Kap. 1 Innledende Konsepter og Definisjoner pvt system Det enkleste termodynamiske system som består av en gitt masse av et isotropt fluid (gass, væske) og som er upåvirket av kjemiske reaksjoner og eksterne felt Kan beskrives av 3 målbare størrelser (p, V og T) Termodynamikkens 0 te Lov Dersom Systemene A og C er i Termisk Likevekt, og Systemene B og C også er i Termisk Likevekt, så er også A og B i Termisk Likevekt (C kan være Termometer) Måling av Temperatur Stoffers Egenskaper endres med Temperatur Ønsker Stoff-uavhengig T-skala (termodynamisk; Kelvin) Oppsummering Kap. 1 Oppsummering 4

21 Legeme påvirket av en Kraft Arbeid og Kinetisk Energi Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-1

22 Legeme påvirket av Krefter Kinetisk og Potensiell Energi Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-2

23 Ulike former for Arbeid (2.2.4 og er ikke Pensum, men...) δw = p dv Kompresjon av gass δw = σ d(a x) Forlengelse av stolpe δw = τ da Strekking av overflatefilm o.s.v. for elektrisk arbeid, magnetisk arbeid, etc. δw = x dy Generalisert arbeid Arbeid = Intensiv differensialet av Ekstensiv Variabel Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-3

24 Effekt - Tidsaspektet av Arbeid W = δw = F ds = F V dt dt W = F d V = (0.5 c d A ρ V 2 ) V V = 25 km/h c d = 0.9 A = 0.4 m 2 ρ = 1.2 kg/m 3 Effekten: W = 72.3 J/s = 0.07 kw Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-4

25 Arbeid ved Ekspansjon / Kompresjon Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-5

26 Arbeid for Polytropisk Prosess n V pv pv a) n= 1.5 p2 = p1 = 1.06 bar W = = kj V2 1 n n V 1 V 2 b) n= 1.0 p2 = p1 = 1.50 bar W = pv 1 1ln = kj V2 V1 pv pv 0 kj 1 n c) n= 0.0 p2 = p1 = 3.00 bar W = = 30.0 Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-6

27 Varmeledning - Konduksjon Antagelser: 1. Stasjonære forhold 2. Konstant Varmeledningsevne (konduktivitet) - κ Varmeoverføring: Q x = κ A dt dx Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-7

28 Shell & Tube Varmeveksler Arbeidshesten i Prosessindustrien Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-8

29 Varmeoverføring ved Stråling Industrielle eksempler: Fyrte Ovner Kjemiske Reaktorer - Etylen-cracker - Primær-reformer - Sekundær-reformer Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-9

30 Varmeoverføring - Oppsummering Konduksjon (Varmeledning) Stråling Q = κ A dt dx Q = ε σ A T b 4 Fourier s lov Stefan Boltzmann s lov Konveksjon Q = h A (T b T f ) Newton s Kjølelov Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-10

31 Effekt av Systemgrensevalg ved beregning av Varmeoverføring p atm = 1 bar m piston = 45 kg A piston = 0.09 m 2 g = 9.81 m/s 2 m air = 0.27 kg V 2 V 1 = m 3 Δu air = 42 kj/kg Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-11

32 Sykliske Prosesser Energi og Termodynamikkens 1.lov 2-12

33 Superheat og Reheat Dampkraftsystemer 8-10

34 Regenerative Rankine Syklus med Åpen Matevannsforvarmer Dampkraftsystemer 8-11

35 Regenerative Rankine Syklus med Lukket Matevannsforvarmer Dampkraftsystemer 8-12

36 Regenerative Rankine Syklus med Flere Matevannsforvarmere Dampkraftsystemer 8-13

37 Binære Rankine Sykluser Dampkraftsystemer 8-14

38 Basic Principle for Combined Cycle Plant 10% Ref.: Olav Bolland Air 100% 30% 20% 40% Dampkraftsystemer 8-15

39 Combined Cycle Power Plant Power Production only P 57 η = = = 57% E 100 Heat & Power Production P + Q η = = = E 100 P 48.5 η = = = 48.5% E % Ref.: Olav Bolland Dampkraftsystemer 8-16

40 Effekten av Regenerativ Matevannsforvarming s 8 Ex-10 Dampkraftsystemer 8-17

41 Effekten av Regenerativ Matevannsforvarming Først: Uten slik Matevannsforvarming Tilstand 1: p = 80 bar, T = 480ºC, altså overhetet damp, tabell A-4 h 1 = kj/kg, s 1 = kj/kgk Tilstand 8s: p = 0.08 bar, s 8s = s 1 = kj/kgk, tofase, tabell A-3 Interpolerer mellom s f = kj/kgk og s g = kj/kgk for å finne dampkvaliteten: x = Entalpien finnes da ved tilsvarende vekting mellom h f = kj/kg og h g = kj/kg, resultat: h 8s = kj/kg Tilstand 8: Benytter isentropisk virkningsgrad på 85% til å finne virkelig punkt 8 sin entalpi, resultat: h 8 = kj/kg Tilstand 4: p = 0.08 bar, mettet væske, tabell A-3 gir ved direkte avlesning: h 4 = h f = kj/kg og s 4 = s f = kj/kgk Dampkraftsystemer 8-18

42 Effekten av Regenerativ Matevannsforvarming Først: Uten slik Matevannsforvarming Tilstand 9: p = 80 bar, isentropisk pumpe som gir s 9 = s 4 = kj/kgk Interpolerer dobbelt ved å finne ut hvor s-verdien ligger for hhv. 75 bar og 100 bar i tabell A-5 (komprimert/underkjølt væske). Kan uttrykkes som fraksjoner mellom 40 og 80ºC som gir: Ved 75 bar: frac 1 = , ved 100 bar: frac 2 = Entalpiverdiene ved de to trykkene beregnes nå fra verdiene for entalpi ved hhv 40 og 80ºC til å være: h 75 = kj/kg og h 100 = kj/kg. Interpolerer til slutt mellom 75 og 100 bar for å finne entalpien ved 80 bar: h 9 = kj/kg. Spesifikt pumpearbeid: h 9 h 4 = = 8.4 kj/kg Spesifikt turbinarbeid: h 1 h 8 = = kj/kg Spesifikk varmetilførsel kjel: h 1 h 9 = = kj/kg Dampkraftsystemer 8-19

43 Effekten av Regenerativ Matevannsforvarming Sammenlikner nå virkningsgrader med/uten Uten Regenerativ Matevannsforvarming: = ( ) / = = 33.7% Med Regenerativ Matevannsforvarming: Detaljer i M&S, Eksempel 8.5, side (5. utgave): Spesifikt pumpearbeid (2 pumper): 8.7 kj/kg Spesifikt turbinarbeid: kj/kg Spesifikk varmetilførsel kjel: kj/kg = ( ) / = = 36.9% Dampkraftsystemer 8-20

44 An Introduction to The Concept of Exergy and Energy Quality by Truls Gundersen Department of Energy and Process Engineering Norwegian University of Science and Technology Trondheim, Norway Version 4 - Mars pages Exergy Light Eksergi 01

45 Definisjon av Eksergi (Ref.: J. Szargut, Energy, vol. 5, no. 8-9, pp , 1980) p, v, T, System u, h, s x T p 0 Omgivelser 0 = 1 atm ; 1 bar = 25 C ; 298 K x 0 difficult... Exergy is the (maximum - TG) amount of work obtainable when some matter is brought to a state of thermodynamic equilibrium with the common components of its surrounding nature by means of reversible processes, involving interaction only with the above mentioned components of nature = Exergy Light Eksergi 02

46 Klassifisering av Eksergi (Ref.: T.J. Kotas, The Exergy Method of Thermal Plant Analysis, 1995) Mechanical Kinetic Physical Potential Temperature based Exergy Thermomechanical Pressure based Mixing & Separation Chemical e x (tm) = (h h o ) T o (s s 0 ) = e x (T) + e x (p) Chemical Reaction Termomekanisk Eksergi kan dekomponeres i Temperatur basert og Trykk basert Eksergi Exergy Light Eksergi 03

47 η C Carnot-faktor s.f.a. T(ºC) T T 0 Ex = Q 1 T T 0 = 25ºC E x T = Q 1 T 0 Exergy Light Eksergi 04

48 Temperatur og Trykk basert Eksergi T = 1+ ln T (T) e Cp T T0 0 Exp ( p) ( T) ambient P k 1 P (P) e = T0Rln = CpT0ln P0 k P0 W& = m& ( Δ e +Δe ) Her: Uten Fortegns- Konvensjon W& = m& ( Δe Δe ) Exp ( p) ( T) Ex-11 Exergy Light Eksergi 05

49 Termodynamisk (Isentropisk) Virkninsgrad p1, T1 p2, T2 T C W & p2, T2 W & p1, T1 Exergy Light Eksergi 06

50 Energivirkningsgrad (som COP) vs. Termodynamisk Virkningsgrad COP Ex-12 ideal COP actual = Q& C 8000 W& = 3200 = cycle = TC 268 T T = = H C η = TD COP COP actual ideal 2.5 = = 25.2% Exergy Light Eksergi 07

51 Eksergivirkningsgrad Eksergi Material og Energi- Strømmer Prosess eller Utstyrskomponent Eksergi Material og Energi- Strømmer η = Ex Total eller Nyttbar Eksergi Ut Total Eksergi Inn Exergy Light Eksergi 08

52 Panelovn og Virkningsgrader Q out T out = 5C T = 20 C in Q in W el Omgivelsestemperatur (referanse for Eksergi): T 0 = 25 C 298 K Merk at T out T 0 Ex-13 Exergy Light Eksergi 09

53 Eksergitap ved Varmeoverføring T (K) T (K) Q & 380 Q & Q & (kw) Q & (kw) E W Q& T T & 0 x = & max = 1 Ex =?? ( T varierer) Ex-14 Exergy Light Eksergi 10

54 Eksergilikninger ikke Pensum, men... Eksergibalanse for Lukket System 2 T 0 Ex,2 Ex,1 = 1 Q [ W p0 ( V2 V1 )] T0 T δ σ 1 b Eksergi- Eksergi- Eksergi-overføring endring destruksjon Spesifikk Strømningseksergi 2 V ex, f = ( h h0) T0 ( s s0) + + g z 2 Dynamisk Eksergibalanse for Åpent System de T dv = 1 Q& W& p + m& e m& e E& dt T dt xcv, 0 cv j cv 0 i x, fi e x, fe x, d j j i e Exergy Light Eksergi 11

55 Eksergianalyse av Dampkraftanlegg Ex-15 Exergy Light Eksergi 12

56 Eksergitap i motstrøms Varmeveksler Ex-9 Opplysninger: Strømmer tilnærmes luft med ideell gass oppførsel Massestrømmen er 90 kg/s for alle strømmer (neglisjerer brenselet) Finn: (a) Utløpstemperatur T 4, (b) Endring i Strømningseksergi for hver strøm, (c) Eksergitap i Varmeveksler Exergy Light Eksergi 13