Ideell Stirlingsyklus Lukket, total reversibel syklus med en ekstern varmekilde.

Transkript

1 MAS7 ermodynamikk Kapittel 9 Gasskraftsykluser Del Stirling-syklus Ericsson-syklus.-lovs-analyse av kraftsykluser Ideell Stirlingsyklus ukket, total reversibel syklus med en ekstern varmekilde. - ekspansjon ved konstant temperatur (varmeoverføring fra ekstern kilde) -3 regenerering ved konstant volum (intern varmeoverføring fra arbeidsfluidet til regenerator) 3-4 kompresjon ved konstant temperatur (varmeoverføring til ekstern sluk) 4- regenerering ved konstant volum (intern varmeoverføring fra regenerator til arbeidsfluidet) En regenerator tar opp varme fra arbeidsfluidet i en delprosess og leverer varmen tilbake til arbeidsfluidet i en annen delprosess. I en ideell situasjon kan varmen fra delprosess 3 fullstendig overføres tilbake til arbeidsfluidet i delprosess 4. Inntil 80% av Q netto kan regenereres.

2 Ideell Stirlingsyklus - ekspansjon ved konstant temperatur (varmeoverføring fra ekstern kilde) -3 regenerering ved konstant volum (intern varmeoverføring fra arbeidsfluidet til regenerator) 3-4 kompresjon ved konstant temperatur (varmeoverføring til ekstern sluk) 4- regenerering ved konstant volum (intern varmeoverføring fra regenerator til arbeidsfluidet) th, Stirling, ideell th,rev Begge stempler er koblet til samme svinghjul men med 90 faseforskyvning. Stirlingmotorer (alpha) Varmetilførelse, arbeidsfluidet ekspanderer. Nedre stemplet virker på svinghjulet og ekstraherer arbeid fra delprosessen. Øvre stemplet presser arbeidsfluidet inn i den kalde sylinder hvor varmebortførelsen begynner. rykket i arbeidsfluidet minsker. Nesten alt arbeidsfluid er nå i den kalde sylinder og varmebortførelsesprosessen fortsetter. Det kalde stemplet drives av svinghjulet og komprimerer resten av gassen. Arbeidsfluidet har minimalt volum og begynner å ekspandere inn i den varme sylinder. Ekspansjon pga. oppvarmingen driver stemplet i arbeidsslaget.

3 Stirlingmotorer Det finnes mange forskjellige typer Stirlingmotorer. å de neste sidene vises de tre viktigste grunntypene. Alpha-variante (to stempler to sylindere, hver stempel er enten arbeids- eller fortrengningsstempel) Beta-variante (en sylinder, to stempeler hvorav en er et desidert fortregningsstempel og det andre er arbeidsstemplet) Stirlingmotorer (gamma) varmesluk fortrengningsstempel arbeidsstempel varmekilde regenerator generator og ED-lys tannhjul 3

4 Stirlingmotorer (beta) varmekilde fortrengningsstempel varmesluk arbeidsstempel svinghjul ibs egen kw el b-stirlingmotor med e som arbeidsfluid og propanbrenner som varmekilde; th = 8%, II = 38% Stirlingmotor (86/88) Opprinnelig ble Stirlingmotorer brukt for å drive vannpumper. Som energikilde kan det brukes Varme fra en kontinuerlig forbrenning (mindre støy og renere forbrenning sammenlignet med f. eks. Diesel- eller Ottomotor (konsentrert) solstråling geotermisk varme kjerneenergi Arbeidsfluidet befinner seg i et lukket system og kan være luft eller en annen gass som helium eller hydrogen (bedre varmeoverføringsegenskaper). I dag brukes Sterlingmotorer for eksempel i kogenereringsanlegg (produksjon av elektrisitet og vanndamp, se kap. 0-8) istedenfor en dampturbin, til luftuavhengig framdrift av U-båter (svensk marine: Gotlandklassen; diesel med flytende oksygen som oksidant) til lokal elektrisitetsproduksjon med solenergi 4

5 Stirlingmotor (86/88) Stirlingmotoren var den første varmluftmotor etter at de første gassmotorene ble dokumentert og patentert av enry Wood (759) og homas Mead (79). Det var den skottske prest Robert Stirling som bygde den første fungerende varmluftmotor i 88 basert på et patent fra 86. Stirlingmotoren var den andre type varmekraftmaskin etter dampmaskinen av. Newcomen og J. Watt. Motoren bruker en ekstern varmekilde og er dermed veldig fleksibel når det gjelder mulige energikilder. rykket i sylinderen er mye lavere enn i dampmaskiner og eksplosjonsfaren var mye lavere sammenlignet med tidenes dampmaskiner. Stirlings beste motor (843) hadde en ytelse på 34 kw, en termisk virkningsgrad på 8% og et relativt lavt drivstofforbruk. Etter den ble presset ut av markedet i slutten av 800-tallet opplever Stirlingmotoren en renaissance i våre tider på grunn av at den egner seg til spillvarmeutnyttelse og kan kjøres ved lave temperaturdifferanser. Flat plate Stirling engine Utviklet av rof. I. Kolin (University of Zagreb, Jugoslavia/Kroatia) Kald side og arbeidsstempel (plate eller membran) varm side sinusaktig Fortrengningsstemplet (også regenerator) diskontinuerlig Kolins 6. design (983) klarte å jobbe på bare 6 C temperatur differanse. Den diskontinuerlige bevegelsen av fortrengeren leverer mer arbeid enn en sinusaktige bevegelse. 5

6 ohio.edu Foto: Sower.no mpoweruk.com Oppgradering av fjernvarme/prosessvarme ine Meieri Ålesund i samarbeid med Single hase ower AS Vanndamp ved C er nødvendig i produksjon av meieriprodukter (pasteurisering, sterilisering, ultra høy temperature behandling) Varmepumper skal bruke fjernvarme som varmekilde (90 C) og erstatte naturgass og strøm i prosessvarme-/dampproduksjon. CO -emisjon-redusering med 66% mulig Stirling varmepumper fra Single hase ower AS Foto: enova.no Stirling-varmepumper i spillvarmegjenvinning Single hase owers igh ift Stirling varmepumpe er en 4-sylinder double acting motor med kg helium som arbeidsfluid. Sylinderne er forbundet med hverandre (modifisert a-konfigurasjon) Intet behov for fortrengningsstempler, fordi hver stempel er både arbeidsstempel og fortrenger (double-acting prinsipp) Ekspansjonsvolumet av én sylinder er koblet til kompresjonsvolumet av den neste sylinder via en rekke av oppvarmer, regenerator ogkjøler. 6

7 Stirling-varmepumpe for spillvarmegjenvinning Vanndamp 0,5 bar (g) ca C Fjernvarme som varmekilde varmtvann opp til 00 C maks. 5,5 bar (a) fjernvarmenett Separator 3,5 m 3 kondensat 90 C matevann elektrisitet 50 kw S 4-06A igh ift eat ump Data for varmepumpe-anlegg 3x 500 kw oppvarmingskapasitet CO =, h/år driftstid 0, GWh produsert varme per år 5,5 GWh energibesparing/energigjenbruk per år Kilde: sppower.no Stirling-motor i spillvarmegjenvinning Spillvarme-til-kraft-modus Vanndamp generert ved avfallsforbrenning, for eksempel 6,5 bar (g) 0,48 kg/s flytende kjølevann inn 4 0 C 0 0 l/s kondensat elektrisitet kw S 4-06A ower lant Data for Stirling-kraftverk 00 kw netto-effekt 5 0 % termisk virkningsgrad 8500 h/år driftstid 0,38, GWh produsert effekt per år kjølevann ut 0 5 C Kilde: sppower.no 7

8 Ideell Ericsson-syklus (86/888) Ericsson-syklusen er lukket, total reversibel og har en ekstern varmekilde; intern regenerering foregår ved konstant trykk. - ekspansjon ved konstant temperatur (varmeoverføring fra ekstern kilde) -3 regenerering ved konstant trykk (intern varmeoverføring fra arbeidsfluidet til regenerator) 3-4 kompresjon ved konstant temperatur (varmeoverføring til ekstern sluk) 4- regenerering ved konstant trykk (intern varmeoverføring fra regenerator til arbeidsfluidet) th, Ericsson, ideell th,rev Enkel Ericsson-motor Ericsson-syklus realisert i stempelmotor med to/tre sylindere og regenerator. Ideelt har luften ved utløp fra regeneratoren samme temperatur som luften som strømmer inn i den mindre sylinder. Da blir det et lukket kretsløp. -: ekspansjon ved = konst. i nedre sylinder (rødt); samtidig 3-4: øvre stempel komprimerer luft i sylinder til venstre ved = konst. -3: nedre stempel skyver varm luft ut gjennom regeneratoren (R) ved = konst.; termisk energi lagres i regeneratoren; øvre stempel suger inn luft fra omgivelsene. 4-: luft strømmer ved konstant trykk gjennom regeneratoren og tar opp termisk energi fra den før ekspansjon i nedre sylinder. 8

9 Ericsson-syklus termisk virkningsgrad for k = konst. Den termiske virkningsgrad kan utledes ved hjelp av ligningene for entropiendring i en ideell gass ved konstante spesifikke varmekapasiteter. qut th, Ericsson q inn s c ln R ln Energibalanser gir: q inn q ut s s c ln Rln R ln R ln s s c ln Rln R ln I ligningen for th må q inn og q ut være positive tall, derfor tar vi absoluttverdien av q ut, og setter dette inn li ligningen for termisk virkningsgrad! 4 Nå settes ligningene for q inn og q ut 4 qut R ln R ln 0 inn i ligningen for den termiske 3 3 virkningsgrad. 3 Ericsson-syklus termisk virkningsgrad for k = konst. th,ericsson q q ut inn R R 4 ln 3 ln Fra diagrammet ser man at 4 4 trykkforholdene i de to isobare ln ln prosessene er lik: 3 3 th, Ericsson th,carnot th,rev å samme måte kan den termiske virkningsgrad for den ideelle Stirling-syklus utledes og man får samme resultat. å It s learning finner du en utledning av den termiske virkningsgrad for Carnot-syklusen som ikke bruker entropikonseptet, som ble brukt her. Der vises det også, hvordan man kan komme fram til at en egenskap som entropi må finnes ved hjelp av denne utledningen. Gjør som Clausius og finn ut av det selv 9

10 Sammenligning av reversible gasskraftsykluser.-lovs-analyse av (gass-)kraftsykluser Eksergiødeleggelse i en delprosess i et lukket system (stempelmotorer) ut inn ødelagt 0 gen 0 system ut inn 0 system Q Q X S S S S S S b,ut b,inn kj Eksergiødeleggelse i en prosess i et system med stasjonær gjennomstrømning inn ut ødelagt 0 gen 0 ut inn 0 kw Q Q X S S S ms ms ut inn b,inn b,ut Spes. eksergiødeleggelse ved stasjonær gjennomstrømning, ett innløp, ett utløp inn ut ødelagt 0 gen 0 ut inn 0 utløp innløp q q x s s s s s kj/kg b,inn b,ut Spesifikk eksergiødeleggelse i en gjennomgang av en syklus (både lukket og åpent) ut inn Viktig! ødelagt 0 q q x kj/kg b,ut b,inn b,inn, b,ut,, er temperaturene av Syklus med varmetransfer kun med en kilde varmekildene og slukene! og ett sluk qut qinn f. eks.: = ødelagt 0 x kj/kg forbrenning = omgivelse 0

11 Eksempel: Eksamen høst 0 Oppgave 3 En motor, som jobber i henhold til den ideelle Otto-syklus, tar inn luft ved 7 C og 98 ka. Varmetilførelsesprosessen tilfører 300 kj/kg varme til luften. emperaturen etter varmetilførelsen er 00 K. Etter ekspansjonsprosessen er trykket 350 ka. a hensyn til at de spesifikke varmekapasiteter av luften varierer med temperaturen! a) Beregn nominell kompresjonsgrad. b) Beregn syklusens termisk virkningsgrad. c) Beregn det høyeste trykk i syklusen. d) Beregn den spesifikke eksergiødeleggelse (kj/kg) i varmebortførelsesprosessen når omgivelsestemperaturen er 7 C. e) Beregn det midlere effektive trykk (ME). Eksempel 9-0:.-lovs-analyse av en Otto-syklus Se en gang til på eksempel 9- (ideell Otto-syklus) hvor varme blir overført til arbeidsfluidet fra en kilde ved = 700 K og bortført til et sluk ved = 90 K. Beregn: a) Eksergiødeleggelsen i alle delprosesser og i hele syklusen i kj/kg b) Eksergien av eksosgassene etter ekspansjonsprosessen i kj/kg il selvstudium (anbefales!)

12 Eksempel: Eksamen høst 008 Oppgave En Dieselprosess er beskrevet av følgende data: temperaturen før kompresjon er 0 C kompresjonsforholdet (volum) er 6 temperaturen etter tilførsel av varme er 950 C gassen er ideell med: c v = 0,78 kj/(kgk), k =,4 Beregn a) vor mye varme (kj/kg) må tilføres til prosessen b) arbeid c) emperatur etter ekspansjonen d) (termisk) virkningsgrad il selvstudium Eksempel: Eksamen høst 009 Oppgave En Ottomotor tar inn luft ved 90 K og trykk 90 ka og komprimerer den. Forbrenningen tilfører 000 kj/kg til luften. Da er temperaturen steget til 050 K. Analyser prosessen under kald-luft-antagelser; dvs. konstant spesifikk varmekapasitet ved 300 K. a) Beregn kompresjonsforholdet. b) Beregn det spesifikke kompresjonsarbeidet (kj(kg). c) Beregn det høyeste trykket i syklusen. il selvstudium

13 Eksempel: Eksamen høst 03 Oppgave 4 En ideell Diesel-syklus har en nominell kompresjonsgrad på og et cutoff-ratio på,7. Ved begynnelsen av kompresjonsprosessen er luften ved 98 ka og 7 C, som er samme trykk og temperaturen som i omgivelsene. Bruk konstante spesifikke varmekapasiteter for luft ved 750 K. a) Beregn temperaturen etter varmetilførelsesprosessen. egn et -v-diagram av syklusen. b) Beregn temperaturen før eksosprosessen begynner og hvor mye varme som må fjernes i eksosprosessen (i kj/kg). c) Beregn syklusens termisk virkningsgrad og midlere effektive trykk (ME). d) Beregn den spesifikke eksergiødeleggelse i eksosprosessen. 3