Simulatorlabor

Mit Ausnahme von Wasserkraftwerken verwenden die meisten Stromerzeugungsanlagen eine Art Kessel und eine Dampfturbine. Eine schematische Darstellung eines einfachen Dampfkraftwerks ist unten abgebildet:

Der unter hohem Druck stehende Dampf verlässt den Kessel und tritt in die Turbine ein. Der Dampf dehnt sich in der Turbine aus und verrichtet Arbeit, wodurch die Turbine den Stromgenerator antreibt. Der Abdampf verlässt die Turbine und gelangt in den Kondensator, wo die Wärme vom Dampf auf das Kühlwasser übertragen wird. Der Druck des Kondensats, das den Kondensator verlässt, wird in der Pumpe erhöht, so dass das Kondensat in den Kessel fließen kann. Dieser thermodynamische Kreislauf wird als Rankine-Kreislauf bezeichnet.

Der Wirkungsgrad des Rankine-Kreislaufs

Wie bereits erwähnt, geht immer ein Teil der Wärme vom Dampf zum Kühlwasser verloren. Außerdem verbrauchen die Förderpumpen Energie, wodurch die Nettoarbeitsleistung sinkt. Der Wirkungsgrad des Rankine-Zyklus kann dann wie folgt ausgedrückt werden:

oder

Bezogen auf das obige Diagramm und unter Verwendung der Enthalpiewerte im Rankine-Zyklus können wir schreiben:

Wirkungsgradverbesserung des Rankine-Zyklus

Auswirkung von Druck und Temperatur auf den Rankine-Zyklus

Wenn der Abgasdruck von P4 auf P4′ fällt und die Temperatur, bei der die Wärme im Kondensator abgeführt wird, entsprechend abnimmt, erhöht sich die Nettoarbeit um die Fläche 1-4-4′-1′-2′-2-1 (siehe Diagramm unten)

In ähnlicher Weise, Wenn der Dampf im Kessel überhitzt wird, ist es offensichtlich, dass die Arbeit um den Bereich 3-3′-4′-4-3 erhöht wird (siehe Diagramm unten):

Die Überhitzung des Dampfes erfolgt durch Verlängerung der Zeit, in der der Dampf den Rauchgasen ausgesetzt ist. Das Ergebnis der Überhitzung ist, dass die Anlage, die überhitzten Dampf verwendet, bei einer gegebenen Leistung kleiner ist als diejenige, die trockenen Sattdampf verwendet.

Der Reheat Cycle

Oben haben wir festgestellt, dass der Wirkungsgrad des Rankine Cycle durch Überhitzung des Dampfes erhöht wird. Wenn man Metalle finden könnte, die es erlauben, höhere Temperaturen zu erreichen, könnte der Rankine-Zyklus effizienter sein. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, wurde der Zwischenüberhitzungszyklus entwickelt, der im Folgenden schematisch dargestellt ist:

Bei diesem Zyklus wird der Dampf in der Turbine auf einen Zwischendruck entspannt und dann im Kessel wieder erhitzt, woraufhin er sich in der Niederdruckturbine auf den Abgasdruck entspannt. Der thermische Wirkungsgrad des Rankine-Zyklus mit Zwischenüberhitzung kann wie folgt ausgedrückt werden:

Der regenerative Zyklus

Eine weitere Variante des Rankine-Zyklus ist der regenerative Zyklus, bei dem Speisewassererhitzer eingesetzt werden. Während des Prozesses zwischen den Zuständen 2 und 2′ wird das Speisewasser erhitzt und die durchschnittliche Temperatur ist während dieses Prozesses viel niedriger als während des Verdampfungsprozesses 2′-3. Mit anderen Worten: Die durchschnittliche Temperatur, bei der im Rankine-Zyklus Wärme zugeführt wird, ist niedriger als im Carnot-Zyklus 1′-2′-3-4-1′, und folglich ist der Wirkungsgrad des Rankine-Zyklus geringer als der des entsprechenden Carnot-Zyklus. Die Beziehung zwischen Carnot-Zyklus und Rankine-Zyklus ist unten dargestellt.

Im regenerativen Zyklus tritt das Speisewasser an einem Punkt zwischen 2 und 2′ in den Kessel ein. Dadurch erhöht sich die durchschnittliche Temperatur, bei der Wärme zugeführt wird. Ein Schema des praktischen Zyklus ist unten abgebildet:

Der thermische Wirkungsgrad der Anlage

Um den thermischen Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu berechnen, müssen wir die obigen Formeln anpassen, um die in den Zwischenüberhitzern des Kessels zugeführte Wärme zu berücksichtigen:

Hinweise & Tipps

In diesem Labor berechnen Sie im Wesentlichen den thermischen Wirkungsgrad des Rankine-Zyklus. Sie müssen jedoch den Zwischenüberhitzungszyklus berücksichtigen und die folgenden Tags in Ihren Trends protokollieren:

• Q02395 Übertragene Wärme des Zwischenüberhitzers 1
• Q02375 Übertragene Wärme des Zwischenüberhitzers 2

Für die Kesselspeisewassereintrittstemperatur können Sie den Tag für die Speisewasseraustrittstemperatur des Wärmetauschers beim Start verwenden: T02447.

Für die zweite Berechnung suchen Sie die Variablenliste Seite 0100 wie folgt:

Für die dritte Berechnung vergewissern Sie sich, dass Sie alle Dampfentnahmeventile geschlossen und T00305 auf 10°C eingestellt haben:

Um die Enthalpiewerte zu berechnen, können Sie eine App oder ein Online-Tool wie die Tabelle für überhitzten Dampf verwenden: https://goo.gl/GdVM4U