Simulator Laboratorium

Met uitzondering van waterkrachtcentrales maken de meeste centrales voor energieopwekking gebruik van een soort ketel en stoomturbine. Hieronder ziet u een schematisch diagram van een eenvoudige stoomkrachtcentrale:

Hogedrukstoom verlaat de ketel en komt in de turbine. De stoom zet uit in de turbine en verricht arbeid die de turbine in staat stelt de elektrische generator aan te drijven. De uitlaatstoom verlaat de turbine en komt in de condensor waar warmte wordt overgedragen van de stoom naar het koelwater. De druk van het condensaat dat de condensor verlaat, wordt in de pomp verhoogd, zodat het condensaat naar de ketel kan stromen. Deze thermodynamische cyclus staat bekend als de Rankine Cyclus.

De Rankine Cyclus Efficiëntie

Zoals hierboven opgemerkt, gaat er altijd wat warmte verloren van de stoom naar het koelwater. Bovendien verbruiken de toevoerpompen energie waardoor de netto-arbeidsprestatie wordt verminderd. Het rendement van de Rankine-cyclus kan dan worden uitgedrukt als:

of

Verwijzend naar het bovenstaande diagram en gebruikmakend van de enthalpie-waarden in de Rankine-cyclus, kunnen we schrijven:

Verbetering van het rendement van de Rankine Cyclus

Effect van druk en temperatuur op de Rankine Cyclus

Als de uitlaatdruk daalt van P4 naar P4′ met de overeenkomstige daling van de temperatuur waarbij de warmte in de condensor wordt afgegeven, neemt het netto werk toe met gebied 1-4-4′-1′-2′-2-1 (zie onderstaand diagram)

Op een vergelijkbare manier, als de stoom in de ketel wordt oververhit, is het duidelijk dat het werk met oppervlakte 3-3′-4′-4-3 toeneemt (zie onderstaand diagram):

Het oververhitten van de stoom gebeurt door de tijd dat de stoom aan de rookgassen wordt blootgesteld te verlengen. Het resultaat van oververhitting is dat voor een gegeven vermogen de installatie die gebruik maakt van oververhitte stoom kleiner van omvang zal zijn dan die welke gebruik maakt van droge verzadigde stoom.

De herverhittingscyclus

Hierboven hebben we opgemerkt dat het rendement van de Rankine-cyclus wordt verhoogd door oververhitting van de stoom. Als er metalen zouden kunnen worden gevonden die ons in staat stellen hogere temperaturen te bereiken, zou de Rankine-cyclus efficiënter kunnen zijn. Om het rendement te verbeteren is de heropwarmingscyclus ontwikkeld, die hieronder schematisch is weergegeven:

In deze cyclus wordt de stoom in de turbine tot enige tussendruk geëxpandeerd en vervolgens in de ketel weer opgewarmd, waarna de stoom in de lagedrukturbine tot de uitlaatdruk wordt geëxpandeerd. Rankine Cyclus met heropwarming thermisch rendement kan worden uitgedrukt als:

De regeneratieve cyclus

Een andere variatie op de Rankine cyclus is de regeneratieve cyclus, die het gebruik van voedingswaterverwarmers impliceert. Tijdens het proces tussen toestand 2 en 2′ wordt het voedingswater verwarmd en de gemiddelde temperatuur is tijdens dit proces veel lager dan tijdens het verdampingsproces 2′-3. Met andere woorden, de gemiddelde temperatuur waarbij warmte wordt toegevoerd in de Rankine-cyclus is lager dan in de Carnot-cyclus 1′-2′-3-4-1′, en dientengevolge is het rendement van de Rankine-cyclus lager dan dat van de overeenkomstige Carnot-cyclus. De relatie tussen de Carnot-cyclus en de Rankine-cyclus wordt hieronder getoond.

In de regeneratieve cyclus komt het toevoerwater de ketel binnen op een punt tussen 2 en 2′. Als gevolg daarvan wordt de gemiddelde temperatuur waarbij warmte wordt geleverd, verhoogd. Hieronder volgt een schematische weergave van de praktische cyclus:

Het thermisch rendement van de installatie

Om het totale thermische rendement van de installatie te berekenen, moeten we de bovenstaande formules aanpassen om rekening te houden met de warmte die in de herverhittingssecties van de ketel wordt toegevoegd:

Hints & Tips

In dit practicum berekent u in wezen het thermisch rendement van de Rankine Cyclus. U moet echter rekening houden met de heropwarmingscyclus en de volgende tags in uw trends opnemen:

• Q02395 Reheater 1 overgedragen warmte
• Q02375 Reheater 2 overgedragen warmte

Voor de boilervoedwaterinlaattemperatuur kunt u de tag# Startup Heat Exchanger Feedwater Outlet Temperature: T02447 gebruiken.

Voor de tweede berekening, zoek de Variabele Lijst Pagina 0100 op zoals hieronder getoond:

Voor de derde berekening, zorg ervoor dat u alle stoomafvoerkleppen heeft gesloten en stel T00305 in op 10°C:

Om de enthalpie-waarden te berekenen, kunt u een app of online hulpprogramma gebruiken, zoals de Superheated Steam Table: https://goo.gl/GdVM4U