Het Ts diagram van water en stoom

Transcriptie

1 PvB-7 Si Pagina 1 Het Ts diagram van water en stoom woensdag 1 februari :51 Rendement uit verhouding van oppervlakten Het oppervlak binnen de kringloop ( )= nuttig gebruikte warmte Oppervlak onder de lijn 2-3 = -1 afgevoerde warmte in de condensor Oppervlak onder de lijn = warmte in het systeem na voorwarming en verdamping

2 rendement= nuttig/toegevoerd = (toegevoerd - afgevoerd)/toegevoerd PvB-7 Si Pagina 2

3 PvB-7 Si Pagina 3 les 2 woensdag 1 februari :57 uit natuurkundeboek

4 PvB-7 Si Pagina 4 Inleiding maandag 2 februari :46 Het kringproces turbine installatie bestaat uit isobare warmtetoevoer, bijna isentrope arbeidslevering, isobare warmteafvoer en een isentroop arbeidsverbruik (vp). Daarna herhaalt alles zich weer. toestandsveranderingen per apparaat ketel: verhoging van de inwendige energie turbine: stoom stroomt erdoor en geeft energie af W condensor: verlaging van inwendige energie voedingpomp: met een beetje arbeid van buiten wordt de druk verhoogd Carnot en zijn onderzoekingen: Hij leefde van 1796 tot 1832 het jaar waarin hij stierf aan cholera, was een leerling van James Watt uit Schotland, die een stoommachine uitvond. Hij deed theoretisch onderzoek naar processen die bestonden uit 2 adiabaten en 2 isothermen en hij gebruikte daarbij de algemene gaswet: P.V=m.R.T Hij ontdekte dat het technisch hoogst haalbare rendement afhankelijkis van 2 temperaturen: - - T waarbij de warmte wordt toegevoerd T Hoog T waarbij warmte wordt afgevoerd T Laag

5 η = 1 - PvB-7 Si Pagina 5

6 PvB-7 Si Pagina 6 kracht, arbeid en energie zondag 31 januari :38 UIT HET NATUURKUNDE BOEK Onthoud dit goed: Er wordt arbeid verricht als het voorwerp waarop kracht wordt uitgeoefend zich verplaatst, in de richting van die kracht. Onthoud ook dit: Iets heeft energie als het de mogelijkheid heeft om arbeid te verrichten Met energie kan 2 dingen gebeuren: - omzetten in een andere vorm van energie vb van chemische naar thermische - overdracht naar dezelfde vorm van energie vb van thermische naar thermische (radiator met warm water naar lucht)

7 Inwendige energie van gassen zondag 7 februari :18 Als een vloeistof verdampt dan gaan de moleculen naar de gas-vorm. De vd Waalskrachten zijn doorbroken, de afstand is zo groot geworden dat de deeltjes elkaar niet meer aantrekken en krachten dus geen invloed meer hebben. Dan bestaat er alleen nog bewegingsenergie van de moleculen De energie van bewegende deeltjes hangt af van: - snelheid ( we nemen de gemiddelde snelheid, er zijn altijd deeltjes sneller maar ook langzamere) - massa van de deeltjes. Een zwaarder molecuul heeft meer energie. Afleiding van de formule: W kin = 1/2 x m x v Als er kracht op een deeltje werkt dan verplaatst dit zich, er wordt arbeid verricht: W= F x S als een deeltje zich onder werking van een kracht verplaatst dan verplaatst dat deeltje zich, met een versnelling, volgens de formule: S= 1/2 x a x t 2 Kracht en versnelling: F= m x a volgens Newton snelheid bij versnelling: v = a x t dus kun je zeggen: W = m x a x 1/2 x a x t 2 W = 1/2 x m x a 2 x t 2 = 1/2 x m x (axt) 2 W= 1/2 x m x v 2 En deze laatste formule wordt altijd gebruikt voor kinetische energie en we zijn eraan gekomen door een aantal formules te gebruiken die allemaal gelden voor deeltjes met massa. Het is een zeer belangrijke voor de natuurkunde, er is zelfs een heel aparte afdeling ontstaan: de Thermodynamica. PvB-7 Si Pagina 7

8 Inwendige energie zondag 7 februari :44 Als je arbeid uit een machine wilt laten komen zul er energie in moeten doen. Maar als je een machine wilt laten werken dan moet je altijd bedenken dat een deel van die toegevoerde energie gaat zitten in INWENDIGE energie van de werkende stof. Dat deel kan niet of maar gedeeltelijk naar arbeid worden omgezet. hoe zit dat met een: - verbrandingsmotor - een stoomturbine installatie - een elektromotor Inwendige energie van moleculen, "U" genoemd, bestaat uit 2 delen, kinetische- en potentiele energie, de verandering van U is dan: ΔU = ΔU k + ΔU p Bij (ideale) gassen is de potentiele energie ΔU p = 0, omdat de moleculen zo ver van elkaar zijn dat deze energie geen invloed meer heeft. Dan blijft dus over: ΔU = ΔU k PvB-7 Si Pagina 8

9 PvB-7 Si Pagina 9 W u : De uitwendige arbeid zondag 7 februari :44 Denk aan het experiment met een hoeveelheid gas in een cilinder, waarboven een gewichtloze zuiger heen en weer kan schuiven zonder weerstand: boven: de moleculen zitten in volume V1 moleculen oefenen kracht uit op de zuiger Onder: Er is warmte toegevoerd, de druk van het gas is gelijk gebleven (waarom?) maar het volume is vergroot. Geleverde arbeid W= F x S = pxaxs = p x ΔV Een Isobarische warmtetoevoer Je kunt er ook zo naar kijken met de gaswet: p.v 1 =m.r s.t 1 en p.v 2 = m.r s.t 2 dan wordt: W u = p(v 2 - V 1 ) W u = m.r s.δt

10 PvB-7 Si Pagina 10 Eerste Hoofdwet thermodynamica woensdag 17 februari :19 EERSTE HOOFDWET van de thermodynamica zegt: "energie gaat nooit verloren" daarom moet het zo zijn dat: "de TOEGEVOERDE energie", Q toe genoemd, is gelijk aan de toename van de inwendige energie plus de verrichte uitwendige ARBEID. Q toe = ΔU + W u Voor een gas kun je er dan van maken: Q toe = ΔU k + W u

11 PvB-7 Si Pagina 11 Warmtestroming: Q toe, Arbeid en Q af zondag 31 januari :53 Moleculen hebben een inwendige energie die uit 2 soorten bestaat: - bewegingsenergie - van der Waals aantrekkings-energie dit is potentiele energie. Vaste stoffen en vloeistoffen! ( Voor gassen zijn de vd Waalskrachten niet meer aanwezig, de afstanden tussen de deeltjes zijn te groot. Hier is alleen nog bewegingsenergie.) Als we een massa deeltjes dus energie laten opnemen moeten we er goed rekening mee houden dat dit inwendige energie wordt. Warmte is ontvangen energie. Meestal is de energie Q af gelijk aan de afgevoerde massa met inwendige energie, afgewerkte stoom bij een turbine en uitlaatgassen bij een verbrandingsmotor. Deze massa gas heeft kort daarvoor arbeid geleverd en wordt nu afgevoerd.

12 Meer gaswet, Soortelijke warmte woensdag 27 januari :06 = R of = m.r s R m = M.R s dus R s = R m /M of = m.r m /M Rs = R voor 1 kg gas Rm = R voor 1 mol gasdeeltjes (vast aantal van 6 x 10 macht 23) Wat betekent c = 4,2 kj/kg.k? Soortelijke warmte van een gas? Wat stelt de soortelijke warmte c van gas dan voor, als gas bij veranderingen arbeid levert of opneemt? Q = m. c. Δ t Anders gesteld waarvan hangt de waarde van c af? Daarom gebruiken we voor een gas alleen c v of c p En we weten: als de druk constant is dan is er een W èn een ΔU Als het volume constant is dan is er géén W maar alléén ΔU En als druk én volume allebei veranderen dan kan deze hele formule niet worden toegepast. We gebruiken voor stoom (en alle andere gassen ook) enthalpie als warmtehoeveelheid en nooit m.c.δt. PvB-7 Si Pagina 12

13 PvB-7 Si Pagina 13 Opg. Carnot vs Rankine maandag 8 februari :31 1) In een Carnot proces Qtoe bij 360 C Qaf bij 20 C Bereken het Carnot rendement 2) In een Rankine proces met verzadigde stoom als werkend medium: Verdampingstemperatuur = 360 C Condensatietemperatuur = 20 C Bereken het thermische rendement van deze installatie. 3) Hoe verklaar je het verschil tussen antw van 1 en antw van 2?

14 PvB-7 Si Pagina 14 Wat hebben we gedaan? woensdag 15 februari :46 Kringloop W+S bekeken Theoretische kringloop in TS diagram gezet elk stukje oppervlak is hier een hoeveelheid warmte oppervlak totaal aanwezige warmte na ketel oppervlak totaal afgevoerde warmte na condensor verschil tussen deze oppervlakken is de geleverde arbeid Gesproken over het theoretische onderzoek van Nicolas Carnot onderzoek naar kringlopen en het hoogst haalbare rendement zijn conclusie: hoogst haalbare kringloop bestaat uit: isotherme warmtetoevoer (ketel verdamping) adiabatische expansie (turbine) isotherme warmteafvoer (condensor) adiabatische drukverhoging (voedingpomp) De gebruikelijke kringloop is die van Rankine. stuk isobare warmtetoevoer (eco en verdamper) bijna adiabatische expansie (turbine) isobare (en isotherme!) warmteafvoer (condensor) bijna adiabatische drukverhoging (voedingpomp) sommetje gedaan om te vergelijken: Carnot en Rankine

15 opgave woensdag 15 februari :06 PvB-7 Si Pagina 15

16 PvB-7 Si Pagina 16 Voorwarmers woensdag 22 februari :56 vanaf blz 15 Hier zijn duidelijk te onderscheiden waar zich de 3 zones bevinden Let op de koelplaatjes die zich op de pijpen bevinden, ze dienen ook om de afgelegde weg van de stoom richting te geven. Stel je eens voor wat er gebeurt dat er een pijp lek raakt. - zal dit een LP- of een HP feedheater zijn? Wat moet je dan doen? Hoe denk je dat dit apparaat kan worden gedemonteerd?

17 PvB-7 Si Pagina 17 wat is dit? woensdag 8 maart :03

18 PvB-7 Si Pagina 18 formatieve toets 2 woensdag 15 maart :32 form 2

19 PvB-7 Si Pagina 19 formatieve toets 3 woensdag 15 maart :33 form 3

20 PvB-7 Si Pagina 20 ontgassen par. 8 blz 23 woensdag 22 maart :52

21 PvB-7 Si Pagina april woensdag 19 april :19 gestart met de condensor eerst training gedaan met opgave rankine proces werkend met vs.

22 PvB-7 Si Pagina 22 Regeneratieve condensor woensdag 3 mei :48 Wat wordt bedoeld met regeneratief? Wat is onderkoeling van condensaat en waarom is dit slecht voor het rendement van het gehele systeem?

23 PvB-7 Si Pagina 23 Warmtebalans berekeningen bij de condensor woensdag 3 mei :51 damp wordt condensaat: warmte afgifte koelwater warmt op warmte opname Qop = Qaf oefenopgave: Van een installatie is het volgende bekend: de hoeveelheid afgewerkte stoom is 17,5 kg/s; de druk in de condensor is 0,06 bar; X = 0,91; het temperatuurverschil tussen inlaat en uitlaat koelwater is 10 ºC; c w koelwater = 4,2 kj/kg.k; Vragen: Maak een warmtebalans. bereken de benodigde hoeveelheid koelwater. = 916 kg/s

24 PvB-7 Si Pagina 24 Het ontgassingsproces woensdag 3 mei :44 Ontgassing in 2 stappen: - bij binnenkomst van het condensaat - bij het op kooktemperatuur brengen Ontluchting aan bovenzijde. Waarom? Andere functies van de ontgasser:

25 PvB-7 Si Pagina 25 stoomejecteur woensdag 10 mei :33 door snelheidsvergroting van een stoomstraal ontstaat er een drukverlaging. Deze drukdaling kan erg groot zijn. Met een stoomstraalejecteur kan men de lucht uit een condensor zuigen (net als met een waterring vacuumpomp). Bij een st-str-ejecteur verlies je altijd veel stoom. Daarom wordt er meestal een klein condensortje gebruikt om deze stoom terug te winnen. Er is dan nog een vacuumzuigend apparaat nodig om de lucht, die overblijft, uit het condensortje te verwijderen. Dus altijd minimaal 2 vacuum apparaten nodig!

26 PvB-7 Si Pagina 26 Grädigkeitgrafieken woensdag 10 mei :58 grädigkeit = tu - tc (een delta t)

27 PvB-7 Si Pagina 27 warmteoverdracht woensdag 17 mei :58 Q=mxcxdt overgedragen warmte warmteweerstand / warmtegeleiding per m2 oppervlak oppervlak temperatuurverschil Q = k x A x Dt gem k faktor afhankelijk van het materiaal vd pijp en van de dikte van de pijpwand k = 1/ (1/a 1 + d/l + 1/a 2 ) formule van Grasshoff eenheid k = kw/m2/k A aantal m2 pijpoppervlak waar de warmte doorheen gaat (gemiddeld) Dt gem? dt maximaal en dt minimaal! huiswerk: maak van vragenblad pagina 4 opgave 8 en de extra vraag

28 PvB-7 Si Pagina 28 zoeken naar fouten bij een condensor woensdag 31 mei :54 vervuild koelwater traject grotere warmteweerstand, minder warmteopname uit de damp. tdamp stijgt, pdamp stijgt, tcon stijgt actie reinigingscyclus vaker doen luchtinbreuk partiele druk!! "gemeten pdamp" (het is niet meer aléén damp) zal stijgen terwijl de condensatie temperatuur gelijk blijft. actie: lek zoeken, beginnen bij de vacuumpomp gebrekkige hoeveelheid koelwater temp koelwater-uit stijgt, aantal kw van de aandrijfmotor daalt actie eerst kijken naar aanzuigtraject (filter dicht) dan naar werking van pomp of E-motor vervuiling condensaat (lekage pijpje(s)) vrijwel direct alarm van de geleidbaarheidmeter actie Condensor uit bedrijf nemen en lekkage opsporen

29 PvB-7 Si Pagina 29 vergelijking uit metingen woensdag 31 mei :44 Wat betekent: "Condensorbelasting" Vergelijken in de tijd, bij verschillende belastingen: afnemende koelwaterhoeveelheid toenemende vervuiling luchtlekkage combinatie luchtlekkage + vervuiling