Termodynamika pro +EE1 a PEE

Literatura: http://home.zcu.cz/~nohac/vyuka.htm#EE1

http://home.zcu.cz/~nohac/EE1/

[0] Zakladni pomocny text prednasek doc. Schejbala

[1] Pomocne texty ke cviceni

[2] Prednaska - Zaklady vyroby a termodynamiky

[3] Prednaska - Zaklady vyroby a termodynamiky - Doplnek - Ucinnost tepelne elektrarny

[4] Prednaska - Technologie vyroby v elektrarnach

[5] Otazky v zkusebnim elektronickem testu (toto je temer kompletni seznam)

[6] Caste otazky u ustni zkousky (toto neni pochopitelne vycerpavajici seznam)

[7] Adresar vsech techto vyse uvedenych a dalsich podpurnych souboru pro predmety EE1 a PEE

Možné způsoby výroby elektrické

energie v současnosti:

termodynamická přeměna energie jaderného

paliva a spalování fosilních paliv

v mechanickou energii a následně

elektrickou - jaderné a klasické tepelné

(tepelné na fosilní paliva) elektrárny

přeměna mechanické polohové a kinetické

energie vody v mechanickou energii a

následně elektrickou - vodní elektrárny

Možné způsoby výroby elektrické

energie v současnosti:

přeměna slunečního záření na elektrickou

energii (přímo nebo zprostředkovaně) -

sluneční, větrné,

geotermické

slapové, …

Možné způsoby výroby elektrické

energie v současnosti:

Fosilní paliva

Jaderná energie

Sluneční energie

Geotermální energie

Tepelná energie

Energie koloběhu vody

Energie větru

Slapová energie, …

Elektr. energie

Termodynam. energie

Mechan. energie

Kotel/P.G. Parní turbína Alternátor

Fotovoltaický článek

J. reaktor

Vodní turbína

Větrná turbína

Spalovací turbína/motor Termodynam. energie

Kotel/Spal. kom.

Diagram energetických toků v ČR:

Tuhá paliva

Plynná paliva

Kapalná paliva

Elektřina

Teplo (z JE)

Import

Tuzemské

přírodní

zdroje

Export

Zušlechťování

Tuhá paliva

Plynná paliva

Kapalná paliva

Elektřina

Teplo (z JE)

Tuhá paliva

Plynná paliva

Kapalná paliva

Elektřina

Teplo (z JE)

Tuhá paliva

Plynná paliva

Kapalná paliva

Elektřina

Teplo (ze všech zdrojů)

Předpoklad světového vývoje výroby elektrické energie:

Předpoklad světového vývoje výroby elektrické energie:

Předpoklad Evropského vývoje výroby elektrické energie:

Jaderné elektrárny

Obnovitelné zdroje kromě vodních

Ostatní zdroje

Uhelné elektrárny

Vodní elektrárny

Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:

Instalovaný výkon Vyrobená energie

Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:

Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:

Instalace fotovoltaických elektráren v ČR

Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:

Struktura sítí v ČR:

Struktura sítí v ČR:

Struktura sítí v ČR:

Struktura sítí v ČR:

Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:

Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:

Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:

Struktura instalovaného výkonu a vyrobené energie v ČR:

Závěr:

Výroba elektrické energie v České republice je v nejbližší budoucnosti možná především na základě termodynamických přeměn vodní páry.

Dělení energetických výroben:

Podle druhu vyráběné energie:

• (kondenzační) elektrárny

• teplárny

• výtopny (kotelny)

Podle druhu nasazení v denním digramu zatížení:

• základní (do PMIN)

• pološpičkové (do PS)

• špičkové (do PMAX)

Základy termodynamiky KFY / TFYE:

Základní termodynamické veličiny:

• teplota

míra kinetické energie elementárních částic

hmoty daná translačním, rotačním a vibračním

charakterem

KCtKC abs 015.273, 0

0ºC = 273.15ºK

-273.15ºC = 0ºK

Základní termodynamické veličiny:

123

1

106

molAčásticN

molAkgMMm

Základní termodynamické veličiny:

https://kfy.zcu.cz/export/sites/kfy/dokumenty/FP1/tabulky.pdf

voda při 20°C má 4.1818 kJ/kg/K 4,185 kJ/kg/K = 1 kcal/kg/K

Základní termodynamické veličiny:

Základní termodynamické veličiny:

Základní termodynamické veličiny:

- +

Základní termodynamické veličiny:

- +

Základní termodynamické veličiny:

Základní termodynamické veličiny:

Základní termodynamické veličiny:

Základní termodynamické veličiny:

Základní termodynamické axiomy:

Stavová rovnice plynu: TrmVp

1. Termodynamický zákon:

Tavpuw

hgqvpuw

hg 222

2

22111

2

11

22

22222 ,,,, vpuwh11111 ,,,, vpuwh

Q

Ta

Základní termodynamické axiomy:

Stavová rovnice plynu: TrmVp

1. Termodynamický zákon:

Pro vodní turbíny:

2

022

21

2121

wwhhgaii T

Pro parní turbíny:

212121 00 iiawwhh T

Základní termodynamické děje:

Zákon Gay-Lussacův-děj izobarický:

.. konstT

Vkonstp Ze stavové rovnice plynu

0

)()(

12

1212

T

PVV

a

VVpa

dTrdVpTrdVpd

didpvdidTcdTrdTcdVpdTcdadudq

Základní termodynamické děje:

Zákon Gay-Lussacův-děj izobarický:

2

1 1

2

1

2

2

1

2

1

2

1

12lnln

V

Vc

T

Tc

T

dTc

T

dTc

T

dqdsS

PPP

P

Základní termodynamické děje:

Zákon Gay-Lussacův-děj izobarický:

A Q, I

1212

VVpA

1

2

1

2

12

1212

lnlnV

Vc

T

TcS

IIQ

PP

Základní termodynamické děje:

Zákon Charlesův - děj izochorický:

Ze stavové rovnice plynu .. konstT

pkonstV

2112

2

1

12

12 0

ppVppVdpVa

a

dudTcdVpdTcdadudq

T

VV

Základní termodynamické děje:

Zákon Charlesův - děj izochorický:

2

1 1

2

1

2

2

1

2

1

2

1

12lnln

p

pc

T

Tc

T

dTc

T

dTc

T

dqdsS

VVV

V

Základní termodynamické děje:

Zákon Charlesův - děj izochorický:

AT

2112

ppVAT

1

2

1

2

12

1212

lnlnp

pc

T

TcS

UUQ

VV

Q

Základní termodynamické děje:

Zákon Boyle-Mariotův-děj izotermický:

Ze stavové rovnice plynu .. konstVpkonstT

TrVpVpVp

p

pTr

V

VTr

V

VVpdV

V

Vpdvpa

dadadadTcdadudq

aadVpdpVVpdkonstVp

TV

T

2211

2

1

1

2

1

2

2

1

11

2

1

12 lnlnln

00)(.

Základní termodynamické děje:

Zákon Boyle-Mariotův-děj izotermický:

2

1

1

2

1

212

2

1

2

1

2

1

2

1

12

lnln

ln11

p

pr

V

Vr

V

V

T

rT

T

Ada

Tdq

TT

dqdsS

.konstT

Základní termodynamické děje:

Zákon Boyle-Mariotův-děj izotermický:

Q A AT=A=Q

2

1

1

2

12

121212

lnlnp

pr

V

VrS

AAQT

2

1

1

2

1212lnln

p

pTr

V

VTrAA

T

Základní termodynamické děje:

Děj adiabatický:

.0ln0lnln

0

0

00

00

..,

konstVppVpV

p

dp

V

dVdpVdVp

dVpdTccc

dpVdTcdadidq

dVpdTcdadudq

konstVpkonstqs

VVP

PT

V

Základní termodynamické děje:

Děj adiabatický:

1

2

1

2

1122

111

22

21

1

12211

T

T

V

VVTVT

VV

TrV

V

TrVpVp

Dosazením za tlak ze stavové rovnice plynu:

Podobně dosazením za objem opět ze stavové rovnice plynu:

1

1

1

2

1

1

2

2

1

1

2

1

1

2

2

22

1

11

T

T

p

p

V

V

T

T

p

p

p

Trp

p

Trp

Základní termodynamické děje:

Děj adiabatický:

Dosazením za p2•V2:

1

2

11112 1

1

V

VVpa

2211

1

2

11

222

1

111

212112121

1

10

VpVpV

VVVpVVp

TrTrTTr

TTcadudadq V

Základní termodynamické děje:

Děj adiabatický:

0

0

12

12

S

Q

1

2

111

121

1

V

VVpA

Základní termodynamické děje:

p=konst. T=konst. q, s = konst.

V/T=konst. pV=konst pV=konst

dq di=cP dT dq da, daT dq 0

a12=p(V2-V1) 1221

1

2

11112

1

11

uTTr

V

VVpa

1212

1

212 ln

qa

V

VTra

T

Ideální termodynamické cykly:

Obecný ideální termodynamický cyklus:

00 QQLAdadqUdu P

𝑑𝑞 = 𝑑𝑢 + 𝑑𝑎 → 𝑑𝑢 = 𝑑𝑞 − 𝑑𝑎 = 𝑐𝑉 ∙ 𝑑𝑇

Ideální termodynamické cykly:

Carnotův cyklus:

http://www.vascak.cz/data/physics_flashlets/carnot.html

1

2

3

4

3 2

1 4

Q2

Q1

Ideální termodynamické cykly:

Carnotův cyklus:

- sestává ze dvou izoterm a dvou adiabat

2

1

232

141232 1T

T

SST

SSTSST

Q

QQ

P

OP

Ideální termodynamické cykly:

Carnotův cyklus:

2

3

1

4

1

3

4

1

2

4

3

1

2

1

1

2

2

1

2

32

1

41

1

ln

ln

11

V

V

V

V

V

V

T

T

T

T

V

V

T

T

T

T

V

VTr

V

VTr

Q

Q

P

O

První adiabata Druhá adiabata

Ideální termodynamické cykly:

Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:

- sestává ze dvou izobar a dvou adiabat

Ideální termodynamické cykly:

Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:

- sestává ze dvou izobar a dvou adiabat

1

2

111

p

p

T

T

ii

l

C

D

BC

ABDCdodzisk

ADBCOP

iiiiaal

iiiiqql

Ideální termodynamické cykly:

Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:

BCP

ADP

BC

AD

P

O

TTc

TTc

ii

ii

Q

Q

111

Zavedením:

B

A

V

V - kompresní poměr

B

C

V

V - izobarický součinitel

11

1

ABB

A

A

B TTV

V

T

TA->B adiabata

Ideální termodynamické cykly:

Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:

B->C izobara 1 ABCB

C

B

C TTTV

V

T

T

Ideální termodynamické cykly:

Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:

adiabaty A->B a C->D mají stejné mezní tlaky:

AACD

A

B

D

C

C

D

C

D

B

A

C

D

D

C

A

B

B

A

DACB

TTTT

V

V

V

V

T

T

V

V

V

V

V

V

p

p

V

V

p

p

konstVppppp

1

1

1

1

11

11

1

.

Ideální termodynamické cykly:

Jouleův-Braytonův cyklus plynové turbíny:

1

1

1111

111

1

111

C

D

C

D

AA

AA

p

p

T

T

TT

TT

BCP

ADP

BC

AD

P

O

TTc

TTc

ii

ii

Q

Q

111

Cyklus s plynovou turbínou:

Jednoduchá praktická realizace:

Cyklus s plynovou turbínou:

Praktická realizace s výměníkem tepla a rozdělenou turbínou:

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Cyklus sestává ze dvou izobar a dvou adiabat v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:

TK= 647,30° K = 374.15° C pK= 22.13 MPa

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Izobara v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Izochora v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Termodynamické děje v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:

konstantní nVpDiagram T-S

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

konstantní nVpDiagram p-V

Termodynamické děje v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

konstantní nVpDiagram i-S

Termodynamické děje v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

V oblasti mokré páry zavádíme veličinu suchost:

1;0///

//

mm

mx

//// ssxss

//// iixii

//// vvxvv Index ’ znamená sytou kapalinu

tedy (x =0)

Index ’ ’ znamená sytou páru

tedy (x =1) sytá kapalina sytá pára

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Mezní hodnoty veličin pro sytou kapalinu a sytou páru:

i

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Diagram T-S Diagram i-S

Termodynamické děje v prostředí vody, mokré a suché vodní páry:

p – konst.

T – konst.

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Základní oběh a schéma parní elektrárny:

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Diagram T-S:

1 - 1’

adiabatická

komprese

v hlavním

oběhovém čerpadle

(napáječce)

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Diagram T-S:

1’ - 2

izobarický

ohřev

v ohříváku - ekonomizéru

(součást kotle)

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Diagram T-S:

2 - 3

izobarický a současně

izotermický var

ve výparníku

(součást kotle)

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Diagram T-S:

3 - 4

izobarické přehřátí

páry v přehříváku

(součást kotle)

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Diagram T-S:

4 - 5

adiabatická expanze

páry v turbíně

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Diagram T-S:

5 - 1

izobarická a současně

izotermická kondenzace

v kondenzátoru

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Diagram i-S:

1 – kd (kondenzát)

1’ – nv (napájecí voda)

4 – a (admisní pára)

5 – e,k (pára po expanzi)

1

1’ 2

3

4

5

Diagram i-S:

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Cyklus Clausius-Rankin parní turbíny:

Diagram p-V:

Účinnost C-R cyklu parní turbíny:

Vyšetření z diagramu T-S:

P

OP

P

O

Q

QQ

Q

Q 1

Účinnost C-R cyklu parní turbíny:

Vyšetření z diagramu T-S:

P

OP

P

O

Q

QQ

Q

Q 1

%40 (!)

Účinnost C-R cyklu parní turbíny:

Vyšetření z diagramu

i-S:

ea iil

kda ii

l

Účinnost C-R cyklu parní turbíny:

kgkJi

Ct

MPap

a

a

a

/3245

430

,5.6

pa

ta ia

Výpočet z diagramu i-S:

Účinnost C-R cyklu parní turbíny:

Adiabatická expanze v turbíně:

pa

ta ia

kPap

Ct

e

kd

4.6

37

ie tkd

kgkJie /2040

kgkJh

iih

ad

eaad

/1205

Účinnost C-R cyklu parní turbíny:

Parametry kondenzátu:

kgkJi

kgkJi

cti

kd

kd

pkdkd

/9.154

/1868.437

kda

ad

ii

h

39.09.1543245

1205