PEUT Schatz Teil

Aus der Energie eines Systems unter Mitwirkung der Umgebung maximal gewinnbare Arbeit.

• Ideales Gas pv=RT

• Fluidenthalpie nur von Temperatur abhängig

• CP = const. Delta h= cp*delta T

• Zustandsänderungen adiabat reversible bzw. Isentrop

• Fluid mit Realgaseigenschaften

• Verlustbehaftete Zustandsänderungen

• Veränderung der Gaseigenschaften durch Verbrennung

• Wärmezufuhr durch Verbrennung

• Wärmeabfuhr durch Abgabe an die Umgebung

-> bsp. Verbrennungskraftmaschine

• Bei verwendung anderer Fluide wie z.B. Luft

• keine Wärmezufuhr durch Verbrennung

• Wärmeabfuhr an die Umgebung mittels Wärmetauscher

-> Bsp. Wärmekraftmaschine

• Entspricht für den Kreisprozess der umschlossenen Fläche im T-s Diagramm

• Funktion des Temperaturverhältnisses

• hohes Temperaturverhältnis = höhere Leistungsdichte

• Flug GT: Hohe Leistung bei kleinen Abmessungen

• Rechtfertigt hohen Aufwand zur Schaufelkühlung

• Erhöhung der spezifischen Arbeit

• niedriger thermischer Wirkungsgrad

1->2 isentrope Kompression

2->3 isobare Wärmezufuhr

3->4 isentrope Expansion

4->5 isobare Wärmezufuhr (ZÜ)

5->6 isentrope Expansion

6->1 isobare Wärmeabfuhr

• Reduzierung der notwenigen Kopressionsarbeit im 2. Verdichterprozess

• Wärme aus 1. Kompression geht verloren ->mehr Wärmezufuhr notwendig

1->2 isentrope Kompression

2->3 isobare Wärmeabfuhr (ZK)

3->4 isentrope Kompression

4->5 isobare Wärmezufuhr

5->6 isentrope Expansion

6->1 isobare Wärmeabfuhr

• Einspritzung demineralisierten Wasser

• Wassertropfen erwärmen sich und verdampfen

-> Kühlung des Luftstroms

-> Steigerung des Massenstroms

=> Leistungssteigerung

• Nutzung der Turbinenabwärme durch interne WÜ an verdichtete Luft

  
  

• Verluste in Verdichter und Turbine

• Druckverluste in Brennkammer und WÜ

• Nicht vollständige WÜ und Verbrennung

• Massenstromänderung durch Schaufelkühlung

• mechanische Verluste

-> Berücksichtigung durch Wirkungsgrade

• möglichst hohes T3 anzustreben -> Erhöhung des Temperaturgradienten

• hohe Eintrittstemperatur erfordert Schaufelkühlung

- Luftanzapfung aus hinteren Verdichterstufen

- Einblasen der “Kühlluft” im Bereich der ersten Schaufelreihe

Kraft Wärme Kopplung:

• Nutzung der Abwärme als Heizwärme

• Erwärmung von Wasser, Dampferzeugung oder Fernwärme

• Effizienter als getrennte Strom und Wärmeerzeugung

Kombinierter GuD Prozess:

• Temperaturniveau des GT-Abgases hoch genug um Dampfprozess zu fahren (T4=600°C)

-> Bei zu geringer Abgastemperatur muss nachgefeuert werden, dadurch absinken des Wirkungsgrades durch zusätzlichen Brennstoff

• Temperaturabsenkung im Abhitzekessel durch Wärmeübergang an Wasser oder Dampf

-> energetisch günstiger wenn Temperaturverläufe sich Decken würden

-> Wegen isothermer Verdampfung nicht möglich

=>Verbesserung durch Annährung duch Verdampfung bei unterschiedlichen Drücken

=> 2-3 Druck Prozesse (Abhängig von Anlagengröße)

+ höherer Wirkungsgrad

+ höhere Nutzleistung

- zusätzlichge Komponenten

- Komponentengröße

• externe Verbrennung Wärmeübertragung mit WÜ

  • relativ geringe Temperaturen, da Temp.-grad. benötigt wird

• direkte Verbrennung von Kohlestaub

  • Erosion (Entfernung von Aschepartikeln)

• Kohlevergasung aufwändig und teuer

• STIG (Steam Injected Gas Turbine), GuD Prozess ohne Dampfturbine

• Dampf wird im Abhitzekessel erzeugt

• Einspritzung vor Brennkammer

• Erlaubt flexibles Auskoppeln von Heizwärme

Vorteile:

• Reduktion von NOx durch geringere Flammtemperatur

• Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung durch höheren Massenstrom in Turbine

• optimale Wirkungsgrade bei pi=35

Nachteile:

• Eingespritzter Dampf geht verloren -> hoher Wasserbedarf

• Dampf muss überhitz sein, sonst Errosionsgefahr

• Wirkungsgrad geringer als GuD, da geringere Dampfexpansion

Vorteile:

• Brennstoffflexibilität(Kohle, Erdgas, Öl,…)

• Arbeitsmedium frei wählbar (He, CO2, Luft,…)

• hohes Druckniveau möglich

  • verkleinerung der Gasführung/Abmessungen

  • Leistungsänderung deruch änderung von pi

Nachteile:

• zusätzlicher WÜ notwendig

  • min. Erhitzer und Kühler

  • zusätzliche Verluste

• Begrenzung der oberen Prozesstemperatur

• höhere Anlagenkosten

• Mschinengröße reuziert sich

• Drehzahl steigt an

• höhere Reynoldzahl

• besserer Wärmeübergang

=> kompaktere Maschinen mit besseren Wirkungsgraden

Normalbetrieb:

• leerer Speicher Prozess läuft auf Nenndruck

Teillastbetrieb:

• Speicher nimmt Fluid auf , Druck fällt ab

• reduzierte Leistung, Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme

Normalbetrieb:

• Verdichterbypass geschlossen

Teillastbetrieb:

• reduzierung des Massenstroms

• Druck vor Verdichter/Gegendruck der Turbine steigt an

• hohe Wärmeabgabe im Kühler

Joule Prozess:

• Verdichtung und Expansion im gasförmigen Zustand

• Expansion bis zum mechanischen Gleichgewicht, hohe Abgas Exergie

• hohes T3 erreichbar

CR Prozess:

• Verdichtung im flüssigen Zustand, Expansion im gasförmigen Zustand

• Expansion ins thermische Gleichgewicht, niedrige Exergie des Abdampfes

• T3 durch Werkstoffeigenschaften und hohen Druck eingeschränkt

• Reduktion des Eigenbedarfs (Pumpen, Mühlen, Ventilatoren)

• Veringerung der Verluste

  • Erhöhung Kessel- und Generatorwirkungsgrad

  • Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades

• Erhöhung der Exergie

  • Erhöhung der mittleren Temperatur der Wärmezufuhr

    -> Erhöhung FD Temperatur

    -> Erhöhung FD Druck bei gegebener Temperatur

• Verschiebung des Eintrittzustands durch Druckerhöhung in der Turbine hin zu niedrigeren Entropien -> näher an Sättigungskurve

• Expansion des Dampfes auf niedriege Enddrücke würde zu zu hoher Nässe führen -> Wirkungsgradverluste und Schaufelerosion

• max. zulässige Nässe ca. 12%

• Teilexpansion auf mittlere Drücke in HD Turbine -> danach erneute Überhitzung des Dampfes im Kessel

  • T_Eintritt in MD Turbine im Bereich HD Eintrittstemperatur

• Erhöhung der Mitteltemperatur

  • Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades und Erhöhung des Enthalpiegefälles für die Expansion

• Verschiebung des MD Eintrittzustands hin zu höherer Entropie

  • Keine Begrenzung durch Nässeanteil an Austritt

• Entweder als einfache oder zweifache Zwischenüberhitzung

• Prinzipiell erhöht die zweite ZÜ den thermischen Wirkungsgrad durch erhöhung der Mitteltemperatur

• Zweite ZÜ bedingt aber zusätzliche Rohre und Komponenten

  • mehrere Vorwärmer für reg. Speisewasservorbereitung

  • zusätzliche Materialkosten

=>Zweite ZÜ wegen höheren Anlagenkosten wirtschaftlich nicht unbedingt sinnvoll