Extensief en intensieve grootheden

Toestandsgrootheden en energieconversie

Dr.ir. Gerard P.J. Dijkema

Faculty of Technology, Policy and Management Industry and Energy Group

PO Box 5015, 2600 GA Delft, The Netherlands

Eemscentrale, Eemshaven, Prov. Groningen (c) I. Nikolic, 2006

Het concept toestand

• De thermodynamische toestand van een systeem wordt gekarakteriseerd door de waardes van een aantal

meetbare grootheden

• Voor gas en/of vloeistof systemen:

Druk P, temperatuur T en Volume V.

Extensief en intensieve grootheden

• Druk P, en temperatuur T zijn

intensieve grootheden. Ze hangen niet af van de hoeveelheid massa in/van een systeem.

• Volume V is een extensieve grootheid.

• Door te delen door de hoeveelheid mass kunnen we ze converteren tot

specifiek volume v, die niet afhangt van de hoeveelheid massa

Extensief of intensief?

• Is de verbrandingsenthalpie ∆H

een intensieve of extensieve grootheid?

• En als ze wordt uitgedrukt als

Lower Heating Value (LHV)?

Evenwichtstoestand

• De toestand van een systeem waarvan de grootheden niet veranderen zolang de externe condities gelijk blijven is een evenwichtstoestand.

• Een systeem kan zich in verschillende thermodynamische evenwichten bevinden:

• Mechanisch

• Thermisch

• Chemisch

• Er zijn dan geen ongebalanceerde:

• Krachten

• Temperatuurverschillen

• Concentratieverschillen

Proces

bijvoorbeeld energieconversie

• De toestand van een systeem verandert als dat system een proces ondergaat

• Tijdens een proces ondergaat een systeem een reeks van

toestandsveranderingen

• Die reeks vormt het pad waarlangs het proces verloopt

Bron: http://elearn.punjab.gov.pk/home/read_book/14/64

Proces

bijvoorbeeld energieconversie

• De toestand van een systeem verandert als dat system een proces ondergaat

• Tijdens een proces ondergaat een systeem een reeks van

toestandsveranderingen

• Die reeks vormt het pad waarlangs het proces verloopt

TOTAAL PROCES Set

Condities 1

(Deel)proces-stap A

Set Condities 2

(Deel)proces-stap B

Set Condities 3

Toestands-grootheid X1 = F(condities1)

Toestands-grootheid X2 = F(condities2)

Toestands-grootheid X1 = F(condities3)X₃ X₂

X₁

Toestands vergelijkingen

• Toestandsgrootheden:

• Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V

• (Chemische samenstelling)

• Voor stoffen, systemen bestaan toestandsvergelijkingen

• Uit experimenten blijkt:

• Voor een zuivere stof gelden toestandsvergelijkingen f (P,v,T)

Toestands vergelijking zuivere stof

• Ideale gaswet:

PV = nRT of P v’ = RT

n = aantal molen; v' = specifiek volume per mol

• Van der Waals vergelijking

• Peng-Robinson vergelijking

http://en.wikipedia.org/wiki/Johannes_

Diderik_van_der_Waals

Toestands diagram - water

• P-T diagram

Bron: http://www.broederschool-

roeselare.be/cursussen/Leerkrachten/Dewulf%20Grietje/Images/cursus4es /toestandsdiagram%20van%20water.jpg

Toestands diagram - water

• P-v diagram

• Stippelijnen: isotherm

• P-T diagram

Bron: http://www.broederschool-

roeselare.be/cursussen/Leerkrachten/Dewulf%20Grietje/Images/cursus4es /toestandsdiagram%20van%20water.jpg

Bron: http://nuclearpowertraining.tpub.com/h1012v1/css/h1012v1_69.htm

Water en stoom

• Toestandsvergelijking

• Metingen

• stoomtabellen

Bron: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/screenshots/1074/original.jpg http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/9817-x-steam--thermodynamic- properties-of-water-and-steam

Bron: http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-tables.asp

Stoomtabellen

Toestands grootheden en thermische centrale – Rankine cyclus

• Toestandsgrootheden:

• Enthalpie, H

• Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V

• Rankine cyclus (stoomcyclus)

• d e: water op druk brengen met pomp

• e a: verhitten tot kooktemperatuur

• a b: verhitten t.b.v. verdamping

• b c: isentropische expansie, in turbine

• c d: condensatie door onttrekking warmte

• Enthalpie ∆H = q_p

HP-steam generation

Air supply

Power generation

Air

E

Water

Fuel

Water Power Exhaust

T

Entropie

• Toestandsgrootheden:

• Enthalpie, H

• Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V

• Maar ook entropie, S

• Definitie:

δS = δQ / T of Q = ∫ _{T δS}

of Q = T ∆S Bron: http://www.wikiskripta.eu/index.php/Entropie

Toestands grootheden en thermische centrale – Rankine cyclus

• Toestandsgrootheden:

• Druk, P; Temperatuur, T; Volume, V

• Entropie, S

• Bron: http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node65.html

• Animatie: http://www.engr.usask.ca/classes/ME/227/rankine/cycles/rankine2/rankine2.html

Gas turbine

• Afgeleid van vliegtuigturbine

• Combinatie

• warmtebron en turbine in één apparaat

• Relatief goedkoop en modulair

• (“skid-mounted”)

• Karakteristieken

• werktemperatuur 1100 o

• druk 20-30 bar. C

• afgassen GT typisch 500 o

C., 1 bar.

• Theoretisch Carnot rendement:

• _{(1- Tc/Th}) = 1- (773/1373)*100% = 44%

• Rendement in de praktijk: 27-35%

• Combinatie met restwarmte ketel voor stoomproductie:

warmte/krachtcentrale

Bron: GE ger4194.pdf

Principe-schema Gasturbine

Generator Combustion

Expand Compress

E

Air Fuel

Exhaust Power

GE 7FB Gas turbine

•

Generator Combustion

Expand Compress

E

Air Fuel

Exhaust Power

Bron: GE ger4194.pdf

Generator Combustion

Expand Compress

E

Air Fuel

Exhaust Power

Gas turbine

• Beschrijf de thermodynamische cyclus

Gas turbine

• Systeem: open

!!

• Medium = lucht / verbrandingsgassen

• Compressor: van P_laag P_hoog

• Verbranding: bij P_hoog van T_laag T_hoog

• Turbine: isentropische expansie P_laag, T_midden

• Omgeving: P_laag, T_laag

Generator Combustion

Expand Compress

E

Air Fuel

Exhaust Power

Gas turbine

• Systeem: open

!!

• Medium = lucht / verbrandingsgassen

• Compressor: van P_laag P_hoog

• Verbranding: bij P_hoog van T_laag T_hoog

• Turbine: isentropische expansie P_laag, T_midden

• Omgeving: P_laag, T_laag

• Hoe ziet dit eruit in een P-v diagram van lucht?

Generator Combustion

Expand Compress

E

Air Fuel

Exhaust Power

Gas turbine

• Compressor: van P_laag P_hoog

• Verbranding: bij P_hoog van T_laag T_hoog

• Turbine: isentropische expansie P_laag, T_midden

• Omgeving: P_laag, T_laag

• Hoe ziet dit eruit in een P-v

diagram van lucht?

Gas turbine

• Systeem: open

!!

• Medium = lucht / verbrandingsgassen

• Compressor: van P_laag P_hoog

• Verbranding: bij P_hoog van T_laag T_hoog

• Turbine: isentropische expansie P_laag, T_midden

• Omgeving: P_laag, T_laag

• Vermogen: 280 MWe

• Compressieverhouding: 18.5

• Uitlaattemperatuur: 600 ^oC

Bron: GE ger4194.pdf

WKK-Centrale / Systeem

•In de jaren ‘90 zijn veel zgn. Warmte/Kracht Centrales gerealiseerd om te voldoen aan

• Warmtebehoefte (industrie, stadsverwarming)

• Elektriciteitsbehoefte (industrie, huishoudens)

WKK GT Boi-

ler

Warmte-Kracht Centrale Rijnmond Energie

http://www.hoogvliet.org/00-meer2004/01-januari/19-energiecentr.htm

Warmte-Kracht Centrale

• Technisch systeem

• Massabalans / Eenvoudige chemie: CO₂ emissie

• Energiebalans: Aardgas consumptie: kosten per kWh

• Technologische karakteristieken: hoog energie-rendement

WKK

Aardgas

Elektriciteit

Warmte

CO₂

Lucht

GT Boi- ler

Warmte-Kracht Centrale Rijnmond Energie

http://www.hoogvliet.org/00-meer2004/01-januari/19-energiecentr.htm

HP-steam generation

Air supply

Power generation

Air

E

Water

Fuel

Water Power Exhaust

T

Warmte-kracht centrale

Thermische centrale + gas turbine

Generator Combustion

Expand Compress

E

Air Fuel

Exhaust Power

Centrale met voorschakeling gas turbine

• Luchttoevoer vervangen door de afgassen van een gas turbine

• Deze zijn van hoge temperatuur (400-700 ^oC)

• Bevatten voldoende zuurstof i.v.m. overmaat luchttoevoer.

• Rendements winst bestaande centrales: +/- 5 %

• Nieuwe centrales:

• tegen 10 %

• nieuwste IGCC:

• 60 %

Blower

Heat Exchanger Generator

Generator Gas Turbine

Steam Turbine

Air

E

Fuel

Power

E Power

Furnace / Boiler

T

Exhaust HP-Steam

LP-Steam Water

Cold Water

Hot Water

Integrated Gas Turbine Combined Cycle (IGCC)

Centrale met voorschakeling gas turbine

Voorwaarde voor toepassing IGCC??

Integrated Gas Turbine Combined Cycle (IGCC)

31

Vergassing met IGCC en CO2 verwijdering

IGCC E-centrale

Vergasser CO2-removal