Contoh 10-3 Pengaruh Tekanan Boiler dan Suhu pada Efisiensi
Pertimbangkan pembangkit listrik tenaga uap yang beroperasi pada siklus Rankine ideal. Uap memasuki turbin pada 3 MPa dan 350 ° C dan dikondensasikan di kondensor dengan tekanan 10 kPa . Tentukan ( a) keadaan efisiensi termal, ( b ) keadaan efisiensi termal jika uap superheated untuk 600 ° C bukan 350 ° C , dan ( c ) keadaan efisiensi termal jika tekanan boiler dinaikkan ke 15 MPa sedangkan temperatur masuk turbin dipertahankan pada 600 ° C .
Penyelesaian :
Dik :
P1 = 10 kPa
P2 = 3 MPa
T3 = 360°C
Dit :
( a ) keadaan efisiensi termal
( b ) keadaan efisiensi termal jika uap superheated untuk 600 ° C bukan 350 ° C , dan
( c )keadaan efisiensi termal jika tekanan boiler dinaikkan ke 15 MPa sedangkan temperatur masuk turbin dipertahankan pada 600 ° C .
Skematik :
Solusi :
Sebuah pembangkit listrik tenaga uap yang beroperasi pada siklus Rankine ideal dipertimbangkan. Efek dari superheating uap untuk suhu yang lebih tinggi dan meningkatkan tekanan boiler efisiensi termal untuk diselidiki .
Analisis :
Siklus Diagram T – s untuk ketiga kasus yang diberikan dalam Gambar . 10-10 .
( a ) Ini adalah pembangkit listrik tenaga uap yang dibahas dalam Contoh 10-1 , kecuali bahwa tekanan kondensor diturunkan sampai 10 kPa . Efisiensi termal ditentukan dengan cara yang sama :
Keadaan 1 :
Keadaan 2 :
Keadaan 3 :
Keadaan 4 :
Demikian,
Dan
Oleh karena itu, peningkatan efisiensi termal 26,0 - 33,4 persen sebagai Hasil menurunkan tekanan kondensor 75-10 kPa . Pada saat waktu yang sama, bagaimanapun, kualitas uap menurun 88,6 - 81,3 persen ( dengan kata lain , kenaikan kadar air 11,4 - 18,7 persen ) .
( b ) Menyatakan 1 dan 2 tetap sama dalam hal ini , dan entalpi pada keadaan 3 ( 3 MPa dan 600 ° C ) dan keadaan 4 ( 10 kPa dan S4 = S3) ditentukan menjadi
Demikian,
Dan
Oleh karena itu, peningkatan efisiensi termal 33,4 - 37,3 persen sebagai Hasil superheating uap 350-600 ° C . Pada saat yang sama, kualitas uap meningkat 81,3 - 91,5 persen ( dengan kata lain , kadar air menurun 18,7 - 8,5 persen ) .
( c ) Keadaan 1 tetap sama dalam hal ini , tetapi keadaan - keadaan lain berubah . Entalpi di keadaan 2 ( 15 MPa dan s2 s1 ) , keadaan 3 ( 15 MPa dan 600 ° C ) , dan keadaan 4 ( 10 kPa dan S4 s3 ) ditentukan dengan cara yang sama menjadi
Demikian,
Dan
Komentar :
Peningkatan efisiensi termal 37,3 - 43,0 persen sebagai Hasil peningkatan tekanan boiler 3-15 MPa dengan tetap menjaga temperatur masuk turbin pada 600 ° C . Pada saat yang sama , bagaimanapun, kualitas dari uap berkurang 91,5 - 80,4 persen ( dengan kata lain , kelembaban meningkat 8,5 - 19,6 persen ) .
Contoh 10 – 4 Ideal Panaskan Rankine Cycle
Pertimbangkan pembangkit listrik tenaga uap yang beroperasi pada pemanasan yang ideal siklus Rankine . Uap memasuki turbin tekanan tinggi pada 15 MPa dan 600 ° C dan dipadatkan di kondensor pada tekanan 10 kPa . Jika kadar uap air di pintu keluar dari turbin tekanan rendah tidak melebihi 10,4 persen , menentukan ( a) tekanan di mana uap harus dipanaskan dan ( b ) siklus efisiensi termal. Asumsikan uap yang dipanaskan dengan Suhu inlet turbin tekanan tinggi .
Penyelesaian :
Dik :
P1 = 10 kPa
P2 = 15 MPa
T3 = 600°C
Dit :
( a ) tekanan di mana uap harus dipanaskan dan
( b ) siklus efisiensi termal.
Skematik :
Solusi :
Solusi:
Sebuah pembangkit listrik tenaga uap yang beroperasi pada pemanasan yang ideal siklus Rankine. Menentukan kadar air pada pintu keluar turbin , tekanan pemanasan dan efisiensi termal yang akan ditentukan .
Asumsi:
Kondisi operasi yang stabil ada.
Kinetik dan potensial perubahan energi dapat diabaikan .
Analisis :
Skema pembangkit listrik dan siklus diagram T – s ditunjukkan pada Gambar . 10-13 .
Kita mencatat bahwa pembangkit listrik ideal beroperasi pada Panaskan siklus Rankine . Oleh karena itu , pompa dan turbin yang isentropik , tidak ada penurunan tekanan dalam boiler dan kondensor , dan uap air kondensor dan memasuki pompa sebagai cairan jenuh pada tekanan kondensor.
( a) Pemanasan tekanan ditentukan dari persyaratan bahwa entropi di keadaan 5 dan 6 sama
Keadaan 6 :
Juga,
Demikian,
Keadaan 5:
Oleh karena itu , uap harus dipanaskan pada tekanan 4 MPa atau lebih rendah untuk mencegah kadar air di atas 10,4 persen .
( b ) Untuk menentukan efisiensi termal , kita perlu mengetahui entalpi pada keadaan - keadaan lain :
Keadaan 1:
Keadaan 2:
Keadaan 3:
Keadaan 4:
Kemudian
Dan
Komentar :
Masalah ini diselesaikan dalam Contoh 10-3c untuk tekanan yang sama dan batas temperatur tapi tanpa proses pemanasan ulang . Perbandingan dua hasil mengungkapkan bahwa pemanasan mengurangi kadar air dari 19,6 - 10,4 persen sambil meningkatkan efisiensi termal dari 43,0 ke 45,0 persen .
Contoh 10 – 5 Regenerative Rankine Cycle Ideal
Pembangkit listrik tenaga uap yang beroperasi pada siklus regeneratif Rankine yang ideal Dengan pemanasan uap air terbuka. Uap memasuki turbin pada 15 Mpa dan 600 ° C dan dikondensasikan di kondensor pada tekanan 10 kPa . Beberapa uap air turbin pada tekanan 1,2 MPa dan memasuki alat pemanas terbuka . Tentukan fraksi uap yang diekstraksi dari turbin dan siklus efisiensi termal.
Penyelesaian :
Dik :
P1 = 10 kPa
P2 = 1,2 MPa
P4 = 15 MPa
T5 = 600°C
Dit :
Fraksi uap diekstraksi dari turbin dan siklus efisiensi termal ?
Skematik :
Solusi :
Sebuah pembangkit listrik tenaga uap beroperasi pada siklus regeneratif Rankine yang ideal dengan pemanasan uap air terbuka. Fraksi uap yang diambil dari turbin dan efisiensi termal yang akan ditentukan .
Asumsi :
Kondisi operasi yang stabil ada.
Kinetik dan potensial perubahan energi dapat diabaikan .
Analisis :
Skema pembangkit listrik dan siklus diagram T – s ditunjukkan pada Gambar . 10-18 . Kita mencatat bahwa pembangkit listrik beroperasi pada siklus regenerative Renkine Ideal. Oleh karena itu, pompa dan turbin yang isentropik ; tidak ada penurunan tekanan dalam boiler , kondensor , dan pemanas uap air; dan uap meninggalkan kondensor dan pemanas uapa air sebagai cairan jenuh. Pertama , kita menentukan entalpi di berbagai keadaan :
Keadaan 1 :
Keadaan 2 :
Keadaan 3 :
Keadaan 4 :
Keadaan 5 :
Keadaan 6 :
Keadaan 7 :
Analisis energi pemanas air terbuka identik dengan analisis energi pencampuran ruang . Pemanas air terisolasi umumnya ( = 0 ) , dan tidak melibatkan interaksi kerja ( = 0 ) .Mengabaikan energi kinetik dan potensial dari aliran , keseimbangan energi untuk mengurangi pemanasan uap air
Atau
di mana y adalah fraksi uap diekstraksi dari turbin ( = 6/). Memecah y dan menggantikannya dengan nilai-nilai entalpi , kita menentukan
Kemudian
Dan
Komentar :
Masalah ini diberikan dalam Contoh 10-3c tekanan dan batas suhu yang sama tapi tanpa proses regenerasi . Sebuah perbandingan dari dua hasil mengungkapkan bahwa siklus efisiensi termal telah meningkat 43,0 - 46,3 persen sebagai akibat dari regenerasi . net output kerja menurun 171 kJ / kg , tetapi input panas naik menjadi 607 kJ / kg , menghasilkan peningkatan bersih dalam efisiensi termal .
Contoh 10-6 Siklus Ideal Panaskan-Regenerative Rankine
Pembangkit listrik tenaga uap yang beroperasi pada siklus pemanasan-regeneratif Rankine yang ideal dengan satu pemanasan terbuka, satu pemanas tertutup, dan satu pompa kalor. Uap memasuki turbin pada 15 MPa dan 600 ° C dan kental di kondensor pada tekanan 10 kPa. Beberapa uap diekstrak dari turbin pada 4 MPa untuk air pemanas tertutup, dan sisa uap dipanaskan padatekanan yang sama untuk 600 ° C. Diekstrak uap benar-benar kental dalam pemanas dan di pompa ke 15 MPa sebelum bercampur dengan air pada tekanan yang sama. Pemanasan uap secara terbuka diekstrak dari turbin tekanan rendah pada tekanan0,5 MPa. Tentukan fraksi uap yang diekstraksi dari turbin serta siklus efisiensi termal.
Solusi:
pembangkit listrik tenaga uap beroperasi pada pemanasan regenerative Siklus Rankine Ideal dengan satu system pemanasan terbuka, satu sitem pemanas tertutup, dan satu pompa kalor. Fraksi uap yang diekstraksi dari turbin dan efisiensi termal yang akan ditentukan.
Asumsi:
Kondisi operasi yang stabil ada
Kinetic dan potensi perubahan energy dapat diabaikan.
Dalam kedua sistem pemanas terbuka dan tertutup,Pemanasan dengan suhu saturasi pada tekanan pemanasa. (Catatan bahwa ini adalah asumsi konservatif dari uap diekstrak memasuki system pemanasn tertutup 376 ° C dan suhu saturasi pada tekaknan tertutup dari 4 MPa adalah 250 ° C).
Analisis:
Skema pembangkit listrik dan diagram T – s siklus ditunjukkan padaGambar. 10-19. Pembangkit listrik beroperasi pada siklus pemanasan Rankine yang ideal dan dengan demikian pompa kalor dan turbin yang isentropik; tidak ada penurunan tekanan dalam boiler, pompa kalor, kondensator, dan system pemanasan; dan uap meninggalkan kondensor dan pemanas air sebagai cairan jenuh.
Entalpi di berbagai keadaan dan kerja pompa persatuan massa cairan yang mengalir melauinya
Fraksi uap fraksi uap dari massa dan energi yang akan ditentukan
Sisa pemanasan air :
Pemanasan air secara tertutup :
Pemanasan air sacara terbuka :
Entalpi di keadaan 8 ditentukan dengan massa dan energy persamaan untuk ruang pencampuran, yang diasumsikan terisolasi
GAMBAR 10-19 Diagram skematikdan T – s untuk Contoh 10-6
Demikian
Komentar :
Masalah ini bekerja dalam Contoh 10-4 untuk tekanan yang sama dan batas suhu dengan memanaskan tapi tanpa proses regenerasi. Perbandingan dari dua hasil mengungkapkan bahwa siklus efisiensi termal meningkat 45,0-49,2 persen sebagai akibat dari regenerasi. Efisiensi termal dari siklusi ini juga bisa ditentukan dari
Demikian
Juga, jika kita menganggap bahwa pemanasan air FWH tertutup sebagai cairan jenuh pada 15 MPa (dan dengan demikian pada T5 = 342 ° C dan h= 1.610,3 kJ / kg), itu dapat menunjukkan bahwa efisiensi termalakan 50,6.
CONTOH 10-7 Kedua-Undang Analisis dari Siklus Ideal Rankine
Menentukan kehancuran energi yang terkait dengan siklus Rankine (semua empat proses serta siklus) dibahas dalam Contoh 10-1, dengan asumsi bahwa panas dipindahkan ke uap dalam tungku pada 1600 K dan panas ditolak dari media pendingin di 290 K dan 100 kPa. Juga, menentukan energi dari uap yang meninggalkan turbin.
Penyelesaian :
Dik :
T0 = 290 K
TSource = 1600 K dan 100 kPa
Dit :
Energi dari uap yang meninggalkan turbin.
Solusi :
Siklus Rankine dianalisis dalam Contoh 10-1. Untuk sumber dan hilangnya suhu tertentu, perusakan energi terkait dengan siklus dan energi dari uap pada pintu keluar turbin yang akan ditentukan.
Analisis :
Pada Contoh 10-1, input panas bertekad untuk menjadi 2.728,6 kJ / kg, dan panas menolak untuk menjadi 2.018,6 kJ / kg. Proses 1-2 dan 3-4 adalah isentropik (S1 = S2, S3 = S4) dan oleh karena itu tidak melibatkan ketidak dapat baliknya internal atau eksternal, yaitu,
Proses 2-3 dan 4-1 adalah konstan tekanan panas-penambahan dan proses heat rejection, masing-masing, dan mereka secara internal reversibel. Tetapi perpindahan panas antara fluida kerja dan sumber atau mengambil menempatkan melalui perbedaan suhu yang terbatas, membuat kedua proses ireversibel. berbaliknya terkait dengan setiap proses ditentukan dari Eq. 10-19. Entropi uap di masing-masing keadaan bertekad dari tabel uap:
Demikian
Oleh karena itu, tidak berbaliknya siklus ini
Total energi hancur selama siklus juga bisa ditentukan dari Eq. 10-21. Perhatikan bahwa energi kehancuran terbesar dalam siklus terjadi selama proses panas. Oleh karena itu, setiap upaya untuk mengurangi kehancuran energi harus dimulai dengan proses ini. Meningkatkan inlet turbin
suhu uap, misalnya, akan mengurangi perbedaan suhu dan dengan demikian kehancuran energi. Sebuah energi (potensi kerja) dari uap meninggalkan turbin ditentukan dari Persamaan. 10-22. Mengabaikan energi kinetik dan potensial, mengurangi ke
Dimana
Kemudian
Komentar :
Perhatikan bahwa 449 kJ / kg pekerjaan bisa diperoleh dari uap meninggalkan turbin jika dibawa ke keadaan lingkungan secara reversibel.
CONTOH 10-8 Sebuah Ideal Kogenerasi Tanaman
Mengingat pabrik cogeneration ditunjukkan pada Gambar. 10-23. Uap memasuki turbin pada 7 MPa dan 500 ° C. Beberapa uap diekstrak dari turbin pada 500 kPa untuk proses pemanasan. Sisa uap terus berkembang sampai 5 kPa. Uap kemudian terkondensasi pada tekanan konstan dan dipompa ke tekanan boiler 7 MPa. Pada saat permintaan tinggi untuk proses panas, beberapa uap meninggalkan boiler 500 kPa dan diteruskan ke proses pemanas. Ekstraksi fraksi disesuaikan sehingga uap yang meninggalkan proses pemanas sebagai cairan jenuh pada 500 kPa. Hal ini kemudian dipompa ke 7 MPa. Tingkat aliran massa uap melalui boiler adalah 15 kg / s. Mengabaikan setiap tetes tekanan dan kerugian panas di pipa dan asumsi turbin dan pompa untuk menjadi isentropik, menentukan (a) tingkat maksimum pada proses panas yang dapat disediakan, (b) listrik yang dihasilkan dan faktor pemanfaatan ketika ada proses panas diberikan, dan (c) tingkat proses pasokan panas ketika 10 persen uap diekstraksi sebelum memasuki turbin dan 70 persen dari uap diekstrak dari turbin pada 500 kPa untuk proses pemanasan.
Penyelesaian :
Dik :
P7 = 500 kPa
P8 = 5 kPa
P9 = 7 MPa
1 = 15 kg / s
Dit :
tingkat maksimum pada proses panas yang dapat disediakan
yang dihasilkan dan faktor pemanfaatan ketika ada proses panas diberikan, dan
tingkat proses pasokan panas ketika 10 persen uap diekstraksi sebelum memasuki turbin dan 70 persen dari uap diekstrak dari turbin pada 500 kPa untuk proses pemanasan.
Skematik :
GAMBAR 10-23
Diagram skematik dan T-s untuk Contoh 10-8.
Solusi :
Menganggap sebuah pabrik cogeneration. Prose pemasokan panas tingkat maksimum, listrik yang dihasilkan dan faktor pemanfaatan ketika ada proses panas diberikan, dan tingkat proses pasokan panas ketika uap diekstrak dari garis uap dan turbin pada rasio tertentu yang akan ditentukan.
Asumsi :
Kondisi operasi ada 2
Tetes Tekanan dan kerugian panas di pipa dapat diabaikan.
Kinetic dan potensi perubahan energy diabaikan.
Analisis :
Skema kogenerasi dan diagram T – s dari siklus ditunjukkan pada Gambar. 10-23. Pada pmbangkit listrik beroperasi ideal
Dengan demikian siklus pompa dan turbin yang isentropik; tidak ada tekanan tetes dalam boiler, proses pemanasan, dan kondensor; dan uap kondensor dan proses pemanasan sebagai cairan jenuh. Masukan bekerja untuk pompa dan entalpi di berbagai keadaan adalah sebagai berikut:
Tingkat maksimum proses panas dicapai ketika semua uap meninggalkan boile dan dikirim ke proses pemanas dan tidak ada yang dikirim ke turbin (yaitu, 4 = 7 = 1 = 15 kg / s dan 3 = 5 = 6 = 0). Kemudian,
Dalam hal ini Faktor utilisasi 100 persen karena tidak ada panas yang ditolak di kondensor, kerugian panas dari pipa dan komponen lainnya diasumsikan diabaikan, dan kerugian pembakaran tidak dianggap.
Bila tidak ada proses panas diberikan, semua uap meninggalkan boiler melewati turbin dan untuk tekanan kondensor dari 5 kPa (yaitu, Daya maksimum yang dihasilkan dalam mode ini, yang bertekad untuk menjadi)
Demikian
Yaitu, 40,8 persen dari energi yang digunakan untuk tujuan yang bermanfaat. Melihat bahwa faktor pemanfaatan setara dengan efisiensi termal dalam kasus ini. (c) Mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial, keseimbangan energy pada hasil proses pemanasan
Atau
Dimana
Demikian
Komentar :
Perhatikan bahwa 26,2 MW dari panas yang ditransfer akan digunakan dalam Proses pemanas. Kami juga bisa menunjukkan bahwa 11,0 MW daya yang dihasilkan di hal ini, dan tingkat masukan panas di boiler adalah 43,0 MW. Sehingga pemanfaatan Faktor adalah 86,5 persen.
CONTOH 10-9 Sebuah Gabungan Gas-Listrik Tenaga Uap Siklus
Siklus gabungan gas-uap ditunjukkan pada Gambar. 10-25.Siklus Topping adalah siklus turbin gas yang memiliki rasio tekanan 8. Air memasuki kompresor pada 300 K dan turbin pada 1300 K. Efisiensi isentropik dari kompresor adalah 80 persen, dan bahwa dari turbin gas adalah 85 persen. Siklus bottoming yang ideal adalah siklus Rankine sederhana beroperasi antara tekanan batas 7 MPa dan 5 kPa. Uap dipanaskan dalam mesin kalor dengan knalpot gas untuk suhu 500 ° C. Gas buang meninggalkan mesin kalor di 450 K. Tentukan (a) rasio tingkat aliran massa uap dan gas pembakaran dan (b) siklus gabungan
efisiensi termal.
Skematik :
Solusi :
Siklus gabungan gas-uap ada. Rasio massa laju aliran uap dan gas pembakaran dan efisiensi termal yang akan ditentukan.
Analisis :
diagram T – s kedua siklus diberikan pada Gambar. 10-25. Siklus gas turbin saja yang dianalisis dalam Contoh 9-6, dan siklus uap di Misalnya 10-8b, dengan hasil sebagai berikut:
Siklus gas:
Rasio tingkat aliran massa ditentukan dari keseimbangan energi pada penukar panas:
Artinya, 1 kg gas buang dapat memanaskan hanya 0,131 kg uap dari 33 ke 500 ° C karena didinginkan pada 853-450 K. Kemudian total output kerja bersih per kilogram gas pembakaran menjadi
Oleh karena itu, untuk setiap kg gas pembakaran yang dihasilkan,gabungan pabrik akan memberikan 384,8 kJ pekerjaan. Output daya bersih dari tanaman ditentukan dengan mengalikan nilai ini dengan laju aliran massa fluida kerja di siklus turbin gas.
Efisiensi termal dari siklus gabungan ditentukan dari
Diskusi
Perhatikan bahwa siklus gabungan ini mengkonversi ke pekerjaan yang berguna 48,7 persen dari energi dipasok ke gas di dalam ruang bakar. nilai ini jauh lebih tinggi dari efisiensi termal dari siklus turbin gas (26,6 persen) atau siklus turbin uap (40,8 persen) yang beroperasi sendiri.
