· irodalom z. randt ( (1956). "exergie, ein neues wort fur "technische...
Post on 12-Aug-2019
213 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 1
AZ EXERGIASZEMLÉLET HASZNOSÍTÁSA A
MINDENNAPOKBAN
„Minden energia lehet azonos nagyságú,
de nem minden energia lehet azonosan értékes”
(Marc A. Rosen)
Groniewsky Axel
tudományos segédmunkatárs
Energetikai Szakkollégium előadás2015. október 1.
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 2
VÁZLAT
� Bevezetés
� Veszteségek
� Energia és exergia analízis
� Exergetikai diagnosztika
� Exergoökonómia
� Exergia és környezet
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 3
BEVEZETÉS 1 | 2Exergia szemléletmód alkalmazási területei
� Energetika– Erőművi (kör)folyamatok és berendezések
– Kémiai folyamatok
– Desztilláció és sótalanítás
– Ipari és mezőgazdasági rendszerek elemzése
– Műszaki diagnosztika
– …
� Környezeti alkalmazások– Erőforrás hasznosítás és újrahasznosítás
– Exergia alapú életciklus elemzés, fenntarthatóság értékelése
– …
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 4
BEVEZETÉS 1 | 2
Exergia szemléletmód alkalmazási területei:
� Közgazdasági alkalmazások– Termoökonómia, exergoökonómia
� Egyéb alkalmakzások– Biológiai rendszerek (embodied energy - emergia – emjoules)
– Társadalmi rendszerek (USA társadalom - 1975)
– …
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 5
VESZTESÉGEK 1 | 2 | 3
� Mennyiségi veszteségek: energia azon része, amely hasznos munkavégzés nélkül kerül ki az energiaátalakítási folyamatból– Wmech→Wmech (szivattyúk, kompresszorok, ventilátorok stb.)
– Wmech→Wvill (generátorok)
– Wvill→Wmech (motorok)
– Wvill→Wvill (transzformátorok)
– Qrend→ Qkörny (csővezetékek, externálisan nem adiabatikus hőcserélők stb.)
Számítása: entalpiaveszteség; exergiaveszteség
� Minőségi veszteségek: energia intenzív állapotjelzőinek (p,T) értéke csökken, miközben az energia mennyisége nem változik– Qrend→ Qrend (tápvíz-előmelegítők, gőzhűtők, levegő előmelegítők stb.)
– fojtás (szelepek stb.)
– súrlódás (csővezeték, kompresszor stb.)
– hőfokkiegyenlítődés (keverő hőcserélők stb.)
Számítása: entrópiaprodukció; exergiadestrukció (v. exergiarombolás)
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 6
VESZTESÉGEK 1 | 2 | 3Externálisan adiabatikus hőcserélő
Energiamérleg
Entrópiamérleg
Exergiamérleg
T
s
∆T
mT
hT
∆sm∆sh
∆sirr
h1h2
m1
m2
1 2 2 1
1 2
2 1
;
ln ln
m m h hm h
m h
m h
T TT TT T
T T
T T
−−
= =
( )
2
12 1
1T
T
T
p c dTT T
c ⋅ ⋅
−
= ∫
,be ki ki kiH H H H
∞ Σ== +& & & &
( ) ( )1 2 2 1 ,
,0
m m m h h h ki
ki
m h
m h h m h h HH
Q Q
∞
∞
⋅ − − ⋅ − =
→ =
=
&& &&
& &
genbe kiS S S= +& & &
2 1
21
ln lnh mm pm irrh ph
mh
T Tm c m c S
T T⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ =∆&& &
vbe ki d ki dE E E E E E
Σ== + + +& & & & & &
( ) ( )1 2 2 1m vm m h h h dm e e m e e E E+⋅ − − ⋅ − = & && &
( ) ( ) ( ) ( )1 0 1 2 0 2 0 02 2 1 1 vm m m m m h h h h h dEm h T s h T s m h T s h T s E
⋅ − ⋅ − − ⋅ − ⋅ − ⋅ − − ⋅ = + &&& &
( ) ( ) 2 1
1 2 02 121
ln ln
v
d
h mm m pm vm m h h h h ph d
mhE
E
T Tm h h m h h T m c m c E E
T T
⋅ − − ⋅ − + ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ = +
&
&
14444444244444443
1444444442444444443
& && & & &
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 7
VESZTESÉGEK 1 | 2 | 3Termikus hatásfok - első főtétel alapú
munkaszolgáltató hűtő
Első főtétel alapú hatásfok hátránya, hogy nem utal
az ideálisan elérhető legmagasabb hatásfokra!
1be el el
thbe be
Q Q Q
Q Qη
−
= = −
Forrás
Nyelő
100 kJ 100 kJ
80kJ 70kJ
A B20kJ 30kJ
netth
be
W
Qη =
,
20%th A
η =
,
elvontRef
net be
QCOP
W=
,
leadottHP
net be
QCOP
W=
1hasznos d
IIbefektetett befektetett
E E
E Eη = = −
& &
& &
,
30%th B
η =
Exergetikai hatásfok - második főtétel alapú
munkaszolgáltató hűtő
,
thII
th rev
ηη
η=
Forrás
Nyelő
600 K 1000 K
300 K 300 K
A B30kJ 30kJ
,
netII
net rev
W
Wη =
,
,
,
30%
50%
60%
th A
rev A
II A
η
η
η
=
=
=
IIrev
COP
COPη =
revII
net
W
Wη =
100 kJ 100 kJ
70kJ 70kJ
I
hasznos energia
befektetett energiaη =
,
,
,
30%
70%
42,8%
th B
rev B
II B
η
η
η
=
=
=
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 8
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
ENERGIA ÉS EXERGIA ANALÍZIS 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6
Széntüzeléses ultra-szuperkritikus 1100 MW-os kondenzációs blokk
LUVO
TŰZTÉR HP
FOR. AT
PLVSLV
1
FOR. FT
BES.TH1
BES.TH2
ECO1
ECO2
ETH
KTH
EUH1
EUH2
KUH-M
KUH-H
KÉMÉNY
ÉGŐ
24 5
3
8
11
16
6
7
910
12
13
14
15
LPIP
GTTCOND
FTSZ
m, kg/s
h, kJ/kg
e, kJ/kg
, 0
ki be ki be ki be
K I
tü tütü T
H H H H H H
m HHV m LHVm hη
− − −= = ≠
⋅ ⋅⋅∆
& & & & & &
& &&
, 0
ki be
K II
tü T
E E
m gη
−=
⋅∆
& &
&
0
,
1ki
haszn
K II
bevez tüz
TQ
E T
E Eη
− ⋅
= =
&&
& &
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 9
ENERGIA ÉS EXERGIA ANALÍZIS 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6
Kapcsolt mikro-gázturbina | Kapcsolt mikro-gázturbina ORC-vel
Eredmények az önfogyasztást is magukban foglalják
GT
G
GT
G
G
ORC
Paraméter Mikro-GT Mikro-GT & ORC
Villamás részhatásfok, % 27,5 29,9
Termikus részhatásfok, % 42,6 40,0
Mennyiségi hatásfok, % 70,1 69,9
Exergetikai villamás részhatásfok, % 29,3 31,8
Exergetikai termikus részhatásfok, % 6,2 5,8
Exergetikai mennyiségi hatásfok, % 35,5 37,6
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 10
ENERGIA ÉS EXERGIA ANALÍZIS 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6
Kapcsolt mikro-gázturbina ORC-vel – exergetikai hatásfok és exergia rombolás
Exergiarombolással összefüggő folyamatok sorrendben:
- kémiai reakciók;
- hőcsere;
- súrlódás.
GT
G
G
ORC
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 11
ENERGIA ÉS EXERGIA ANALÍZIS 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6
Energiaáramok (PJ) - ONTARIO, CANADA – 1987
� 13,5 millió ember
� 1 millió km2
� Kanada ipari központja
� Jelentős áramszolgáltató– Nukleáris erőmű
– Vízierőmű
– Fosszilis erőmű
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 12
ENERGIA ÉS EXERGIA ANALÍZIS 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6
Energiaáramok (PJ) - ONTARIO, CANADA - 1987
22,4%
32,5%
4,6%
24,8%
15,7%
23,1%
34,5%
62,7%
37,3%
42,6%
57,4%
40,0%
23,4%
18,9%
29,7%
12,0%
82,0%
33,3%
26,8%
19,9%
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 13
ENERGIA ÉS EXERGIA ANALÍZIS 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6
Exergiaáramok (PJ) - ONTARIO, CANADA - 1987
22,8%
32,6%
23,4%
16,6%
23,9%
34,1%
61,8%
38,2%
23,3%
75,2%
31,0%
23,3%
18,6%
79,4%
24,1%
82,0%
53,9%
19,9%
23,9%
4,7%
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 14
EXERGOÖKONÓMIA 1 | 2 | 3
Költségmérleg
c : exergiák fajlagos egységköltsége
($/GJ; ¢/kWh)
E: exergia áram (kW)
W: teljesítmény (kW)
Z: CI és O&M költségáramok összege ($/sec)
CCs: egyéb állandó költségek árama ($/a)
O&M: üzemeltetés és karbantartásköltségárama ($/a)
PEC: berendezés beruházásának költségárama ($/a)
tau: üzemidő (h/a)
( ) ( ), , ,e e w k k q k q k i i k
e ik k
c E c W c E c E Z⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅ +∑ ∑ && & & &
.
kk
tot
(CCs O&M)Z PEC
(PEC )
+= ⋅
⋅τ
Segedegyenletek:
� segédegyenlet felírása csak melléktermékre, nem pedig a főtermékre történik;
� adott berendezésben a fajlagos exergia valamennyi termékáramhoz ugyanazon a fajlagos költségen kerül hozzárendelésre;
� a termék fajlagos költsége csak abban az esetben változik, ha exergiaáramot rendelünk hozzá.
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 15
EXERGOÖKONÓMIA 1 | 2 | 3
Energiaköltség vs. exergiaköltségMennyiségi veszteségek: entalpiaveszteség, kJ → költsége $/kJ
exergiaveszteség, kJ → költsége $/kJ
Minőségi veszteségek: entrópiaprodukció, kJ/K → költsége ($·K)/kJ
exergiadestrukció, kJ → költsége $/kJ
KÉMÉNY
G
LEVEGŐ
FÖLDGÁZ
VÍZ
TURBINA
HŐFOGYASZTÓ
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00Gő
z fa
jlag
os k
ölt
sége
, cen
t/kg
Turbina kilépő nyomás, bar
Exergia költség Energia költség
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 16
EXERGOÖKONÓMIA 1 | 2 | 3
Kapcsolt mikro-gázturbina ORC-vel – exergoökonómiai értékelés
PEC meghatározása költségegyen-
értékes módszerrel történik (Levelized Cost Method)
Ce,GT=6,98c/kWh; CQ,GT=14,88c/kWh
Ce,ORC=14,06c/kWh; CQ,ORC=11,66c/kWh
GT
G
G
ORC
5,1
2,07
1,5
0,77
0,73
0,46
0,21
0,27
0,15
0,03
0,01
0,06
1,08
0,08
0,89
0,02
0,04
0,04
0,04
0,26
0,07
0,01
0
1
2
3
4
5
6Exergiarombolás költsége, EUR/h
Beruházás költségárama, EUR/h
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 17
DIAGNOSZTIKAI MÓDSZEREKGas Path Analysis (GPA)
Erőmű üzemi állapotát olyan jellemzőparaméterekkel határozza meg, melyekegyben a gépek műszaki állapotát tükrözik.
Paraméter: műszaki állapotára érzékeny;
terhelésváltoztatásra érzéketlenek.
Meghibásodás helyének és nagyságánakfeltárása!
Exergetic Diagnostics (EDA)Működési zavarok hatásvizsgálata exergetikai és exergoökonómiai jellemzőkkel
Állandó forrás (F) mellett:
Állandó teljesítmény/termék (P) mellett:
- j. komponens irreverzibilitás változása az exergetikai hatásfok változása miatt
- j. komponens hozzájárulásának változása a
teljes rendszer termelésének (PTOT
) változásához
A meghibásodás a rendszer többi elemére gyakorolt hatásának feltárása (termeléscsökkenés, irreverzibilitásnövekedés)
( )2
,
1
1
...
mNm c m
n imi i
Q QF X X w
Q=
−
= ⋅∑
ref
π
π
refm m& &
ref
π
π
refm m& &
refu u
,
1
ji jj
N
i
I Fη
η∆
=
∆ =− ∆ ⋅∑ ( )1
cj i ji j
N
i
P h Fη
=
∆ ∆= ⋅∑
,
1
ji jk j
N
i
I k P∆
=
∆ = ∆ ⋅∑ ( )1
cj i ji j
N
i
F k Fη⋅
=
∆ ∆= ⋅∑
, jIη∆
∆
, jPη∆
∆
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 18
EXERGIA ÉS A KÖRNYEZET
Exergia a környezeti hatás termodinamikai indikátora
Környezetbe jutó exergia azonos a szennyezéssel (csak bizonyos esetekben!)
A szennyezést az ember vagy a természet oldaláról kell vizsgálni?
Mi a szennyezés ökológiai költsége?
1. a szennyezés mértékével megegyező exergia
2. a kármentesítés mértékével megegyező exergia
exergia - környezetviszony
Forr
ás d
egra
dác
ióR
end
ezet
tség
csö
kken
ésH
ull
adék
ex
ergi
aem
issz
ió
Exergetikai hatásfok, % 1000
Fen
nta
rth
atós
ág
Kö
rnye
zeti
hat
ás
Exergetikai hatásfok, % 1000
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 19
IRODALOMJEGYZÉK1. Sciubba E., Wall G.: A brief Commented History of Exergy From the Beginnings to 2004,
Thermodynamics, 10/1/1-26, 2007.
2. Dr. Szondi Egon János: Az exergia-szemlélet hazai elterjedésének gátjai, ENERGIAGAZDÁLKODÁS 56.évf. 2015. 1-2. szám
3. L. Wang, Y. Yang, C. Dong, Z. Yang, G. Xu, L. Wu: Exergoeconomic Evaluation of a Modern Ultra-Supercritical Power Plant, Energies 2012, 5, 3381-3397; doi:10.3390/en5093381
4. Marc A. Rosen: Correlating thermodynamics and economic investments to improve the rationale forenergy research, 12th Joint European Thermodynamics Conference, Brescia, July 1-5, 2013
5. Bihari Péter: Erőművek, elektronikus jegyzet, Budapest, 2002,
6. Yunus A. Chengel, Michael A. Boles: Thermodynamics, An engineering approach, Mcgraw-Hill College;5th edition, 2004.
7. Dr Audrius Bagdanavicius: Exergy and Exergoeconomic Analysis - Methods for Evaluation of EnergySystems, University of Leicester, 2013.
8. Groniewsky A.: Exergoeconomic analysis of thermodynamic systems, 11th International Conference onHeat Engines and Environmental Protection, June 03-05, Balatonfüred, Hungary, 2013.
9. Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M.: Thermal Design and Optimization, Wiley, NewYork, 1996.
10. Groniewsky Axel: Erőművek termodinamikai modelljeinek exergoökonómiai optimálása részecskerajintelligenciával, PhD dolgozat, Budapest, 2015.
11. Marc A. Rosen: Application of Exergy-based Methods for Technical, Economic and EnvironmentalAssessments of Nuclear Cogeneration, University of Ontario Institute of Technology Oshawa, Canada,2013.
12. Carraretto C., Stoppato A., Pinelli M., Venturini M.: Gas path analysis and exergetic diagnostics for gasturbine health state determination, University of Padova, University of Ferrara, 2003.
Groniewsky Axel | Az exergiaszemlélet hasznosítása a mindennapokban | © 2015ESZK előadás | Q BF09 | 2015 október 1. | 20
Köszönöm a figyelmet!
TEMATIKA
Exergia kiszámítása
Exergia értelmezésének problémái
Tudomány
Laikus
Termodinamika újragondolása
extrópia-negentrópia
extrópia - exergia
EXERGIA
B= (T-T*)S -(p-p*)V
TULAJDONSÁGOK:
B>=0
dB/dt = dT/T dQ/dt – sp
ahol sp az entrópiaprodukció
ANERGIA
A rezervoár és a gőz teljes energiája interpretálható, mint a felhasználható és a nem felhasználható energia összege:
E = U*+U = B +A
A >=0
EXERGIA ÉRTELMEZÉSE
„Exergy is the useful portion of energy that allows us to do work and perform energy services.”
Igaz a gőz+rezervoár
rendszerre!
Nem igaz csak a gőzre!
EXERGIA PROBLÉMA
Nem lehet értelmezni a rezervoár fogalma nélkül.
Nem lehet termodinamikai ismeret nélkül exergia szemléletet adni!
TERMODINAMIKA
MODERN
(Egyensúlyi, Nemegyensúlyi, Irreverzibilis..)
Exergia nem állapotjelző
ÚJRAGONDOLT
Exergia állapotjelző
G-R jellemzői
E(=U*+U), N*,N, V(=V*+V),dT,dp
Az entrópia
S =S(E,V,N*,N,dT,dp)
S = S(E,V,N*) - C/2 (dT/T)2
ahol C a gőz hőkapacitása
ETIKUS-E DOLGOZNI?
Entrópia – zárt rendszer – nem etikus
- nyílt rendszer – maximumot kell
Extrópia - Kötelező, de a korlátokat ismerni kell!
Irodalom
Z. Randt ( (1956). "Exergie, ein neues Wort fur "Technische Arbeitsfahigkeit" (Exergy, a new word for "technical available work")". Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurwesens 22: 36–37
Jászay T.: Heller László iskolateremtő, tudósi oktatói öröksége, Magyar Energetika, 1995/6, p. 8-11.
Halász Györgyné, Kalmár Tünde, Különböző hőtermelővel ellátott fűtési rendszerek exergetikai összehasonlítása I. rész Magyar Épületgépészet, LVI. évfolyam, 2007/12. szám
Robert U. Ayres ; Leslie Ayres and Katalin Martinás, Eco-Thermodymamics: Exergy and Life Cycle Analysis, 1996/04/EPS , Energy 23 (5):355-363
Herman Edit, Kádár József, Martinás Katalin, Bezegh András: A kukorica alapú bioetanol magyarországi előállításának exergiaelemzése, Fizikai Szemle, 2013. 4.szám, 125.
top related