Überhitzter Dampf und Dampfphasendiagramm

Überhitzter Dampf

Wenn in einem Dampfkessel erzeugter sättigter Dampf durch Wärmeübertragungsflächen geleitet wird, beginnt seine Temperatur über den Siedepunkt oder den Sättigungspunkt hinaus zu steigen. Dampf wird als überhitzt bezeichnet, wenn seine Temperatur höher ist als seine Sättigungstemperatur. Der Grad der Überhitzung steht in direktem Zusammenhang mit der Temperatur des Dampfs, der über die Sättigungstemperatur erhitzt wurde.

Überhitzung kann nur an sättigtem Dampf und nicht an Dampf mit Feuchtigkeitsgehalt vorgenommen werden. Um eine Überhitzung zu erreichen, muss sättigter Dampf durch einen weiteren Wärmetauscher geleitet werden. Dieser Wärmetauscher für die Überhitzung wird als sekundärer Wärmetauscher innerhalb des Kessels bezeichnet. Heißer Abgasdampf, der aus dem Kessel austritt, gilt als die beste Möglichkeit, den sättigten Dampf zu heizen.

Überhitzter Dampf findet Anwendung in Dampfkraftwerken zur Erzeugung von elektrischer Energie. In Dampfturbinen tritt überhitzter Dampf an einem Ende ein und verlässt das andere Ende in den Kondensator (der kann wasser- oder luftgekühlt sein). Die Energieunterschiede des überhitzten Dampfs zwischen Turbineingang und -ausgang bewirken, dass der Turbinenrotor sich dreht. Es gibt eine allmähliche Reduktion der Dampfenergie, während sie durch den Turbinenrotor fließt.

Es ist daher unerlässlich, am Turbineingang ausreichend Überhitzung zu haben, um die Verflüssigung von feuchtem Dampf im hinteren Teil des Turbinenrotors zu vermeiden.

Grundsätzlich hat der Turbinenrotor mehrere Stufen, und der Dampf muss durch jede Stufe passieren, bevor er den Kondensator erreicht. Wenn am Turbineingang nicht ausreichend Überhitzung vorhanden ist, kann der Dampf beim Erreichen der späteren Stufen des Rotors sättigt werden und sich bei der Durchquerung jeder nachfolgenden Stufe zunehmend verfeuchten.

Feuchter Dampf am Ende des Rotors ist sehr gefährlich, da er zu Wasserschlag und schwerer Erosion an den letzten Stufen der Turbinenschaufeln führen kann. Um dieses Problem zu überwinden, ist es ratsam, die Eintrittsparameter des Dampfs in der Turbine so zu gestalten, dass überhitzter Dampf am Turbineingang eintreten kann und die Auslassparameter der Turbine so angepasst sind, dass sie den Dampfparametern nahe der Sättigungsbedingungen entsprechen.

Einer der Hauptgründe für die Verwendung von überhitztem Dampf in Dampfturbinen ist eine erhebliche Verbesserung der thermischen Effizienz des Kreisprozesses.

Die Wirkungsgrad eines Wärmekraftmaschinen kann entweder durch:

Carnot-Kreis-Prozesseffizienz: Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Ausgang zur Eintrittstemperatur.

Rankine-Kreis-Prozesseffizienz: Verhältnis der Wärmeenergie am Turbineingang und -ausgang zur gesamten Wärmeenergie, die vom Dampf aufgenommen wird.
2. Beispiel für die Berechnung der Carnot-Kreis-Prozesseffizienz und Rankine-Kreis-Prozesseffizienz.
Erklärt am Beispiel:
Eine Turbine wird mit überhitztem Dampf bei 96 bar und 490oC versorgt. Das Abgas beträgt 0,09 bar und 12 % Feuchtigkeit.
Temperatur des sättigten Dampfs: 43,7oC
Bestimmen und Vergleichen der Carnot-Kreis-Prozesseffizienz und Rankine-Kreis-Prozesseffizienz.
Verfahren zur Bestimmung der Carnot-Kreis-Prozesseffizienz :

Verfahren zur Bestimmung der Rankine-Kreis-Prozesseffizienz :
Wobei,

Sensible Wärme im Kondensat entsprechend dem Abgasdruck von 0,09 bar in kJ/kg = 183,3
3.
Dampf-Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung der Daten, die in der Dampftafel bereitgestellt werden. Das Dampf-Phasendiagramm zeigt die Beziehung zwischen Enthalpie und Temperatur bei verschiedenen Drücken. Flüssigkeitsenthalpie hf. Dies wird durch die Linie A-B im Phasendiagramm dargestellt. Wenn Wasser beginnt, Wärme ab 0oC aufzunehmen, dann nimmt es alle seine flüssige Enthalpie entlang der gesättigten Wasserlinie A-B im Phasendiagramm auf.

Enthalpie des gesättigten Dampfs (hfg): Jede weitere Wärmezufuhr führt zu einer Phasenänderung zum gesättigten Dampf und wird durch (hfg) im Phasendiagramm dargestellt, also B-C.

Trockenheitsgrad (x): Wenn Wärme zugeführt wird, beginnt die Flüssigkeit, ihre Phase von Flüssigkeit zu Dampf zu ändern, und der Trockenheitsgrad der Mischung beginnt, sich zu erhöhen, also sich der Einheit anzunähern. Im Phasendiagramm beträgt der Trockenheitsgrad der Mischung 0,5 genau in der Mitte der Linie BC. Ähnlich hat der Punkt c im Phasendiagramm einen Trockenheitsgradwert von 1.

Linie C-D Punkt c befindet sich auf der gesättigten Dampflinie. Jede weitere Wärmezufuhr führt dazu, dass die Dampftemperatur steigt, also den Beginn der Dampfüberhitzung, dargestellt durch die Linie C-D.
Flüssigkeitszone → Bereich links der gesättigten Flüssigkeitslinie
Überhitzungszone → Bereich rechts der gesättigten Dampflinie
Zweiphasenzone → Bereich zwischen der gesättigten Flüssigkeits- und Dampflinie, Mischung aus Flüssigkeit und Dampf. Mischungen mit unterschiedlichen Trockenheitsgraden.
Kritischer Punkt → Es ist der Spitzenpunkt, an dem sich die gesättigte Flüssigkeits- und Dampflinie treffen. Die Verdampfungsenthalpie verschwindet am kritischen Punkt, was bedeutet, dass Wasser direkt in Dampf übergeht, ab dem kritischen Punkt und danach.
Die maximale Temperatur, die eine Flüssigkeit erreichen oder existieren kann, entspricht dem kritischen Punkt.
Parameter des kritischen Punkts → Temperatur 374,15oC
Druck → 221,2 bar

Werte darüber sind überkritische Werte und sind nützlich, um die Effizienz des Rankine-Kreisprozesses zu erhöhen.

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