Was ist Überhitzung und Wiedererwärmung – Rankine-Zyklus – Definition

Eine Möglichkeit zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades besteht darin, den Arbeitsdampf zu überhitzen oder wieder zu erhitzen. Zu diesem Zweck muss ein Überhitzer oder ein Nacherhitzer verwendet werden. Wärmetechnik

Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades – Rankine-Zyklus

Es gibt verschiedene Methoden, wie der thermische Wirkungsgrad des Rankine-Kreislaufs verbessert werden kann. Unter der Annahme, dass die Maximaltemperatur durch den Druck im Reaktordruckbehälter begrenzt ist, sind diese Methoden:

  • Kessel- und Kondensatordruck
  • Überhitzen und Aufheizen
  • Wärmeregeneration
  • Überkritischer Rankine-Zyklus

Überhitzen und Aufheizen

Überhitzungsdampf-minWas den Carnot-Zyklus betrifft, so steigt der thermische Wirkungsgrad tendenziell mit zunehmender Durchschnittstemperatur, bei der Energie durch Wärmeübertragung hinzugefügt wird. Dies ist das gemeinsame Merkmal aller thermodynamischen Kreisprozessen.

Eine Möglichkeit besteht darin, den Arbeitsdampf zu überhitzen oder wieder aufzuheizen . Beide Prozesse sind in ihrer Art sehr ähnlich:

  • Überhitzer – erhöht die Dampftemperatur über die Sättigungstemperatur
  • Nacherhitzer – entfernt die Feuchtigkeit und erhöht die Dampftemperatur nach einer teilweisen Expansion.

Der Prozess der Überhitzung ist der einzige Weg, um die Spitzentemperatur des Rankine-Zyklus zu erhöhen (und den Wirkungsgrad zu erhöhen), ohne den Kesseldruck zu erhöhen. Dies erfordert die Zugabe eines anderen Wärmetauschertyps, der als Überhitzer bezeichnet wird und den überhitzten Dampf erzeugt .

Rankine-Zyklus - Überhitzung - Überhitzer
Rankine-Zyklus mit Überhitzung der Hochdruckstufe. Dies erfordert eine höhere Temperatur im Dampferzeuger.

Überhitzter Dampf oder überhitzter Dampf ist ein Dampf mit einer Temperatur, die höher als sein Siedepunkt bei dem absoluten Druck ist, bei dem die Temperatur gemessen wird.

Durch Wiedererhitzen kann mehr Wärme bei einer Temperatur nahe der Spitze des Zyklus abgegeben werden. Dies erfordert die Hinzufügung eines anderen Wärmetauschertyps, der als Nacherhitzer bezeichnet wird . Die Verwendung des Nacherhitzers beinhaltet das Aufteilen der Turbine, dh die Verwendung einer mehrstufigen Turbine mit einem Nacherhitzer. Es wurde beobachtet, dass mehr als zwei Stufen des Wiedererhitzens unnötig sind, da die nächste Stufe die Zykluseffizienz nur halb so stark erhöht wie die vorhergehende Stufe.

Hochdruck- und Niederdruckstufen der Turbine befinden sich normalerweise auf derselben Welle, um einen gemeinsamen Generator anzutreiben, sie haben jedoch separate Gehäuse. Bei einem Nacherhitzer wird der Durchfluss nach einer teilweisen Expansion (Punkt D) abgesaugt , durch den Wärmetauscher zurückgeführt, um ihn wieder auf die Spitzentemperatur (Punkt E) zu erwärmen, und dann zur Niederdruckturbine geleitet. Die Expansion wird dann in der Niederdruckturbine von Punkt E nach Punkt F abgeschlossen.

Rankine-Zyklus - Aufwärmen - Überhitzen
Rankine-Zyklus mit Aufheizen und Überhitzen der Niederdruckstufe

Im Überhitzer führt eine weitere Erwärmung auf festen Druck zu einem Anstieg sowohl der Temperatur als auch des spezifischen Volumens. Der Prozess der Überhitzung von Wasserdampf im Ts-Diagramm ist in der Abbildung zwischen Zustand E und Sättigungsdampfkurve dargestellt. Wie zu sehen ist, verwenden auch Nassdampfturbinen (z. B. in Kernkraftwerken) überhitzten Dampf, insbesondere am Einlass von Niederdruckstufen. Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige kondensierende Nassdampfturbinen(Die Hochdruckstufe läuft mit Sattdampf). In diesen Turbinen erhält die Hochdruckstufe Dampf (dieser Dampf ist nahezu gesättigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung) von einem Dampferzeuger und leitet ihn zum Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (Punkt D) ab. Der Dampf muss wieder erwärmt oder überhitzt werdenum Schäden zu vermeiden, die durch minderwertigen Dampf an den Schaufeln der Dampfturbine verursacht werden könnten. Ein hoher Gehalt an Wassertropfen kann das schnelle Auftreffen und die Erosion der Schaufeln verursachen, die auftreten, wenn kondensiertes Wasser auf die Schaufeln gestrahlt wird. Um dies zu verhindern, sind Kondensatabläufe in der zur Turbine führenden Dampfleitung installiert. Der Nacherhitzer erwärmt den Dampf (Punkt D) und dann wird der Dampf zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F). Der ausgestoßene Dampf hat einen Druck weit unter dem atmosphärischen Wert, und wie aus dem Bild ersichtlich ist, befindet sich der Dampf in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise mit einer Qualität nahe 90%, aber es ist eine viel höhere Dampfqualität. als das wäre es ohne Aufwärmen. Dementsprechend neigt die Überhitzung auch dazu, das Problem einer geringen Dampfqualität am Turbinenabgas zu lindern.

Da die Temperatur des Primärkühlmittels durch den Druck im Reaktor begrenzt ist, werden Überhitzer (mit Ausnahme eines Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzers) in Kernkraftwerken nicht verwendet und betreiben normalerweise eine einzelne Nassdampfturbine.

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