Spørg Scientariet: Hvordan pumper man vand ind i kedlen på et kraftværk?

Tak til scientariet for at bringe mit spørgsmål. Og tak til Flemmert for et fint og illustrativt svar.

Jeg har først set artiklen nu. Men en uges forsinkelse går vel lige op med, at det er godt otte år siden jeg indsendte spørgsmålet. Ingen skal komme og sige at Ing ikke har styr på arkivet :-)

Sædvanen tro, er svarene i kommentarsporet langt bedre i forhold til at besvare det, som spørgeren faktisk er i tvivl om. Kernen i mit spørgsmål var, som flere var inde på, om man kan pumpe vand ind uden at bruge lige så meget energi på det som kedlen producerer. Jeg er siden jeg skrev spørgsmålet blevet skarpere på termodynamik. Men der er nogle virkeligt gode forklaringer her. Tak for det.

Vil det sige, at der skal påbegyndes gentagende gange for at opnå den "nødvendige store hastighed" - er det noget der sker kontinuerligt eller skal der startes på vandstrømmen manuelt -

Vandpåfyldning sker, ligesom alt andet på et damplokomotiv, manuelt. Den erfarne fyrbøder kan starte påfyldning uden at skulle gentage forsøget. Først åbnes lidt for dampen til ejekoren. Dette suget vandet op fra tanken. Straks vandet er suget an, øges åbningen for damp så hastigheden på fødevandet bliver højst muligt. Når vandstanden er ok i kedlen lukkes atter for dampen til ejektoren. Herefter løber en del af vandet i fødevandsrøret tilbage til vandtanken via sugerøret til ejektoren. Prøv at Google steam loco injector, så så du blandt andet kunne se en række meget illustrative video klip, der forklarer funktionen.

Jeg er blevet klogere i mellemtiden. For hver - lille eller stor - dampboble der frigøres i fødevandsrøret og som kollapser ved kondesering opstår der et vakuum - dette vakuum bevæger vandsøjlen, som opnår en rameffekt - samme effekt som i en rampumpe.

Fødevandet fylder meget mindre end dampen. Derfor skal der mindre arbejde til at tilføre 1kg vand, end det arbejde 1kg damp udfører, når det kommer ud ved samme tryk.

"Den nødvendige store hastighed gennem fødevandsledningen kan opnås, fordi fødevandsrøret er delvist tømt, når en vandpåfyldning påbegyndes."

Vil det sige, at der skal påbegyndes gentagende gange for at opnå den "nødvendige store hastighed" - er det noget der sker kontinuerligt eller skal der startes på vandstrømmen manuelt -

Fra wikipedia

"Such steam injectors take advantage of condensation of the motive steam resulting from the mixing with cold feed water"

Ja "condensation" skaber varme, men skaber det også et tryk i fødevandsrøret, som overvinder kontraventilen til kedlen?

En simpel mulighed kunne være, at man har en slave-kedel der kører med højere tryk.

Ikke på damplokomotivet. Som jeg beskrev anvendes dampstrålen I ejektoren til at give fødevandet en stor hastighed frem mod fødevandsventilen på kedlen. ( Det er blot en kontraventil ).

Den nødvendige store hastighed gennem fødevandsledningen kan opnås, fordi fødevandsrøret er delvist tømt, når en vandpåfyldning påbegyndes.

Der skal således ikke tilføres ekstern energi, for at fylde vand på. Modsat stationære kedler, der som oftest anvender fødevandspumper.

Her er lidt mere forklaring på, hvordan tryk og varme bliver til bevægelsesenergi i en dampmaskine/turbine. Jeg vil nøjes med at forklare det for dampmaskinen, da teorien er den samme for dampmaskinen og turbinen, men er lettere at forstå for dampmaskinen.

Som du nok ved, er varme at molekyler bevæger sig, og når du har gas i en cylinder, så rammer gassens molekyler hele tiden cylinderens vægge, hvor de bliver kastet tilbage. Hastigheden molekylerne har før og efter de rammer cylinderens vægge er den samme. Det er kun retningen, der har ændret sig, og siden molekylernes hastighed ikke ændrer sig, forbliver temperaturen konstant. Lad nu den ene endevæg være toppen af et stempel. Når du flytter stemplet så rumfanget bliver større, rammer gassens molekyler noget, der bevæger sig væk fra gassen, og molekylerne bliver ikke kastet tilbage med samme hastighed. Siden molekylernes hastighed er faldet, er temperaturen også faldet. Den varme, der er i gassen, er blevet til bevægelsesenergi, som er tilført stemplet.

Det modsatte sker, hvis stemplet presses ind i cylinderen. Så accelereres molekylerne, og gassen bliver derfor varmere. En simpel måde at vise det på, er at tage en cykelpumpe og holde for hullet, hvor luftet kommer ud. Så pumper man nogle gange, og slipper først luften ud, når trykket er højt. Man kan tydeligt mærke, at pumpen bliver varm i den ende, hvor luften bliver trykket samme.

I dampmaskinen bliver varmen i dampen altså til bevægelsesenergi, fordi dampens molekyler taber hastighed, når de presser stemplet ud af cylinderen. I dampturbinen taber dampens molekyler hastighed, fordi turbineskovlene bevæger sig væk fra dampen.

Denne her teori er en hel af førsteårs pensum for fysik-, kemi- og masser af ingeniørstuderende, og du kan derfor finde bøger i boghandlerne på HCØ, DTU og mange andre universiteter, der forklarer det. Kig efter introduktioner til termodynamik.

Kan nogen beskrive virkemåden af en injektorpumpe - vi har en kedel med et vist tryk på dampen - så bruger vi dette damptryk til at give vandet et tryk, så det overvinder kedeltrykket plus modstand i rør og ventiler mv. - der må skulle en anden mekanisk virkning til, end blot trykket og strømningen af gassen?

Det er et rigtigt godt spørgsmål som den linkede wikipidia artikel ikke rigtigt svarer på. En simpel mulighed kunne være, at man har en slave-kedel der kører med højere tryk.

I Wiki-artiklen står der dog følgende:

Steam locomotives use injectors to pump water into the steam-producing boiler and some of the steam is used as the injector's motive fluid. Such steam injectors take advantage of condensation of the motive steam resulting from the mixing with cold feed water

Det kunne indikere, at den nødvendige energitilførsel kommer fra kondensering af dampen.

Så det kræver kun en lille effekt at pumpe vandet op til de ca. 300 bar fødetryk i en moderne kedel (ikke biokedel, dog),

Rekordkedlens virkelige meritter bliver desværre aldrig omtalt - istedet fortælles ofte historien om, at den har en totalvirkningsgrad på 94%, fordi den kan gå i kraftvarmedrift. Det er absolut ikke interessant, for det kan de fleste kedler gøre - og endda bedre hvis de er forsynet med røggaskondensering.

der må skulle en anden mekanisk virkning til, end blot trykket og strømningen af gassen?

Efter ejektoren har suget vand til sig fra vandkassen, øges hastigheden på vandet, således dette kan "bryde" igennem kontraventilen ind til kedlen.

Det er altså omdannelse af hastighedstryk til et højt totaltryk, som er "the missing link".

Det er jo fordi vandet og dampen først senere gennem opvarming, fordampning og overhedning får tilført den resterende energi fra det du brænder af i kedlen? Det er derfor logisk at det kræver meget mindre energi pr kg medie at hæve trykket fra 0.01 bar abs til 300 bar ved nogenlunde samme temperatur, end den energi der er i dampen når den forlader kedlen!

Nej, det er ikke logisk. Det er termodynamisk korrekt, men ikke logisk.

Det er ikke logisk for folk uden termodynamisk baggrund, at varmen i dampen bliver til arbejde (akseleffekt). Ellers havde spørgeren nok ikke spurgt.

Jeg prøver at forklare dW = p·dV + V·dp med et forsimplet eksempel, da formlen og dens implikationer ikke er umiddelbart lette at forstå. Det tog også mig lidt tid at få det ind under huden, da jeg først havde termodynamik.

PS. Jeg var ved at skrive nogle lignende tal for hhv. pumpeeffekt og turbineeffekt, men havde ikke nogle præcise tal ved hånden, så jeg slettede det igen. Men en faktor 43 mellem pumpeeffekt og turbineeffekt er også værd at tage med.

PPS. Jeg skriver i eksemplet, at volumen af luften skal reduceres med 90%, hvilket jeg godt ved ikke er korrekt, da det ikke tager højde for trykstigningen som følge af temperaturstigningen i cylinderen (isentropisk vs. isotermisk kompression), men jeg syntes ikke jeg ville mudre forklaringen med denne facet også.

Mvh Thomas Pedersen

Kan nogen beskrive virkemåden af en injektorpumpe - vi har en kedel med et vist tryk på dampen - så bruger vi dette damptryk til at give vandet et tryk, så det overvinder kedeltrykket plus modstand i rør og ventiler mv. - der må skulle en anden mekanisk virkning til, end blot trykket og strømningen af gassen?

Så det kræver kun en lille effekt at pumpe vandet op til de ca. 300 bar fødetryk i en moderne kedel (ikke biokedel, dog), men når vandet er blevet til damp, giver det mange gange mere effekt at tage trykket af igen. Det er måske ikke så intuitivt, hvorfor det er sådan, men det er det altså.

I turbinen falder trykket så igen, men det er ikke selve trykfaldet, som bliver til arbejde (el)

Thomas - du har da vist aldrig beskæftiget dig med dæktryk i racerdæk nogensinde! Trykket i et Formel 1 dæk er på max. 1,5 bar

er i sandhed et eldorado for teknikere. Udover mit ingeniørjob, har jeg fornøjelsen at være fyrbøder på et damplokomotiv. (F 657).

ALT forsynes med damp:

• trækkraften. (selvsagt)
• trykluft til bremserne. (8 bar)
• vandpåfyldning via ejektorerne.
• fløjten.
• en lille blæser, som skaber træk i fyret når vi holder stille. (Under kørsel skabes trækken af den damp, som har været en tur i cylindrene.)
• en lille turbine med en generator til lyset.
• varme til vognene.
• opvarmning af smøreolie.

Ikke særligt effektivt. På en god dag kan vi nærme os en virkningsgrad på 4% - nedefra. ! Hjulspin ses ofte !

Med et mindre tog på krogen kommer vi ca. 65 meter frem, for hvert kilo kul der bruges.

Et lidt hurtigt svar: hvordan skulle det ellers komme der ind?

Der er typisk 300-400 bar (A) tryk i en kraftværkskedel og efter en kondensator omkring 0,10 bar (A) tryk (undertryk i forhold til atomiseres trykket på ca 1 bar (A)) så ét eller andet skal jo hæve trykket fra 0.10 til 400 bar og der er ikke anden vej end at pumpe det. Den energi der kommer i turbinen er udelukke entalpi ændringen.

Spørgeren undrer sig over, hvorfor det ikke kræver lige så meget at pumpe vandet op i tryk som turbinen yder ved at ekspandere dampen igen. Det svarer den gode mand fra HOFOR ikke på...

Mogens Kjær:

Hele virkemåden bag et dampkraftværk er, at det ikke kræver lige så meget kraft at pumpe vand op i tryk som at pumpe en gas, f.eks. damp, op til samme tryk. Så det kræver kun en lille effekt at pumpe vandet op til de ca. 300 bar fødetryk i en moderne kedel (ikke biokedel, dog), men når vandet er blevet til damp, giver det mange gange mere effekt at tage trykket af igen. Det er måske ikke så intuitivt, hvorfor det er sådan, men det er det altså.

Du kan måske nemmere se det for dig ved at forestille dig et eksperiment på stillestående vand eller luft.

Forestil dig, at du har to lukkede cylinder med hhv. vand og luft. De har fra start samme tryk som atmosfæren udenfor, men skal trykkes op til 10 atmosfæres tryk (ligesom meget hårdtpumpet racerdæk). For at få luften op på 10 atmosfære, skal man trykke stemplet næsten 90% i bund, imens stemplet i cylinderen med vand kun skal flyttes en halv mm, hvis cylinderen er 1m lang.

Trykket har ændret sig lige meget i begge cylindre, men arbejdet der er udført (kraft x vej) er mange gange større for luft-cylinderen.

Enig med dig Gorm, jeg forstod spørgsmålet på samme måde. Man kan vel sige at den tilførte varme udvider vandet så det samme tryk kan overføres til et meget større areal. Trykforskellen over den "lille bitte" fødepumpe kan på dampform overføres til et kæmpe areal på turbinebladene. Efter kondensering kan det så igen pumpes ind i kedlen som et lille volumen vand..

Jeg forstår det oprindelige spørgsmål som en undren over, hvor energien kommer fra. Altså som et spørgsmål om, hvordan balancen mellem energien brugt i pumpen og energien lavet af turbine er.

Svaret på det spørgsmål er, at pumpen rigtigt nok hæver trykket til nogenlunde det niveau, som der er ved indgangen til turbinen. I turbinen falder trykket så igen, men det er ikke selve trykfaldet, som bliver til arbejde (el). Det er derimod den termiske energi i dampen. Det er altså ikke kedlens funktion at hæve trykket, men derimod temperaturen. Humlen er at vanddamp (gas) ved en høj temperatur indeholder mere energi en samme mængde vand (væske) ved samme tryk.

Jeg glemte at skrive, at lokomotiver ikke har en kondensator,

I Afrika fandtes (findes?) lokomotiver med kondensatorvogn - vand kan være mere sjældent end brændsel.

Jo! Da den blev opfundet. Det blev opfattet som totalt gak indtil det viste sig at virke:

https://en.wikipedia.org/wiki/Injector

Var det ikke en injektor (og ikke en pumpe) man brugte på damplokomotiver til at fylde vand på kedlen?

Jeg glemte at skrive, at lokomotiver ikke har en kondensator, og derfor ikke genbruger vandet. Damplokomotiver er nogle meget simple dampmaskiner, og udnytter ikke energien i brændstoffet særligt godt.

Man pumper også vand ind i kedlen på damplokomotiver under kørslen. Der bruges mere plads til vand i tenderen end til kul. Lokomotiver uden tender havde typisk to tanke, en på hver side af kedlen.