Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

ENERGETSKI STROJI IN NAPRAVE

Uvod

Pregled teoretičnih osnov

Volumetrični stroji

Turbinski stroji

Energetske naprave

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

ENERGETSKE NAPRAVE

Značilnosti

Prenosniki toplote

Hladilni stolpi

Kotli

Ejektorji

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Značilnosti

Razdelitev

Toplotni tok, srednja temperaturna razlika in izkoristek

Prestop toplote pri spremembi agregatnega stanja

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Transport energije:

toplota (prenosnik toplote)

svetloba (svetilo)

zvok (zvočnik)

električna energija (transformator, gorivne celice)

Lastnost: ni dovoda (odvoda) mehanskega dela

Kriterij: učinkovitost in gospodarnost

Značilnosti

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Prenosniki toplote, delitev

NAČIN OBRATOVANJAPREKINJEN

NEPREKINJEN

SMER MASNIH TOKOV

PRENOS TOPLOTEDIREKTEN

INDIREKTEN

SOTOČNI

PROTITOČNI

MEŠANI

AGREGATNO STANJESE MENJA

SE NE MENJA

TEMPERATURA IN TLAK

> – 100 °C; NIZKE

> 50–500 °C; NORMALNE

500–1400 °C; VISOKE< pO ; VAKUUM

< 20 bar; NORMALNI TLAK

100–500 bar; VISOK tlak

KONSTRUKCIJA

CEVNI

PLOŠČATI

MEŠALNI

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Toplota, toplotni tok

hα1 Tα1m1.

hω1 Tω1

hα2 Tα2m2.

hω2 Tω2

QI.

( )21dd TTAkQ −⋅⋅=& Prenos toplote v napravi (T=T(A))

2211

2211

dd

ddd

hmhm

TcmTcmQ pp

⋅=⋅=

⋅⋅=⋅⋅=

&&

&&&Toplotna bilanca okrog naprave

0I ≈Q& Izolacija!

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Srednja logaritemska temperaturna razlika

mQ k A T= ⋅ ⋅Δ&Ekvivalentna temperaturna razlika

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ΔΔ

Δ−Δ=Δ

β

α

βα

TT

TTT

lnm

Sotočni prenosnik toplote Protitočni prenosnik toplote

ΔT α

ΔT m

T ω2

ΔωT

T ω1

T α2

T α1

T1m

T2m T α2

ΔωT

ΔT α

ΔT m

T ω2

T α1

T ω1

T1m

T2m

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Izkoristek prenosnika toplote

11 II ≈−=−

=QQ

QQQ

&

&

&

&&η

Energijski izkoristek

Pogoj: dobra izolacija!

Zaradi končne temperaturne razlike pri prenosu toplote eksergijske izgube niso zanemarljive!

QTTE && ⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

1m

O1 1

Izguba eksergijskega toka

Eksergijski tok, ki ga greti medij sprejme

QTTE && ⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

2m

O2 1

QTTTTTEEE &&&& ⋅⋅−

⋅=−=Δ2m1m

2m1mO21

Eksergijski izkoristek

11

2 1EE

EE

&

&

&

& Δ−==ζ

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Uparjanje

A – uparjanje na prosti površini

A B C Č

α

q.

1 10 100 1000102

103

104

105

106

T TS F- / K

q /

(W

/m)2

α

/ (W

/mK

)2

.

B – mehurčkasto uparjanje

C – prehodno uparjanje

Č – filmsko uparjanje

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Kondenzacija

Kapljičasta kondenzacija(redka aplikacija)

Filmska (primer kondenzatorja)

kondenzat

para iz turbine

hladilna vodavstop

hladilna vodaizstop

z 2=

L

obloge: umazanija/nanosistena kondenzatorske cevi film kondenzata

nasičena parahladilna voda

Temperaturne razmere ob steni cevi

Thv,

dz

dn

8

Tst,n

Tst,z

Tf

Tk

dn dz df

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Kondenzacija

kondenzat

para iz turbine

hladilna vodavstop

hladilna vodaizstop

z 2=

L

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Prenosniki toplote

Fluid / fluidPlin (1bar) / plin (1bar)Plin (200-300)bar / plin (200-300)barTekočina / plin (1bar)Tekočina / tekočinaPara okrog cevi / tekočina v cevehUparjalnik

- naravni pretok- prisilni pretok

Kondenzator- organske pare okrog cevi / voda v ceveh- para okrog cevi / voda v ceveh

k / (W/(m2 K)5-35

300-1200

15-17150-1200

150-500

300-1700900-3000

300-12001500-4000

Nu = Nu(geometrije, T, p, ...)

21

111

αλδ

α++

=∑

k

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Prenosniki toplote

Uparjalnik v jedrski elektrarni

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Prenosniki toplote

Regenerativni grelnik napajalne vode

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Prenosniki toplote

Grelnika vode

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Hladilni stolpi

Zaprti sistem

BC

Odprti sistem

ϕ = 1

2

1

x / (kg/kg)

h /

(kJ

/kg)

(1 +

)x

T2

T1

hZ2

hZ1

ΔT Z

ΔhZ

ϕ = 1

2

1

x / (kg/kg)

h /

(kJ

/kg)

(1 +

)x T1

hZ2

hZ1

ΔTZ

ΔhZ

T T2 = Z*

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Hladilni stolpi

mZ,suhi.

mV.

TZ = TV* *

TV

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Kotli

Kemična energija Toplota

Delovna snovsegrevanje / uparjanje

Dimni plinisestava (stehiometrija)

Produkt:vroča voda

nasičena / suha parapregreta para

Namen:ogrevanje

tehnološka toplotaopravljane dela

Zunanji virnpr. plinska turbina

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Kotli, sestavni deli

vZ

ΔH

vZ

vZ

ΔH

vZ vZ = vLP

ΔH

vZ > vLP

ΔH

vZ = vP

A B C Č

lg vZ

lg Δ

p

A – kurjenje na rešetki

B – stac. lebdeča plast

C – vrtinčna lebdeča plast

Č – prašna kurjava

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Kotli, sestavni deli

Kurilna naprava: kurišče, kurilni pripomočki (rešetke, mlini, gorilniki,... )prenosniki toplote (prehod toplote s plinov na delovno snov)

Geometrijska zasnova kotla = f(gorivo, toplotna moč)

zrak

gorivo

voda

dimni plini

para

žlindra

A

B

C

Č

D

E

F G

H

I

J K L

pepel

M

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Mnogovodni ali dimnocevni kotel

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Malovodni ali vodnocevni kotli

A

C

B

Č D

E

F

G

H

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Malovodni ali vodnocevni kotli

A

B CD

F

I

E

A

A

B

B

C

C

Č

Č

D

D

G

H

F

F

E

E

I

I

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Zgorevanje mazuta in premogovega prahu

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Vodno cevni kotli

Kotel s prisilnim pretokom

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Moč in izkoristek

1

2

3

4

entropija

tem

pera

tura

6

5

2

1

Tmdo

1 2Q5 6Q

3

4

1 2Q 3 4Q

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Moč in izkoristek

( ) ( )56PP14SP hhmhhmQ −⋅+−⋅= &&&

12V hhq −=

23 hhr −=

34P hhq −=

56PP hhq −=

grelnik vode

pregrevalnik

uparjalnik

ponovni pregrevalnik

Toplotna moč kotla:

Energijski izkoristek kotla

do

KK Q

Q&

&=η

Eksergijski izkoristek kotla

do

KK E

E&

&=ζ

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Vlek v dimniku

ΔHD

AD

VD

dD

ρ ρD D D = ( )T

ρ ρZ Z Z= ( , )p T , ϕZFVzg

Fg

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Vlek v dimniku

Hitrost dimnih plinov vD / (m/s)

Tla

čn

a ra

zlik

a /

PaΔp

obratovalnatočka

dimnika

tlak statičnega vleka

ΔpD

ΔpI

ΔpeA

B

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Vlek v dimniku

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Vlek v dimniku

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Ejektorji

p /

bar

v /

(m/s

)

L / m

vkr

mK. pK vK, ,

1 2 3mP. pP vP, , mm

. pm v3, ,

pK

pP

pm

vm

vK

vP

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

Ejektorji

h /

(kJ/

kg)

s / (kJ/(kg K))

P

P,totvP

2

2

1P

v1P2

2 K

K,totvK

2

2

1K

v1K2

2

2

3

2,tot = 3,totv32

2

v22

2

p P

pm

p K

p 3

h1P

h2

h1K

hK,toth3

hP,tot

h2,tot= h2,tot