Spis treści.

Transkrypt

1

2 Spis treści 1. Wstęp Wprowadzenie Energia, jej znaczenie i zasoby Klasyfikacja maszyn Zarys hydromechaniki Określenie i podział hydromechaniki Właściwości cieczy Hydrostatyka Wprowadzenie Siły działające na ciecz w spoczynku. Ciśnienie cieczy Prawo równomiernego rozchodzenia się ciśnienia w cieczy Równowaga cieczy w polu sił ciężkości Równowaga cieczy w naczyniach połączonych Napór hydrostatyczny cieczy na ściany naczynia Wypór hydrostatyczny Kinematyka cieczy Podstawowe pojęcia i określenia Prędkość przepływu. Strumień objętości i strumień masy Warunki ciągłości ruchu Dynamika cieczy Twierdzenie Bernoulliego Moc strumienia Wypływ ustalony przez mały otwór Ruch cieczy w przewodach zamkniętych Napór hydrodynamiczny i reakcja hydrodynamiczna strumienia cieczy Łopatki reakcyjne Opory przepływu cieczy rzeczywistych i straty hydrauliczne Zjawisko kawitacji Przyrządy do pomiaru ciśnienia, prędkości i natężenia przepływu Przyrządy do pomiaru ciśnienia (ciśnieniomierze) Przyrządy do pomiaru prędkości przepływu Przyrządy do pomiaru natężenia przepływu Przykłady obliczeniowe Silniki wodne i zakłady hydroenergetyczne Klasyfikacja silników wodnych Koła wodne Silniki wodne tłokowe Turbiny wodne Zasada działania i rodzaje turbin wodnych Turbiny akcyjne Peltona Turbiny reakcyjne Francisa Turbiny reakcyjne śmigłowe Zakłady hydroenergetyczne Wprowadzenie Rodzaje zakładów hydroenergetycznych Bilans energetyczny zakładu wodnego Przykłady obliczeniowe Pompy Wprowadzenie Rodzaje i zastosowanie pomp

3 Parametry pracy układu pompowego Pompy wyporowe o ruchu postępowo-zwrotnym organu roboczego Pompy tłokowe Pompy wielotłoczkowe Pompy przeponowe (membranowe) Pompy tłokowe bezkorbowe Pompy wyporowe o ruchu obrotowo-zwrotnym organu roboczego Pompy wyporowe obrotowe (rotacyjne) Zasada działania i rodzaje pomp rotacyjnych Pompy łopatkowe Pompy zębate Pompy krzywkowe Pompy śrubowe Pompy ślimakowe Inne rodzaje pomp wyporowych Pompy wyporowe o obiegowym ruchu organu roboczego Pompy wyporowe przewodowe Pompy wirowe Rodzaje i zasada działania Parametry pracy pomp wirowych Pompy wirowe krętne Pompy wirowe krążeniowe Pompy wirowe o szczególnym przeznaczeniu Hydroforowe instalacje pompowe Układy strumieniowo-pompowe Napędy pomp Przykłady obliczeniowe Napędy hydrauliczne Wprowadzenie Podstawowe elementy napędu hydraulicznego Zasada działania i właściwości napędów hydrostatycznych Właściwości i zastosowania napędów hydraulicznych oraz sterowania hydraulicznego Ciecze robocze Elementy przetwarzające energię w napędach hydrostatycznych Hydrauliczne pompy wyporowe Silniki wyporowe Siłowniki Elementy sterujące napędów hydraulicznych Osprzęt pomocniczy w napędach hydraulicznych Wprowadzenie Filtry Akumulatory hydrauliczne Zbiorniki, chłodnice, przewody, złącza i uszczelnienia Układy napędów hydrostatycznych Sterowanie napędów hydrostatycznych Układy połączeń w napędach hydrostatycznych Przykłady napędów hydrostatycznych Napędy hydrokinetyczne Wprowadzenie Sprzęgła hydrokinetyczne Przekładnie hydrokinetyczne Praca sprzęgieł i przekładni hydrokinetycznych w układach napędowych Sterowanie elektrohydrauliczne Przykłady obliczeniowe

4 6. Właściwości gazów i par Pojęcia podstawowe Wprowadzenie Czynnik termodynamiczny i parametry jego stanu Praca i ciepło Energia wewnętrzna Entalpia Właściwości gazów Podstawowe prawa gazów doskonałych Równanie stanu gazu doskonałego Mieszaniny gazu doskonałego i gazu rzeczywistego Pojęcia gazu doskonałego, półdoskonałego i rzeczywistego Pierwsza zasada termodynamiki Równanie pierwszej zasady termodynamiki Praca absolutna Praca techniczna Entropia Wykres ciepła Charakterystyczne przemiany gazów doskonałych Wprowadzenie Przemiana izochoryczna Przemiana izobaryczna Przemiana izotermiczna Przemiana adiabatyczna Przemiana politropowa Druga zasada termodynamiki Przemiany i obiegi termodynamiczne odwracalne i nieodwracalne Silniki odwracalne i nieodwracalne Obieg Carnota Druga zasada termodynamiki Para wodna i jej przemiany Proces tworzenia się pary wodnej i jej właściwości Wykresy pary wodnej Przemiany termodynamiczne pary wodnej Przykłady obliczeniowe Spalanie Paliwa Wprowadzenie Klasyfikacja paliw Skład chemiczny paliwa Ciepło spalania i wartość opałowa Rodzaje paliw Teoria spalania Pojęcie spalania Rodzaje spalania Reakcje chemiczne spalania Zapotrzebowanie powietrza do spalania Współczynnik nadmiaru powietrza Skład mieszanki palnej Temperatura zapłonu i samozapłonu Temperatura spalania Ilość i skład spalin Straty spalania Kontrola spalania. Analizatory spalin Przykłady obliczeniowe

5 8. Zasady wymiany ciepła Typowe przypadki wymiany ciepła Przewodzenie ciepła Wprowadzenie Przewodzenie ciepła przez płaską ściankę jedno- i wielowarstwową Unoszenie ciepła Przejmowanie ciepła Przenikanie ciepła Promieniowanie cieplne Wymienniki ciepła Materiały izolacyjne Przykłady obliczeniowe Kotły parowe Podstawowe wiadomości o urządzeniach kotłowych Podstawowe parametry techniczne kotła Paliwa i paleniska kotłowe Paliwa kotłowe Rodzaje palenisk Parametry techniczne palenisk Paleniska warstwowe Paleniska komorowe Bilans cieplny i sprawność kotła Typy kotłów i przykłady ich konstrukcji Zasady eksploatacji kotłów Przykłady obliczeniowe Siłownie i turbiny parowe Podstawowe wiadomości o parowej siłowni cieplnej Sprawność i typy siłowni parowych Podstawowe wiadomości o turbinie parowej Proces cieplny w jednym stopniu turbiny i w turbinie wielostopniowej Stopień turbiny Sprawność i moc turbiny wielostopniowej Przykładowe konstrukcje turbin Podstawowe wiadomości o elektrowni jądrowej Przykład obliczeniowy Silniki spalinowe Ogólna charakterystyka silników spalinowych i ich klasyfikacja Podział silników cieplnych Rodzaje i zastosowania silników spalinowych Rodzaje tłokowych silników spalinowych, ich charakterystyka oraz zastosowania Zasady działania tłokowych silników spalinowych Podstawowe pojęcia i określenia Zasada działania silnika czterosuwowego Zasada działania silnika dwusuwowego Obiegi teoretyczne i rzeczywiste tłokowych silników spalinowych Obiegi teoretyczne silników spalinowych Obiegi porównawcze silników spalinowych Obiegi rzeczywiste tłokowych silników spalinowych Parametry pracy silników spalinowych Wprowadzenie Średnie ciśnienie indykowane i użyteczne Moc silnika Prędkość obrotowa silnika Moment obrotowy

6 Sprawność silnika Zużycie paliwa Wskaźniki porównawcze silnika Bilans cieplny silnika Charakterystyki silników spalinowych Wprowadzenie Charakterystyki prędkościowe Charakterystyki obciążeniowe Charakterystyki regulacyjne Charakterystyka ogólna (warstwicowa) Spalanie w silnikach Spalanie w silnikach ZI Spalanie w silnikach ZS Doładowanie silników Typowe rozwiązania konstrukcyjne tłokowych silników spalinowych Układ korbowy Mechanizm rozrządu Kadłuby i głowice Olejenie silnika Chłodzenie silników Układy zasilania silników Układ zapłonowy Układ rozruchowy Silniki gazowe Silniki wielopaliwowe Silniki z tłokami wirującymi (silnik Wankla) Silniki turbospalinowe Odrzutowe silniki przelotowe Silniki rakietowe Przykłady obliczeniowe Sprężarki Klasyfikacja i zastosowania sprężarek Sprężarki tłokowe Budowa i zasada działania Wykres indykatorowy sprężarki Praca, moc i stopień sprężania Sprężarki tłokowe wielostopniowe Podstawowe parametry techniczne sprężarek tłokowych Rozwiązania konstrukcyjne sprężarek tłokowych Sprężarki rotacyjne Zasada działania Typowe rozwiązania konstrukcyjne Sprężarki wirowe (przepływowe) Podział i zasada działania Typowe rozwiązania konstrukcyjne Wentylatory i dmuchawy Klasyfikacja Wentylatory osiowe Wentylatory promieniowe (odśrodkowe) Parametry techniczne Zasada doboru wentylatorów Pompy próżniowe Wprowadzenie Przykłady typowych pomp próżniowych Przykłady obliczeniowe Urządzenia chłodnicze Wprowadzenie

7 Urządzenia sprężarkowe jednostopniowe Czynniki chłodnicze. Chłodziwa. Oleje Urządzenia sprężarkowe wielostopniowe i kaskadowe Sprężarki chłodnicze Aparatura chłodnicza Podział aparatów Skraplacze Parowniki (chłodnice) Aparatura pomocnicza Automatyka chłodnicza Absorpcyjne urządzenia chłodnicze Mechanizmy pneumatyczne Wprowadzenie Napęd pneumatyczny i pneumohydrauliczny Sterowanie pneumatyczne Klasyfikacja urządzeń pneumatycznych Właściwości czynnika roboczego stosowanego w układach pneumatycznych Urządzenia przetwarzające energię sprężonego powietrza na pracę mechaniczną Silniki pneumatyczne o ruchu obrotowym Silniki pneumatyczne wahadłowe i krokowe Silniki pneumatyczne o ruchu postępowo-zwrotnym (siłowniki) Urządzenia sterujące energią sprężonego powietrza w układach pneumatycznych Zawory rozdzielające Zawory zwrotne i zawory szybkiego spustu Zawory dławiące Zawory redukcyjne i bezpieczeństwa Urządzenia do przewodzenia i gromadzenia czynnika w układach Przewody pneumatyczne Złącza i przyłącza Urządzenia pneumatyczne uderzeniowe Pneumatyczne urządzenia amortyzacyjne Napędy pneumohydrauliczne Zastosowanie mechanizmów pneumatycznych w różnych dziedzinach techniki Przykłady obliczeniowe Dźwignice i przenośniki Wprowadzenie Dźwignice Wiadomości ogólne (zespoły składowe) Elementy (części) dźwignic Zespoły typowych mechanizmów dźwignic Pomocniczy osprzęt dźwignic hakowych Chwytaki i chwytniki elektromagnetyczne Mechanizmy dźwignic Cięgniki Suwnice Żurawie Dźwigniki Konstrukcje (ustroje) nośne dźwignic Przenośniki Wprowadzenie Przenośniki cięgnowe Przenośniki bezcięgnowe Automatyzacja transportu wewnętrznego Zasady bhp obowiązujące przy obsłudze dźwignic i przenośników Dozór techniczny Literatura

8 2.4. Kinematyka cieczy Podstawowe pojęcia i określenia Badanie zjawisk zachodzących w cieczy będącej w ruchu nastręcza więcej trudności niż badanie zjawisk spotykanych w hydrostatyce. W zjawiskach takich należy bowiem uwzględnić lepkość oraz zmienność ruchu cieczy. Dla uproszczenia w rozważaniach tych ciecz rzeczywista zastępuje się ciecza doskonała, której cechą charakterystyczną jest zupełny brak lepkości i nieściśliwość. Aby wyniki badań cieczy doskonałej były bliższe rzeczywistości, do wyników tych wprowadza się poprawki uwzględniające opory przepływu i siły tarcia, które występują w badanej cieczy rzeczywistej. Podstawowe pojęcia stosowane w hydrodynamice to: element cieczy, tor cząstki, linia prądu, struga cieczy, strumień objętości lub masy cieczy (zwany też natężeniem przepływu), ciśnienie i prędkość przepływu. Elementem cieczy nazywamy pewną wyodrębnioną część masy ciekłej, której wymiary liniowe przyjmuje się jako nieskończenie małe. Każdemu elementowi poruszającej się cieczy odpowiada pewna prędkość o określonej wartości, określonym kierunku i zwrocie (wektor) oraz pewne ciśnienie będące wielkością skalarną (skalar) Prędkość przepływu. Strumień objętości i strumień masy W kinematyce cieczy rozróżnia się prędkość chwilowa cząstki poruszającej się po torze i prędkość miejscowa, występującą w danej chwili w określonym punkcie pola. Tor cząstki to linia, którą zakreśla poruszająca się cząstka. Wiązka bliskich linii prądu stanowi elementarna strugę cieczy. Jeżeli strugę cieczy przetniemy płaszczyzną prostopadłą do jej osi (kierunku ruchu), to otrzymamy pole nazywane przekrojem strugi. Objętość cieczy przepływającej w jednostce czasu przez przekrój poprzeczny strugi nazywamy strumieniem objętości, objętościowym natężeniem przepływu lub wydatkiem objętościowym Q υ = Α υ m 3 s (2.16) gdzie: Q υ strumień objętości w m 3 s, A przekrój poprzeczny strugi w m 2, υ średnia prędkość przepływu w danym przekroju strugi w m s. 23

9 Jeżeli strumień objętości pomnożymy przez gęstość cieczy ρ (w kg m 3 ), to otrzymamy strumień masy Q m, zwany też masowym natężeniem przepływu Q m = ρ A υ kg s (2.17) Warunki cia głości ruchu Rozróżnia się kilka rodzajów przepływu cieczy, a mianowicie: przepływ o ruchu ustalonym lub o ruchu nieustalonym (zmiennym), przepływ swobodny (niewymuszony) lub wymuszony, przepływ uwarstwiony (laminarny) lub burzliwy (turbulentny). Jeżeli w przewodzie zamkniętym ciecz płynie ruchem ustalonym, to strumień masy lub objętości (natężenie przepływu) w dowolnym przekroju ma stałą wartość (Q υ = const i Q m = const). Dotyczy to zarówno przewodów o stałym przekroju, jak i przewodów o przekroju zmiennym. Można to zapisać w postaci równania cia głości strugi, która dla cieczy ściśliwej ma postać ρ 1 A 1 υ 1 = ρ 2 A 2 υ 2 = ρ A υ = const (2.18) a dla cieczy nieściśliwej (rys. 2.8) przyjmuje postać A 1 υ 1 = A 2 υ 2 = A υ = const (2.19) Jeżeli przewód o przekroju A, którym płynie ciecz ruchem ustalonym o prędkości υ, rozgałęzia się na kilka przewodów o przekrojach A 1, A 2, A 3...A n,torównanie ciągłości strugi w tych przewodach przybierze postać A υ = A 1 υ 1 + A 2 υ A n υ n (2.20) 2.5. Dynamika cieczy Twierdzenie Bernoulliego Ruch cieczy doskonałej odbywa się bez strat energetycznych, a więc przepływ tej cieczy odbywa się w zgodzie z zasadą zachowania energii. Dla przepływu ustalonego cieczy doskonałej zasadę tę określa równanie Bernoulliego h + p γ + υ2 = const (2.21) 2g w którym: h wysokość położenia w m, p ciśnienie w Pa, 24

10 υ prędkość w danym punkcie strugi w m s, p wysokość ciśnienia w m, γ υ 2 wysokość prędkościwm, 2g g przyspieszenie ziemskie w m s 2 (g = 9,81 m s 2 ). Składniki równania Bernoulliego (2.21) stanowią miarę trzech rodzajów energii mechanicznej. Pierwszy z nich określa wartość energii położenia, drugi energii ciśnienia, a trzeci energii kinetycznej, pod warunkiem, że każdy z nich pomnożymy przez ciężar jednostkowy (1 N). Suma wszystkich trzech składników równania 2.21, zwana wysokościa hydrauliczna H, jest miarą całkowitej energii mechanicznej masy cieczy (o ciężarze jednostkowym po pomnożeniu przez 1 N), znajdujące się na wysokości h nad poziomem odniesienia, o ciśnieniu statycznym p, poruszającej się z prędkością υ (określoną w danym punkcie strugi) H = h + p γ + υ2 2g (2.22) Rys Struga cieczy w ruchu ustalonym [18] Mając na uwadze zasadę zachowania energii mechanicznej, możemy napisać równanie dla dwóch dowolnych przekrojów poprzecznych strugi I i II (rys. 2.8) 2 υ 1 2g + p 1 γ + h = υ g + p 2 γ + h 2 = const (2.23) 25

11 Moc strumienia Jeżeli przepływ cieczy jest ustalony, jego prędkość wynosi υ (w m s), a objętościowe natężenie przepływu wynosi Q υ (w m 3 s), to moc hydrauliczną (rozporządzalną) P (w W) strumienia cieczy oblicza się mnożąc objętościowe natężenie przepływu przez ciśnienie dynamiczne p υ (w Pa). Ciśnienie dynamiczne Stąd moc hydrauliczna p υ = ρ υ2 2 Pa P = Q υ p υ = ρ Q υ υ2 2 = γ Q υ2 υ W (2.24) 2g Uwzględniając zależność między prędkością przepływu υ a hydraulicznym (rozporządzalnym) spadem, H = υ2, otrzymamy następującą postać wzoru na 2g moc hydrauliczną strumienia P = γ Q υ Η W (2.25) Wypływ ustalony przez mały otwór Wypływ przez mały otwór w dnie. Stosując twierdzenie Bernoulliego do ustalonego wypływu cieczy doskonałej ze zbiornika przez mały otwór (rys. 2.9), można wyznaczyć wzór określający prędkość wypływu cieczy doskonałej = 2g υ o h 1 ( A 2 o A ) (2.26) Rys Wypływ cieczy przez otwór w dnie zbiornika w którym: A przekrój poziomy zbiornika, A o przekrój poprzeczny otworu wypływowego, h wysokość napełnienia zbiornika. Jeżeli przekrój otworu A o, przez który wypływa ciecz, jest bardzo mały w porównaniu z polem powierzchni A (A >> A o ) zwierciadła cieczy, to wzór 2.26 przyjmie znacznie prostszą postać. Ta nowa postać wzoru jest znana pod nazwą wzoru Torricellego 26

12 υ o = 2g h m s (2.27) W przypadku wypływu ze zbiornika cieczy rzeczywistej υ o = ϕ 2g h m s (2.28) gdzie: ϕ(fi) współczynnik prędkości zależny od rodzaju cieczy (bezwymiarowy); dla wody ϕ = 0,97 0,98. Natężenie wypływu (strumień objętości) cieczy doskonałej Q υ = Α ο υ o = A o 2g h m 3 s (2.29) W przypadku gdy ze zbiornika przez mały otwór wypływa ciecz rzeczywista, następuje zwężenie strugi. Wzór na natężenie wypływu przyjmuje wówczas postać Q υ = κ ϕ A o 2g h = μ A o 2g h m 3 s (2.30) w której: κ (kappa) współczynnik zwężenia (kontrakcji), μ = κ ϕ współczynnik wypływu zależny przede wszystkim od kształtu otworu. Zależność między natężeniem wypływu a wysokością napełnienia zbiornika. Zrównania 2.28 widać, że prędkość wypływu cieczy rzeczywistej ze zbiornika przez mały otwór zależy od wysokości jego napełnienia. Im większa jest wysokość napełnienia zbiornika cieczą, tym większa jest prędkość jej wypływu. Również natężenie wypływu cieczy jest wprost proporcjonalne do wysokości napełnienia zbiornika (zgodnie ze wzorem 2.30). Czas t wypływu cieczy ze zbiornika o niezmiennym przekroju poziomym A (w m 2 ) można obliczyć wg następującego wzoru t = A μ A o 2h s (2.31) g w którym: A o pole przekroju otworu w dnie w m 2, h wysokość napełnienia zbiornika cieczą wm, g przyspieszenie ziemskie w m s 2, μ bezwymiarowy współczynnik wypływu. Wypływ cieczy przez mały otwór zatopiony. Z wypływem cieczy z otworu zatopionego mamy do czynienia w przypadku, gdy ciecz nie wypływa swobodnie, lecz do naczynia wypełnionego cieczą, której zwierciadło znajduje się nad otworem (rys. 2.10). Å Rys Wypływ cieczy przez mały otwór zatopiony 27

13 Korzystając z równania Bernoulliego można wyznaczyć prędkość oraz strumień objętości cieczy rzeczywistej wypływającej przez otwór zatopiony. Prędkość wypływu cieczy rzeczywistej υ ο oblicza się wg wzoru υ o = ϕ 2g H (2.32) w którym: ϕ współczynnik prędkości zależny od rodzaju cieczy (jak we wzorze 2.28), g przyspieszenie ziemskie, H różnica poziomów zwierciadeł cieczy w obu naczyniach. Strumień objętości Q υ cieczy wypływającej z małego otworu zatopionego o przekroju A o określa wzór Q υ = μ Α ο 2g H (2.33) w którym: μ współczynnik wypływu (jak we wzorze 2.30). Pozostałe oznaczenia jak we wzorze Jak widać wypływ cieczy przez mały otwór zatopiony nie zależy (jak w przypadku swobodnego wypływu) od zagłębienia otworu, lecz od różnicy H poziomów zwierciadeł cieczy w naczyniach Ruch cieczy w przewodach zamkniętych Przewodami zamkniętymi nazywa się przewody całkowicie wypełnione cieczą płynącą pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia atmosferycznego. W praktyce najczęściej są to przewody o przekroju kołowym, zwane potocznie rurami. Przepływ cieczy w przewodach zamkniętych może odbywać się ruchem uwarstwionym (laminarnym) lub burzliwym (turbulentnym). Z ruchem laminarnym mamy do czynienia w przypadku małej prędkości przepływu. Po przekroczeniu pewnej prędkości przepływu, zwanej prędkościa krytyczna, przepływ staje się burzliwy. Kryterium przejścia ruchu uwarstwionego w ruch burzliwy jest liczba Reynoldsa (Re). Jest to liczba bezwymiarowa, charakteryzująca rodzaj przepływu płynu. Uwzględnia ona prędkość strumienia cieczy, wymiary przewodu (np. średnicę rury) i współczynnik lepkości kinematycznej. Graniczna wartość Re jest dla wszystkich cieczy w przybliżeniu jednakowa. W obliczeniach technicznych dotyczących ruchu cieczy w przewodach wodociągowych przyjmuje się krytyczną wartość liczby Reynoldsa Re kr Gdy liczba Reynoldsa jest mniejsza niż 2320, w przewodzie panuje ruch laminarny. Gdy Re > , w przewodzie panuje ruch burzliwy. W przedziale 2320 < Re < może panować zarówno ruch laminarny, jak i burzliwy, zależnie od warunków zewnętrznych. 28

14 10. Siłownie i turbiny parowe Podstawowe wiadomości o parowej siłowni cieplnej Zadaniem siłowni cieplnej jest przetwarzanie energii cieplnej, pochodzącej z energii chemicznej paliwa, na energię mechaniczną (w silniku cieplnym). Najczęściej energia mechaniczna jest następnie przetwarzana na energię elektryczną (w prądnicy). Wtedy siłownia cieplna nazywa się elektrownia cieplna. Jeżeli elektrownia, oprócz energii elektrycznej, dostarcza również ciepło do procesów technologicznych lub do ogrzewania, to nazywa się elektrociepłownia. Elektrownie cieplne różnią się między sobą rodzajem zastosowanego silnika. W Polsce elektrownie cieplne na ogół są wyposażone w siłownie parowe. Najprostszy schemat siłowni parowej przedstawiono na rys. 10.1a, a odpowiadający jej wzorcowy obieg cieplny Rankine a na rys. 10.1b, c, d. Pompa P tłoczy wodę do kotła K, gdzie w wyniku doprowadzenia ciepła q 1, otrzymanego ze spalania paliwa zostaje ona zamieniona na parę przegrzaną o parametrach p 2, T 2 i entalpii i 2. W wyniku rozprężania tej pary w turbinie do ciśnienia p 3 i entalpii i 3 zostaje przekazana na wał praca l t = i 2 i 3, przekształcana następnie w prądnicy (generatorze) G na energię elektryczną P el. Rozprężona w turbinie para, już jako para mokra (wilgotna), skraplana jest z kolei w skraplaczu S w wyniku odebrania jej przez wodę chłodzącą ciepła q 2, rozpraszanego później do otoczenia. Turbina parowa działająca w takim układzie jest nazywana kondensacyjna. Kondensat (woda powstała ze skroplenia pary) zabierany jest znowu przez pompę P i tłoczony do kotła. W obiegu wzorcowym (rys. 10.1b, c, d) wszystkie elementy działają oczywiście bez żadnych strat, przy czym praca pompowania jest tak mała, że punkty 1 oraz 4 na wykresach we współrzędnych T s oraz i s praktycznie się pokrywają. Działająca na takiej zasadzie współczesna elektrownia parowa jest nieporównanie bardziej złożona. Stanowi ona system, w skład którego oprócz 204

15 Rys Siłownia parowa: a) najprostszy schemat siłowni parowej, b) jej wzorcowy obieg Rankine a we współrzędnych T s, c) we współrzędnych p υ, d) we współrzędnych i s K kocioł parowy, T turbina parowa, G prądnica elektryczna, S skraplacz, P pompa, q 1 ciepło doprowadzone w kotle, q 2 ciepło odbierane w skraplaczu, l t praca turbiny, l p praca pompowania, P k punkt krytyczny urządzeń głównych, wskazanych na rys. 10.1a, wchodzi jeszcze wiele innych maszyn i urządzeń, związanych z następującymi obiegami technologicznymi: I spalania, II roboczym, III chłodzenia oraz IV energii elektrycznej. Uproszczony schemat procesu technologicznego węglowej elektrowni parowej kondensacyjnej przedstawiono na rys Proces ten cechuje trzystopniowa przemiana postaci energii (chemiczna cieplna mechaniczna elektryczna), wymagająca trzech rodzajów surowców: paliwa, powietrza i wody oraz czterech czynników roboczych: powietrza, spalin, wody i pary. I obieg spalania (omówiony w rozdz. 9.,,Kotły parowe ) obejmuje: układ nawęglania, tj. rozładunek węgla np. wywrotnicą wagonową 1 (rys. 10.2), skład węgla 2 oraz transport węgla do zasobników przykotłowych 3; następnie kocioł 5, w którym jest spalany pył węglowy, przygotowany w młynach 4, z powietrzem podawanym wentylatorem 6 przez podgrzewacz powietrza A. Po drodze do komina 10 spaliny z kotła muszą być oczyszczone. W tym celu przechodzą przez elektrofiltry 7, w których następuje elektrostatyczne oddzielanie pyłów C, oraz przez układ odsiarczania i ewentualnie 205

16 Rys Schemat procesu technologicznego węglowej elektrowni parowej kondensacyjnej I obieg spalania, II obieg roboczy, III obieg chłodzenia, IV obieg energii elektrycznej; 1 wywrotnica wagonowa, 2 skład węgla, 3 zasobnik przykotłowy, 4 młynwęglowy, 5 kocioł parowy, 6 wentylator, 7 elektrofiltry, 8 wentylator sztucznego ciągu, 9 układ odsiarczania spalin, 10 komin, 11 turbina parowa, 12 skraplacz, 13 generator elektryczny, 14 transformator blokowy, 15 pompa skroplin, 16 wymienniki ciepła układu regeneracji, 17 odgazowywacz, 18 pompa zasilająca, 19 pompy wody chłodzącej, 20 chłodnia kominowa, A podgrzewacz powietrza, B odprowadzenie popiołu, C odprowadzenie pyłów, D odprowadzenie gipsu powstającego w procesie odsiarczania spalin odazotowania spalin 9, w którym powinna być usunięta, głównie na drodze chemicznej, większość tlenków siarki i azotu, zawartych w spalinach. Są to drogie i złożone układy, lecz niezbędne ze względu na ochronę środowiska naturalnego. Popioły i żużel z kotła B i elektrofiltrów C oraz produkty powstałe w wyniku odsiarczania spalin (np. gips D) są odprowadzane z elektrowni za pomocą układów nieuwidocznionych na schemacie. II obieg roboczy, nazywany głównym, obejmuje kocioł 5 oraz turbinę kondensacyjna 11 ze skraplaczem 12. Elementy te są połączone rurociągami parowymi i wodnymi. We współczesnej siłowni dla poprawy sprawności para jest przegrzewana dwukrotnie (na rys jednokrotnie). Oznacza to, że po częściowym rozprężeniu w tzw. części wysokoprężnej turbiny (WP) para trafia z powrotem do kotła, gdzie jej temperatura znowu wzrasta do wartości bliskiej początkowej, po czym para wraca do turbiny, rozprężając się w jej częściach średnio- (SP) oraz niskoprężnych (NP) rys Skraplacz 12 jest to wymiennik ciepła, w którym para odlotowa z turbiny skrapla się na zewnętrznej powierzchni rurek. Wewnątrz tych rurek przepływa woda chłodząca. Powstający kondensat spływa do zbiornika, skąd zabiera go pompa skroplin 15. W skraplaczu panuje wysoka próżnia (ok. 95%), tj. ciśnienie absolutne ok. 5 kpa. (Wytworzenie i podtrzymanie tej próżni wymaga odpowiednich urządzeń). Dzięki temu temperatura skroplin jest niska, bliska temperaturze otoczenia (ok. 30 C skraplacz można dotknąć ręką). W celu uzyskania wyższej sprawności siłowni skropliny te należy podgrzać przed 206

17 kotłem do temperatury ok. 250 C, czemu towarzyszy oczywiście odpowiedni wzrost ciśnienia. Podgrzewanie skroplin odbywa się w układzie regeneracji, tj. w szeregu powierzchniowych wymienników ciepła 16, zasilanych niewielkimi ilościami gorącej pary, odbieranymi z turbiny. Zapobieganie korozji w kotle wymaga usunięcia z wody zasilającej tlenu, co odbywa się w tzw. odgazowywaczu 17, instalowanym przed pompa zasilaja ca 18. Rys Krajowa elektrownia o mocy 1200 MW, na węgiel brunatny, z blokami 200 MW: a) przekrój budynku głównego elektrowni, b) sylwetka elektrowni 1 prądnica, 2 turbina parowa, 3 skraplacz, 4 suwnica, 5 urządzenia do nawęglania, 6 kocioł parowy, 7 podgrzewacz powietrza, 8 elektrofiltry (wymiary w m) 207

18 III obieg chłodzenia składa się ze skraplacza 12 oraz pomp wody chłodzącej 19, pobierających wodę ze źródła naturalnego (rzeki, jeziora, morza) lub sztucznego, tzn. z chłodni kominowej 20 (jak na rys. 10.2), gdy woda krąży w obiegu zamkniętym. Wypływająca ze skraplacza ciepła woda jest rozpryskiwana w chłodni kominowej na drobne kropelki, które opadając do zbiornika pod chłodnią przekazują ciepło powietrzu atmosferycznemu, przepływającemu wnętrzem chłodni (od dołu ku górze). Wskutek dużego zapotrzebowania wody chłodzącej chłodnie kominowe osiągają wielkie wymiary. Nieuniknione ubytki wody tak w obiegu roboczym, jak i chłodzenia wymagają uzupełnienia. Przed wprowadzeniem do obiegu roboczego woda musi być bardzo starannie przygotowana, tj. oczyszczona w specjalnych układach z zanieczyszczeń mechanicznych i chemicznych. Opisane trzy obiegi są ze sobą sprzężone jak ogniwa łańcucha: obieg roboczy łączy się mianowicie z obiegiem spalania przez powierzchnie ogrzewalne kotła, z obiegiem chłodzenia przez powierzchnie chłodzące skraplacza. IV obieg energii elektrycznej obejmuje generator 13 oraz transformator blokowy 14, podwyższający napięcie generatora do wartości napięcia przesyłowego, a także układ zasilania urządzeń własnych elektrowni. Przykład rozmieszczenia urządzeń w budynku głównym elektrowni oraz jej sylwetkę pokazano na rys Sprawność i typy siłowni parowych Sprawność η t obiegu wzorcowego Rankine a z turbiną kondensacyjną (rys. 10.1) wynosi 208 η t = l t = q 1 q 2 = i 2 i 3 (10.1) q 1 q 1 i 2 i 1 l t = i 2 i 3 ; q 1 = i 2 i 1 ; q 2 = i 3 i 4 ; i 1 i 4 gdzie: l t praca turbiny, gdzie: q 1 ciepło doprowadzone do wody i pary w kotle, gdzie: q 2 ciepło skraplania w skraplaczu. Wszystkie te wielkości (tzn. l t, q 1, q 2 ) są równe różnicom entalpii na wlocie i wylocie z kolejnych urządzeń. Sprawność η t wzrasta przy podwyższaniu parametrów pary (p 2, t 2 ) przed turbiną (wzrost entalpii i 2 ) oraz obniżaniu ciśnienia p 3 w skraplaczu (zmniejszenie entalpii i 3 ). Wartości tych parametrów są obecnie już właściwie ustalone: temperatura pary dolotowej t C ze względów materiałowych, a ciśnienie w skraplaczu p 3 = 3 8 kpa (ciśnienie absolutne) zależnie od temperatury wody chłodzącej (otoczenia). Takim parametrom odpowiada sprawność η t nieco ponad 0,4.

19 Sprawność elektrowni kondensacyjnej η (rys. 10.2) jest stosunkiem mocy elektrycznej P el w kw na zaciskach do energii chemicznej paliwa (węgla) spalanego w kotle η = P el B W u (10.2) gdzie: B ilość spalonego paliwa w kg s, W u wartość opałowa w kj kg. Dzięki zastosowaniu regeneracyjnego podgrzewania skroplin i międzystopniowego przegrzewania pary (rys. 10.2) sprawność η również zbliża się do wartości 0,4 (40%), pomimo uwzględnienia wszystkich strat w instalacji. Oznacza to, że w omawianym układzie siłowni parowej z turbiną kondensacyjną ok. 60% energii chemicznej paliwa jest oddawane wodzie chłodzącej skraplacz (ciepło q 2 na rys. 10.1a) i następnie rozpraszane do otoczenia, tj. do dolnego źródła ciepła obiegu, zgodnie z II zasadą termodynamiki. Ponieważ nie istnieją techniczne możliwości wykorzystania ogromnych ilości wody o temperaturze tylko C, ciepło to jest tracone. Zagospodarowanie znacznej części tego ciepła umożliwiają natomiast elektrociepłownie. W wielu procesach technologicznych w przemyśle oraz w miastach oprócz zapotrzebowania na energię elektryczną występuje duże zapotrzebowanie na ciepło w postaci pary technologicznej lub gorącej wody. Uzasadniona jest wtedy budowa elektrociepłowni, umożliwiającej skojarzone (jednoczesne) wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. W elektrociepłowni instalowane są turbiny parowe przeciwprężne i upustowe. Schematy elektrociepłowni z takimi turbinami, nawiązujące do rys. 10.1, przedstawiono na rys Rys Schemat elektrociepłowni: a) z turbiną przeciwprężną, b) z turbiną upustową K kocioł parowy, T turbina parowa, G prądnica elektryczna, S skraplacz, P pompa,q 1 ciepło doprowadzane w kotle, q 2 ciepło odbierane w skraplaczu, q ciepło przekazywane odbiorcom, l t praca turbiny, P el moc elektryczna, Q mo strumieńmasy pary dolotowej, Q mu strumień masy pary odbieranej z upustu turbiny, Q mk strumieńmasyparypłynący do skraplacza 209

20 W układzie turbiny przeciwprężnej (rys. 10.4a) nie ma skraplacza ani układu chłodzenia. Para w turbinie rozpręża się do ciśnienia p 3,zwykle wyższego lub znacznie wyższego od atmosferycznego (najczęściej 0,25 1,5 MPa), dostosowanego do potrzeb (wymaganej temperatury) procesu technologicznego lub miejskiej sieci ciepłowniczej, którym para oddaje całe swoje ciepło q bezpośrednio lub przez wymiennik. W porównaniu z turbiną kondensacyjną (rys. 10.1) wytwarza się tu mniej energii elektrycznej (wyższe ciśnienie p 3 i entalpia i 3 ), ale za to całe ciepło q 2 jest wykorzystane. Stopień wykorzystania energii chemicznej paliwa w elektrociepłowni wyraża się wzorem η c = P + Q el (10.3) B W u w którym: Q ciepło przekazywane odbiorcom w kj s (pozostałe oznaczenia jak we wzorze 10.2). Wskaźnik η c w teoretycznym układzie z turbiną przeciwprężną (l t + q = q 1 ) jest równy 1. Również w rzeczywistych układach osiąga on bardzo wysokie wartości (do ok. 0,85). Wadą turbiny przeciwprężnej jest brak możliwości regulacji ilości wytwarzanej energii elektrycznej, której ilość ściśle zależy od zapotrzebowania na ciepło i maleje do zera przy jego braku. Wady tej nie mają układy z turbinami upustowymi (rys. 10.4b), w których tylko część Q mu pary dolotowej Q mo do turbiny po częściowym rozprężeniu w turbinie (do ciśnienia p u jak na wylocie z turbiny przeciwprężnej) i po odebraniu z turbiny przez upust dostarcza ciepła Q. Pozostała część pary Q mk = Q mo Q mu pracuje nadal w turbinie i jest skraplana w skraplaczu pod niskim ciśnieniem, jak w turbinie kondensacyjnej. Obowiązuje tu również zależność 10.3, jednak wartości wskaźnika η c są mniejsze niż w układzie przeciwprężnym, gdyż l t + q = q 1 q 2. Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej zapewnia tak wielkie korzyści ekonomiczne, iż powinno być stosowane wszędzie tam, gdzie istnieje dostatecznie duże zapotrzebowanie na ciepło. W skali kraju zapotrzebowanie na ciepło jest jednak małe w porównaniu z zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Dlatego podstawową część energii elektrycznej dostarczają elektrownie kondensacyjne. Rozróżniamy elektrownie zawodowe, głównie kondensacyjne, zasilające krajowy system energetyczny, przemysłowe, głównie elektrociepłownie, stanowiące część zakładu przemysłowego i wytwarzające energię przede wszystkim na potrzeby tego zakładu, oraz elektrociepłownie miejskie, pracujące głównie na potrzeby miasta. 210

21 10.3. Podstawowe wiadomości o turbinie parowej Turbina parowa jest silnikiem cieplnym wirnikowym, który wchodząc w skład siłowni parowej przetwarza energię cieplną pary wodnej na pracę mechaniczną. W turbinie parowej zachodzi podwójna przemiana energii. W wyniku rozprężania pary do znacznej prędkości następuje zamiana energii cieplnej na energię kinetyczną strumienia pary, a następnie energia kinetyczna jest zamieniana na pracę mechaniczną obracającego się wirnika turbiny. Podstawowe elementy konstrukcyjne turbiny to nieruchome łopatki kierownicze (dysze) oraz związane z wirnikiem łopatki wirujące, tworzące wieńce łopatkowe (rys. 10.5). Zespół złożony z wieńców łopatek kierowniczych i wirujących jest nazywany stopniem turbinowym, a stopnie te łącznie tworzą układ łopatkowy turbiny. Rys Fragment turbiny parowej układ łopatkowy 1 wirnik, 2 kadłub (elementy nieruchome), K łopatki i wieńce kierownicze, W łopatki i wieńce wirujące (strzałkami zaznaczono kierunek wlotu pary) Zasadniczym zadaniem turbin parowych jest napęd prądnic energetycznych w energetyce. Większość wytwarzanej na świecie energii elektrycznej pochodzi z turbozespołów parowych (turbozespół zespół złożony z turbiny i napędzanej przez nią prądnicy). Turbiny parowe stosowane są także do napędu pomp, sprężarek i wentylatorów. Stanowią też napęd dużych statków i okrętów, np

22 tankowców czy lotniskowców, zwłaszcza o napędzie atomowym. Moc jednostkowa najmniejszych turbin parowych wynosi ok. 1 kw, największych zaś przekracza 1500 MW. Takiej mocy nie osiągają inne rodzaje silników cieplnych. Zasadnicze elementy turbiny parowej poznamy na przykładzie jednokadłubowej wielostopniowej reakcyjnej turbiny kondensacyjnej średniej mocy (rys. 10.6). Para przegrzana dopływa z kotła rurociągami 3 idostajesiędo turbiny przez zawór główny 1, całkowicie otwarty w czasie normalnej pracy. Następnie jest kierowana do zaworów regulacyjnych 2 (jeden, częściej kilka) sterowanych regulatorem prędkości obrotowej. Zawory regulacyjne są połączone z komorami dyszowymi 16, u których wylotu są zamocowane nieruchome łopatki kierownicze pierwszego stopnia 13 turbiny, nazywane zwyczajowo dyszami. U wylotu turbiny panuje ciśnienie znacznie niższe od atmosferycznego (np. 3,5 kpa), tj. stosunkowo wysoka próżnia wytwarzana przez połączone z turbiną urządzenie kondensacyjne. Duża różnica ciśnienia między wlotem i wylotem turbiny umożliwia rozprężenie pary. Zachodzi ono stopniowo, w kolejnych stopniach turbiny. W nieruchomych kanałach rozprężnych poszczególnych stopni, nazywanych kierownicami, para uzyskuje odpwiednią energię kinetyczną, dzięki której wykonuje następnie pracę w wieńcach wirujących. Po przepłynięciu przez wieńce kierownicze i wirujące wszystkich stopni rozprężona para opuszcza turbinę przez wylot 17, który jest połączony ze skraplaczem, umieszczonym zwykle pod turbiną (nie pokazany na Rys Jednokadłubowa wielostopniowa reakcyjna turbina kondensacyjna [17] 1 zawór główny, 2 zawory regulacyjne, 3 doprowadzenie pary do turbiny, 4 serwomotory (siłowniki) zaworów regulacyjnych i zaworu głównego, 5 kadłub turbiny, 6 łopatki kierownicze, 7 łopatki wirujące, 8 wirnik, 9 łożysko oporowo-nośne, 10 tylne łożysko nośne, 11 dławnice zewnętrzne, 12 sprzęgło, 13 stopieńregulacyjny, 14 obejmyukładułopatek kierowniczych, 15 tłok odciążający, 16 komora dyszowa, 17 wylot do skraplacza, 18 kołnierz poziomego podziału kadłuba 212