Spis treści 1. Wstęp.............................................. 9 1. 1.1. Wprowadzenie....................................... 9 1. 1.2. Energia, jej znaczenie i zasoby.............................. 10 1. 1.3. Klasyfikacja maszyn................................... 11 2. Zarys hydromechaniki..................................... 13 1. 2.1. Określenie i podział hydromechaniki........................... 13 1. 2.2. Właściwości cieczy.................................... 13 1. 2.3. Hydrostatyka........................................ 15 1. 2.3. 2.3.1. Wprowadzenie................................... 15 1. 2.3. 2.3.2. Siły działające na ciecz w spoczynku. Ciśnienie cieczy............. 15 1. 2.3. 2.3.3. Prawo równomiernego rozchodzenia się ciśnienia w cieczy........... 16 1. 2.3. 2.3.4. Równowaga cieczy w polu sił ciężkości...................... 17 1. 2.3. 2.3.5. Równowaga cieczy w naczyniach połączonych.................. 19 1. 2.3. 2.3.6. Napór hydrostatyczny cieczy na ściany naczynia................. 20 1. 2.3. 2.3.7. Wypór hydrostatyczny............................... 21 1. 2.4. Kinematyka cieczy..................................... 23 1. 2.3. 2.4.1. Podstawowe pojęcia i określenia.......................... 23 1. 2.3. 2.4.2. Prędkość przepływu. Strumień objętości i strumień masy............ 23 1. 2.3. 2.4.3. Warunki ciągłości ruchu.............................. 24 1. 2.5. Dynamika cieczy...................................... 24 1. 2.3. 2.5.1. Twierdzenie Bernoulliego............................. 24 1. 2.3. 2.5.2. Moc strumienia................................... 26 1. 2.3. 2.5.3. Wypływ ustalony przez mały otwór........................ 26 1. 2.3. 2.5.4. Ruch cieczy w przewodach zamkniętych..................... 28 1. 2.3. 2.5.5. Napór hydrodynamiczny i reakcja hydrodynamiczna strumienia cieczy..... 29 1. 2.3. 2.5.6. Łopatki reakcyjne.................................. 31 1. 2.3. 2.5.7. Opory przepływu cieczy rzeczywistych i straty hydrauliczne.......... 32 1. 2.3. 2.5.8. Zjawisko kawitacji................................. 33 1. 2.6. Przyrządy do pomiaru ciśnienia, prędkości i natężenia przepływu........... 34 1. 2.3. 2.6.1. Przyrządy do pomiaru ciśnienia (ciśnieniomierze)................ 34 1. 2.3. 2.6.2. Przyrządy do pomiaru prędkości przepływu.................... 35 1. 2.3. 2.6.3. Przyrządy do pomiaru natężenia przepływu.................... 36 1. 3.3. Przykłady obliczeniowe.................................. 37 3. Silniki wodne i zakłady hydroenergetyczne......................... 42 1. 3.1. Klasyfikacja silników wodnych.............................. 42 1. 3.2. Koła wodne......................................... 42 1. 3.3. Silniki wodne tłokowe................................... 43 1. 3.4. Turbiny wodne....................................... 43 1. 2.3. 3.4.1. Zasada działania i rodzaje turbin wodnych.................... 43 1. 2.3. 3.4.2. Turbiny akcyjne Peltona.............................. 44 1. 2.3. 3.4.3. Turbiny reakcyjne Francisa............................. 45 1. 2.3. 3.4.4. Turbiny reakcyjne śmigłowe............................ 46 1. 3.5. Zakłady hydroenergetyczne................................ 48 1. 2.3. 3.5.1. Wprowadzenie................................... 48 1. 2.3. 3.5.2. Rodzaje zakładów hydroenergetycznych...................... 49 1. 3.6. Bilans energetyczny zakładu wodnego.......................... 50 1. 3.5. Przykłady obliczeniowe.................................. 50 4. Pompy............................................. 52 1. 4.1. Wprowadzenie....................................... 52 1. 4.2. Rodzaje i zastosowanie pomp............................... 52 www.wsip.com.pl 3
1. 4.3. Parametry pracy układu pompowego........................... 54 1. 4.4. Pompy wyporowe o ruchu postępowo-zwrotnym organu roboczego.......... 57 1. 2.3. 4.4.1. Pompy tłokowe................................... 57 1. 2.3. 4.4.2. Pompy wielotłoczkowe............................... 60 1. 2.3. 4.4.3. Pompy przeponowe (membranowe)........................ 63 1. 2.3. 4.4.4. Pompy tłokowe bezkorbowe............................ 65 1. 4.5. Pompy wyporowe o ruchu obrotowo-zwrotnym organu roboczego........... 65 1. 4.6. Pompy wyporowe obrotowe (rotacyjne).......................... 66 1. 2.3. 4.6.1. Zasada działania i rodzaje pomp rotacyjnych................... 66 1. 2.3. 4.6.2. Pompy łopatkowe................................. 67 1. 2.3. 4.6.3. Pompy zębate................................... 68 1. 2.3. 4.6.4. Pompy krzywkowe................................. 69 1. 2.3. 4.6.5. Pompy śrubowe.................................. 70 1. 2.3. 4.6.6. Pompy ślimakowe................................. 71 1. 4.7. Inne rodzaje pomp wyporowych.............................. 71 1. 2.3. 4.7.1. Pompy wyporowe o obiegowym ruchu organu roboczego............ 71 1. 2.3. 4.7.2. Pompy wyporowe przewodowe.......................... 72 1. 4.8. Pompy wirowe....................................... 72 1. 2.3. 4.8.1. Rodzaje i zasada działania............................. 72 1. 2.3. 4.8.2. Parametry pracy pomp wirowych......................... 73 1. 2.3. 4.8.3. Pompy wirowe krętne............................... 74 1. 2.3. 4.8.4. Pompy wirowe krążeniowe............................. 79 1. 2.3. 4.8.5. Pompy wirowe o szczególnym przeznaczeniu................... 82 1. 4.9. Hydroforowe instalacje pompowe............................. 84 1. 4.10. Układy strumieniowo-pompowe............................. 85 1. 4.11. Napędy pomp....................................... 86 1. 2.3. Przykłady obliczeniowe.................................. 88 5. Napędy hydrauliczne...................................... 90 1. 5.1. Wprowadzenie....................................... 90 1. 2.3. 5.1.1. Podstawowe elementy napędu hydraulicznego.................. 90 1. 2.3. 5.1.2. Zasada działania i właściwości napędów hydrostatycznych........... 91 1. 2.3. 5.1.3. Właściwości i zastosowania napędów hydraulicznych oraz sterowania hydraulicznego................................... 92 1. 2.3. 5.1.4. Ciecze robocze................................... 93 1. 5.2. Elementy przetwarzające energię w napędach hydrostatycznych............ 94 1. 2.3. 5.2.1. Hydrauliczne pompy wyporowe.......................... 94 1. 2.3. 5.2.2. Silniki wyporowe.................................. 95 1. 2.3. 5.2.3. Siłowniki...................................... 96 1. 5.3. Elementy sterujące napędów hydraulicznych....................... 98 1. 5.4. Osprzęt pomocniczy w napędach hydraulicznych.................... 101 1. 2.3. 5.4.1. Wprowadzenie................................... 101 1. 2.3. 5.4.2. Filtry......................................... 101 1. 2.3. 5.4.3. Akumulatory hydrauliczne............................. 102 1. 2.3. 5.4.4. Zbiorniki, chłodnice, przewody, złącza i uszczelnienia.............. 103 1. 5.5. Układy napędów hydrostatycznych............................ 105 1. 2.3. 5.5.1. Sterowanie napędów hydrostatycznych...................... 105 1. 2.3. 5.5.2. Układy połączeń w napędach hydrostatycznych.................. 105 1. 2.3. 5.5.3. Przykłady napędów hydrostatycznych....................... 106 1. 5.6. Napędy hydrokinetyczne.................................. 107 1. 2.3. 5.6.1. Wprowadzenie................................... 107 1. 2.3. 5.6.2. Sprzęgła hydrokinetyczne............................. 109 1. 2.3. 5.6.3. Przekładnie hydrokinetyczne............................ 111 1. 2.3. 5.6.4. Praca sprzęgieł i przekładni hydrokinetycznych w układach napędowych.... 112 1. 5.7. Sterowanie elektrohydrauliczne.............................. 112 1. 2.3. Przykłady obliczeniowe.................................. 113 4
6. Właściwości gazów i par.................................... 116 1. 6.1. Pojęcia podstawowe.................................... 116 1. 2.3. 6.1.1. Wprowadzenie................................... 116 1. 2.3. 6.1.2. Czynnik termodynamiczny i parametry jego stanu................ 116 1. 2.3. 6.1.3. Praca i ciepło.................................... 118 1. 2.3. 6.1.4. Energia wewnętrzna................................ 120 1. 2.3. 6.1.5. Entalpia....................................... 121 1. 6.2. Właściwości gazów.................................... 122 1. 2.3. 6.2.1. Podstawowe prawa gazów doskonałych...................... 122 1. 2.3. 6.2.2. Równanie stanu gazu doskonałego......................... 123 1. 2.3. 6.2.3. Mieszaniny gazu doskonałego i gazu rzeczywistego............... 124 1. 2.3. 6.2.4. Pojęcia gazu doskonałego, półdoskonałego i rzeczywistego........... 125 1. 6.3. Pierwsza zasada termodynamiki.............................. 126 1. 2.3. 6.3.1. Równanie pierwszej zasady termodynamiki.................... 126 1. 2.3. 6.3.2. Praca absolutna................................... 126 1. 2.3. 6.3.3. Praca techniczna.................................. 128 1. 2.3. 6.3.4. Entropia....................................... 129 1. 2.3. 6.3.5. Wykres ciepła.................................... 130 1. 6.4. Charakterystyczne przemiany gazów doskonałych.................... 131 1. 2.3. 6.4.1. Wprowadzenie................................... 131 1. 2.3. 6.4.2. Przemiana izochoryczna.............................. 132 1. 2.3. 6.4.3. Przemiana izobaryczna.............................. 132 1. 2.3. 6.4.4. Przemiana izotermiczna.............................. 133 1. 2.3. 6.4.5. Przemiana adiabatyczna.............................. 134 1. 2.3. 6.4.6. Przemiana politropowa............................... 135 1. 6.5. Druga zasada termodynamiki............................... 136 1. 2.3. 6.5.1. Przemiany i obiegi termodynamiczne odwracalne i nieodwracalne....... 136 1. 2.3. 6.5.2. Silniki odwracalne i nieodwracalne........................ 137 1. 2.3. 6.5.3. Obieg Carnota.................................... 138 1. 2.3. 6.5.4. Druga zasada termodynamiki............................ 139 1. 6.6. Para wodna i jej przemiany................................ 139 1. 2.3. 6.6.1. Proces tworzenia się pary wodnej i jej właściwości................ 139 1. 2.3. 6.6.2. Wykresy pary wodnej............................... 141 1. 2.3. 6.6.3. Przemiany termodynamiczne pary wodnej..................... 145 1. 2.3. Przykłady obliczeniowe.................................. 147 7. Spalanie............................................. 152 1. 7.1. Paliwa............................................ 152 1. 2.3. 7.1.1. Wprowadzenie................................... 152 1. 2.3. 7.1.2. Klasyfikacja paliw................................. 152 1. 2.3. 7.1.3. Skład chemiczny paliwa.............................. 153 1. 2.3. 7.1.4. Ciepło spalania i wartość opałowa......................... 154 1. 2.3. 7.1.5. Rodzaje paliw.................................... 156 1. 7.2. Teoria spalania....................................... 159 1. 2.3. 7.2.1. Pojęcie spalania................................... 159 1. 2.3. 7.2.2. Rodzaje spalania.................................. 159 1. 2.3. 7.2.3. Reakcje chemiczne spalania............................ 160 1. 2.3. 7.2.4. Zapotrzebowanie powietrza do spalania...................... 161 1. 2.3. 7.2.5. Współczynnik nadmiaru powietrza......................... 162 1. 2.3. 7.2.6. Skład mieszanki palnej............................... 164 1. 2.3. 7.2.7. Temperatura zapłonu i samozapłonu........................ 164 1. 2.3. 7.2.8. Temperatura spalania................................ 165 1. 2.3. 7.2.9. Ilość i skład spalin................................. 166 1. 2.3. 7.2.10. Straty spalania................................... 166 1. 2.3. 7.2.11. Kontrola spalania. Analizatory spalin....................... 167 1. 2.3. Przykłady obliczeniowe.................................. 170 www.wsip.com.pl 5
8. Zasady wymiany ciepła.................................... 172 1. 8.1. Typowe przypadki wymiany ciepła........................... 172 1. 8.2. Przewodzenie ciepła................................... 173 1. 2.3. 8.2.1. Wprowadzenie.................................. 173 1. 2.3. 8.2.2. Przewodzenie ciepła przez płaską ściankę jedno- i wielowarstwową...... 174 1. 8.3. Unoszenie ciepła..................................... 175 1. 8.4. Przejmowanie ciepła................................... 176 1. 8.5. Przenikanie ciepła..................................... 177 1. 8.6. Promieniowanie cieplne................................. 177 1. 8.7. Wymienniki ciepła.................................... 179 1. 8.8. Materiały izolacyjne................................... 181 1. 2.3. Przykłady obliczeniowe.................................. 182 9. Kotły parowe......................................... 184 1. 9.1. Podstawowe wiadomości o urządzeniach kotłowych.................. 184 1. 9.2. Podstawowe parametry techniczne kotła......................... 188 1. 9.3. Paliwa i paleniska kotłowe................................ 188 1. 2.3. 9.3.1. Paliwa kotłowe.................................. 188 1. 2.3. 9.3.2. Rodzaje palenisk.................................. 189 1. 2.3. 9.3.3. Parametry techniczne palenisk.......................... 189 1. 2.3. 9.3.4. Paleniska warstwowe............................... 190 1. 2.3. 9.3.5. Paleniska komorowe................................ 192 1. 9.4. Bilans cieplny i sprawność kotła............................. 194 1. 9.5. Typy kotłów i przykłady ich konstrukcji........................ 195 1. 9.6. Zasady eksploatacji kotłów................................ 200 1. 2.3. Przykłady obliczeniowe.................................. 202 10. Siłownie i turbiny parowe.................................. 204 10. 10.1. Podstawowe wiadomości o parowej siłowni cieplnej................. 204 10. 10.2. Sprawność i typy siłowni parowych.......................... 208 10. 10.3. Podstawowe wiadomości o turbinie parowej...................... 211 10. 10.4. Proces cieplny w jednym stopniu turbiny i w turbinie wielostopniowej....... 213 10. 2.3. 10.4.1. Stopień turbiny................................. 213 10. 2.3. 10.4.2. Sprawność i moc turbiny wielostopniowej................... 217 10. 10.5. Przykładowe konstrukcje turbin............................. 219 10. 10.6. Podstawowe wiadomości o elektrowni jądrowej.................... 224 10. 2.3. Przykład obliczeniowy................................. 227 11. Silniki spalinowe....................................... 228 10. 11.1. Ogólna charakterystyka silników spalinowych i ich klasyfikacja........... 228 10. 2.3. 11.1.1. Podział silników cieplnych........................... 228 10. 2.3. 11.1.2. Rodzaje i zastosowania silników spalinowych................ 229 10. 11.2. Rodzaje tłokowych silników spalinowych, ich charakterystyka oraz zastosowania. 230 10. 11.3. Zasady działania tłokowych silników spalinowych.................. 232 10. 2.3. 11.3.1. Podstawowe pojęcia i określenia........................ 232 10. 2.3. 11.3.2. Zasada działania silnika czterosuwowego................... 233 10. 2.3. 11.3.3. Zasada działania silnika dwusuwowego.................... 236 10. 11.4. Obiegi teoretyczne i rzeczywiste tłokowych silników spalinowych.......... 237 10. 2.3. 11.4.1. Obiegi teoretyczne silników spalinowych................... 237 10. 2.3. 11.4.2. Obiegi porównawcze silników spalinowych.................. 238 10. 2.3. 11.4.3. Obiegi rzeczywiste tłokowych silników spalinowych............. 240 10. 11.5. Parametry pracy silników spalinowych......................... 241 10. 2.3. 11.5.1. Wprowadzenie................................. 241 10. 2.3. 11.5.2. Średnie ciśnienie indykowane i użyteczne................... 242 10. 2.3. 11.5.3. Moc silnika................................... 243 10. 2.3. 11.5.4. Prędkość obrotowa silnika........................... 244 10. 2.3. 11.5.5. Moment obrotowy............................... 244 6
10. 2.3. 11.5.6. Sprawność silnika................................ 245 10. 2.3. 11.5.7. Zużycie paliwa................................. 247 10. 2.3. 11.5.8. Wskaźniki porównawcze silnika........................ 248 10. 2.3. 11.5.9. Bilans cieplny silnika.............................. 248 10. 11.6. Charakterystyki silników spalinowych......................... 250 10. 2.3. 11.6.1. Wprowadzenie................................. 250 10. 2.3. 11.6.2. Charakterystyki prędkościowe......................... 251 10. 2.3. 11.6.3. Charakterystyki obciążeniowe......................... 252 10. 2.3. 11.6.4. Charakterystyki regulacyjne.......................... 253 10. 2.3. 11.6.5. Charakterystyka ogólna (warstwicowa).................... 255 10. 11.7. Spalanie w silnikach................................... 256 10. 2.3. 11.7.1. Spalanie w silnikach ZI............................. 256 10. 2.3. 11.7.2. Spalanie w silnikach ZS............................ 257 10. 11.8. Doładowanie silników.................................. 259 10. 11.9. Typowe rozwiązania konstrukcyjne tłokowych silników spalinowych........ 261 10. 2.3. 11.9.1. Układ korbowy................................. 261 10. 2.3. 11.9.2. Mechanizm rozrządu.............................. 267 10. 2.3. 11.9.3. Kadłuby i głowice............................... 270 10. 2.3. 11.9.4. Olejenie silnika................................. 271 10. 2.3. 11.9.5. Chłodzenie silników.............................. 272 10. 2.3. 11.9.6. Układy zasilania silników........................... 273 10. 2.3. 11.9.7. Układ zapłonowy................................ 278 10. 2.3. 11.9.8. Układ rozruchowy............................... 279 10.11.10. Silniki gazowe...................................... 280 10.11.11. Silniki wielopaliwowe.................................. 281 10.11.12. Silniki z tłokami wirującymi (silnik Wankla)..................... 282 10.11.13. Silniki turbospalinowe.................................. 284 10.11.14. Odrzutowe silniki przelotowe.............................. 285 10.11.15. Silniki rakietowe..................................... 286 10. 2.3. Przykłady obliczeniowe................................. 287 12. Sprężarki............................................ 291 10. 12.1. Klasyfikacja i zastosowania sprężarek......................... 291 10. 12.2. Sprężarki tłokowe.................................... 292 10. 2.3. 12.2.1. Budowa i zasada działania........................... 292 10. 2.3. 12.2.2. Wykres indykatorowy sprężarki........................ 293 10. 2.3. 12.2.3. Praca, moc i stopień sprężania......................... 294 10. 2.3. 12.2.4. Sprężarki tłokowe wielostopniowe....................... 295 10. 2.3. 12.2.5. Podstawowe parametry techniczne sprężarek tłokowych........... 296 10. 2.3. 12.2.6. Rozwiązania konstrukcyjne sprężarek tłokowych............... 297 10. 12.3. Sprężarki rotacyjne................................... 300 10. 2.3. 12.3.1. Zasada działania................................ 300 10. 2.3. 12.3.2. Typowe rozwiązania konstrukcyjne...................... 301 10. 12.4. Sprężarki wirowe (przepływowe)............................ 304 10. 2.3. 12.4.1. Podział i zasada działania........................... 304 10. 2.3. 12.4.2. Typowe rozwiązania konstrukcyjne...................... 305 10. 12.5. Wentylatory i dmuchawy................................ 308 10. 2.3. 12.5.1. Klasyfikacja................................... 308 10. 2.3. 12.5.2. Wentylatory osiowe............................... 308 10. 2.3. 12.5.3. Wentylatory promieniowe (odśrodkowe)................... 309 10. 2.3. 12.5.4. Parametry techniczne.............................. 310 10. 2.3. 12.5.5. Zasada doboru wentylatorów.......................... 311 10. 12.6. Pompy próżniowe.................................... 312 10. 2.3. 12.6.1. Wprowadzenie................................. 312 10. 2.3. 12.6.2. Przykłady typowych pomp próżniowych................... 313 10. 2.3. Przykłady obliczeniowe................................. 315 13. Urządzenia chłodnicze.................................... 317 10. 13.1. Wprowadzenie...................................... 317 www.wsip.com.pl 7
10. 13.2. Urządzenia sprężarkowe jednostopniowe........................ 319 10. 13.3. Czynniki chłodnicze. Chłodziwa. Oleje........................ 320 10. 13.4. Urządzenia sprężarkowe wielostopniowe i kaskadowe................ 323 10. 13.5. Sprężarki chłodnicze.................................. 325 10. 13.6. Aparatura chłodnicza.................................. 331 10. 2.3. 13.6.1. Podział aparatów................................ 331 10. 2.3. 13.6.2. Skraplacze.................................... 332 10. 2.3. 13.6.3. Parowniki (chłodnice)............................. 334 10. 2.3. 13.6.4. Aparatura pomocnicza............................. 336 10. 13.7. Automatyka chłodnicza................................. 338 10. 13.8. Absorpcyjne urządzenia chłodnicze........................... 341 14. Mechanizmy pneumatyczne................................. 344 10. 14.1. Wprowadzenie..................................... 344 10. 2.3. 14.1.1. Napęd pneumatyczny i pneumohydrauliczny................. 344 10. 2.3. 14.1.2. Sterowanie pneumatyczne........................... 345 10. 2.3. 14.1.3. Klasyfikacja urządzeń pneumatycznych.................... 346 10. 2.3. 14.1.4. Właściwości czynnika roboczego stosowanego w układach pneumatycznych 346 10. 14.2. Urządzenia przetwarzające energię sprężonego powietrza na pracę mechaniczną.. 348 10. 2.3. 14.2.1. Silniki pneumatyczne o ruchu obrotowym................... 348 10. 2.3. 14.2.2. Silniki pneumatyczne wahadłowe i krokowe................. 349 10. 2.3. 14.2.3. Silniki pneumatyczne o ruchu postępowo-zwrotnym (siłowniki)....... 349 10. 14.3. Urządzenia sterujące energią sprężonego powietrza w układach pneumatycznych.. 351 10. 2.3. 14.3.1. Zawory rozdzielające.............................. 351 10. 2.3. 14.3.2. Zawory zwrotne i zawory szybkiego spustu.................. 352 10. 2.3. 14.3.3. Zawory dławiące................................ 353 10. 2.3. 14.3.4. Zawory redukcyjne i bezpieczeństwa..................... 354 10. 14.4. Urządzenia do przewodzenia i gromadzenia czynnika w układach.......... 355 10. 2.3. 14.4.1. Przewody pneumatyczne............................ 355 10. 2.3. 14.4.2. Złącza i przyłącza................................ 355 10. 14.5. Urządzenia pneumatyczne uderzeniowe........................ 356 10. 14.6. Pneumatyczne urządzenia amortyzacyjne....................... 356 10. 14.7. Napędy pneumohydrauliczne.............................. 357 10. 14.8. Zastosowanie mechanizmów pneumatycznych w różnych dziedzinach techniki... 358 10. 2.3. Przykłady obliczeniowe................................. 360 15. Dźwignice i przenośniki................................... 362 10. 15.1. Wprowadzenie..................................... 362 10. 15.2. Dźwignice........................................ 364 10. 2.3. 15.2.1. Wiadomości ogólne (zespoły składowe).................... 364 10. 2.3. 15.2.2. Elementy (części) dźwignic.......................... 366 10. 2.3. 15.2.3. Zespoły typowych mechanizmów dźwignic.................. 378 10. 2.3. 15.2.4. Pomocniczy osprzęt dźwignic hakowych................... 385 10. 2.3. 15.2.5. Chwytaki i chwytniki elektromagnetyczne.................. 389 10. 2.3. 15.2.6. Mechanizmy dźwignic............................. 393 10. 2.3. 15.2.7. Cięgniki..................................... 402 10. 2.3. 15.2.8. Suwnice..................................... 404 10. 2.3. 15.2.9. Żurawie..................................... 407 10. 2.3. 15.2.10. Dźwigniki................................... 410 10. 2.3. 15.2.11. Konstrukcje (ustroje) nośne dźwignic.................... 412 10. 15.3. Przenośniki........................................ 412 10. 2.3. 15.3.1. Wprowadzenie................................. 412 10. 2.3. 15.3.2. Przenośniki cięgnowe.............................. 413 10. 2.3. 15.3.3. Przenośniki bezcięgnowe............................ 423 10. 15.4. Automatyzacja transportu wewnętrznego........................ 429 10. 15.5. Zasady bhp obowiązujące przy obsłudze dźwignic i przenośników.......... 430 10. 15.6. Dozór techniczny.................................... 432 Literatura............................................. 433 8
2.4. Kinematyka cieczy 2.4.1. 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). 2.4.2. 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. www.wsip.com.pl 23
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) 2.4.3. 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 2 +...+ A n υ n (2.20) 2.5. Dynamika cieczy 2.5.1. 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
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. 2.8. 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 2 2 1 2g + p 2 γ + h 2 = const (2.23) www.wsip.com.pl 25
2.5.2. 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) 2.5.3. 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. 2.9. 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
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. 2.10. Wypływ cieczy przez mały otwór zatopiony www.wsip.com.pl 27
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 2.32. 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. 2.5.4. 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 2320. Gdy liczba Reynoldsa jest mniejsza niż 2320, w przewodzie panuje ruch laminarny. Gdy Re > 50 000, w przewodzie panuje ruch burzliwy. W przedziale 2320 < Re < 50 000 może panować zarówno ruch laminarny, jak i burzliwy, zależnie od warunków zewnętrznych. 28
10. Siłownie i turbiny parowe 10.1. 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
Rys. 10.1. 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. 10.2. 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 www.wsip.com.pl 205
Rys. 10.2. 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. 10.1 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. 10.2. 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
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. 10.3. 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) www.wsip.com.pl 207
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. 10.3. 10.2. 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 2 550 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.
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 20 40 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. 10.4. Rys. 10.4. 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 www.wsip.com.pl 209
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
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. 10.5. 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. www.wsip.com.pl 211
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. 10.6. 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