Termodinamika. tlak, temperatura, raztezanje, termična enačba. toplota, notranja W, volumsko delo, entalpija, tehnično delo

Transcript

1 Termodinamika Termodinamični procesi Veličine stanja tlak, temperatura, raztezanje, termična enačba Prvi glavni zakon termodinamike toplota, notranja W, volumsko delo, entalpija, tehnično delo Drugi glavni zakon termodinamike entropija Kalorične enačbe stanja, preobrazba idealnih plinov Agregatne preobrazbe Krožni procesi Carnot, Rankine, Clausis, Otto, Diesel Zgorevanje Prehod toplote 2

2 Termodinamični sistemi Omejitev prostora ali količine snovi Obdani z okolico Izmenjava energije in ne snovi zaprt sistem (bat) Izmenjava energije in snovi odprt sistem (turbina) Ni izmenjave energije in snovi zaključen sistem Enake sestavine in lastnosti v sistemu homogen sistem Več faz heterogen sistem 3

3 Veličine stanja Merljive in izračunane Volumen v specifični volumen 1/gostota; v =V/m v m molski volumen v 1 kilomolu toliko delcev kot atomov v 12 kg 12 C V m =V/n (n molska količina) Avogadrovo število: N L = 6, /kmol Tlak (absolutni, nadtlak, podtlak) absolutni tlak = barometrski + manometrski Pascal (N/m 2 ), bar, atmosfera (kp/s), psi psi (pounds per square inch), psia (absolutni), psig (nadtlak), 1 bar = psi, 1atm= psi Temperatura: stopnja segretosti telesa [Kelvin, Celzij] Gostota Toplotno raztezanje linearno (koef. lin. raztez.) prostorninsko (koef. prost. raztez.) l αlt V βv T [ C]=([ F] 32)5/9 [ F]=[ C] 5/9+32 [ F] [ C] 0-17,8 5-15, ,2 15-9,4 20-6,7 25-3,9 30-1,1 35 1,7 40 4,4 45 7, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,6 4

4 Homogen sistem: Veličine stanja v ravnotežnem stanju so veličine stanja konstantne v celem sistemu Termična enačba stanja Velja za homogene sisteme sl. 1.6 f p, v, T 0 v f p, T p f v, T T f p, v 5

5 Prvi glavni zakon termodinamike (PGZT) Zakon o ohranitvi energije Perpetuum mobile prve vrste Energije: nakopičena kinetična, potencialna, notranja prehodna meh. delo, tok, toplota... 6

6 PGZT: Toplota Q Toplota potrebna za spremembo temperature dq mcdt Specifična toplota snovi pri stalni prostornini: c v c 4,186kJ/kgK pri stalnem tlaku: c p pri stalnem tlaku se opravlja zunanje delo W spec. toplota snovi: količina toplote za segretje 1 kg snovi za 1 K W c p V c p p Q c c v v p Q p1 ( V2 V ( T T ) R T m R T mc 2 1 p 1 ) T Plinska konstanta za zrak je 287 J/kgK 7

7 PGZT: Notranja energija U Segrevanje plina pri stalni prostornini se kaže v višji temperaturi Notranja energija odvisna od stanja telesa U f, p, v U f idealni plin Q mc U U v U u specifična notranja energija m 8

8 PGZT: Volumsko delo W o Delo, ki se oddaja okolici pri povečanju prostornine sl. 1.7 ekspanzija zaradi q V Sh w pv dw o o o pdv v w pdv f v dv v v v Ekspanzija daje delo, kompresija uporablja delo Povračljive spremembe stanja 9

9 PGZT: Volumsko delo W o q u u W u W 2 1 o o dq du dw du pdv o Prvi glavni zakon termodinamike Q= U W in dq du pd V (za maso m) du idealni plin: cv d dq c d pdv q v v2 cv 2 1 v 1 pdv 10

10 PGZT: Entalpija I (H) Vsota notranje energije in dela I=U+pV je entalpija ali vsebina toplote pri p=konst. I U pv Q U W Q U U p V V I I q i i segrevanje telesa pri p = konst.: dq cp dt di dq c dt p i2 i1 cp 2 1 Spr. temp. 11

11 Entropija Sprememba entropije je sprememba toplote pri absolutni temperaturi T. ds dq T 12

12 DGZT: Entropija S Sprememba toplote pri določeni temperaturi Povratni procesi: Nepovratni proces: Sl.1.9 ds dq T ds S dq T dq S T S s m 1 Q T q Tds q q s s s T T 1 2 T T s

13 PGZT: Tehnično delo W ot toplotno izoliran sistem - adiabata Pretvorba brez izmenjave toplote. Je idealna preobrazba pri vseh toplotnih strojih. Entropija je konstantna: dq=0. p p 2 i u pv di du pdv vp d di dq vdp p1 v 1 v 2 v q i i vdp 2 1 Q I I W ot 14

14 Drugi glavni zakon termodinamike (DGZT) Prehod toplote s toplejšega na hladnejše telo Za pretvorbo toplote v mehansko energijo potreba razlika temperatur Vedno sodelujeta dve telesi pri pretvorbi toplote v W meh Nepovraten proces Perpetum mobile druge vrste 15

15 Kalorične enačbe in preobrazbe idealnih plinov Idealni plin (visoko pogreta para) Boyle-Mariotto-v zakon: pv=konst. pri T=konst. Gay-Lussac-ov zakon: V/T=konst. pri p=konst. Enačba stanja: pv RT ali pv mrt Združena zakona: p1v 1 p2v2 pv konst. T T T 1 2 Karakteristične spremembe stanja 16

16 Preobrazba pri V=konst. (izohora) Primer: segrevanje plina pri V=konst. Glavna enačba termodinamike, brez volumskega dela: p p 2 p 1 v 1 v q u u W q u u p v 2 1 o p v p RT RT enačbi delimo: v Qmc c c R v 2 1 p c v,cp v c R χr c χ 1 χ za enoatomne line, 1.4 za dvoatomne pline 17

17 Preobrazba pri p=konst. (izobara) Primer: segrevanje plina pri p=konst. p p 2 v 1 v 2 v w p v v o c q u u p v v i i p v p p v RT RT enačbi delimo: v1 T1 v1 v2 ali v T T T konst. 18

18 Preobrazba pri T=konst. (izoterma) Primer: segrevanje plina pri T=konst. p v RT in p v RT pod krivuljo ekspanzije: p p 2 p1 v 1 v 2 v ot dv v wo pdv RT RT ln v v 1 1 izoterma: tehnično delo = volumsko delo W W q u u w o 2 1 o u u ker T q w o w ot konst

19 Preobrazba brez izmenjave toplote (adiabata) Primer: popolna izolacija Adiabata je krivulja konstantne entropije - izentropa p p 2 q u T T u 2 1 v v w χ1 o 0 p1 v 1 v 2 v T T pv χ p p χ1 χ konst. 20

20 Izmenjava toplote Politropska preobrazba n pv 1nχ konst. Povzetek n v konst. izohora c n 0 p konst. izobara c χ n χ pv konst. adiabata 0 n 1 pv konst. izoterma n 1 n χ pv konst. politropa cv v p n χ n1 21

21 Agregatne preobrazbe Stanja: trdna snov (led) kapljevina (voda) plin (pregreta para, suha para) istočasne faze mokra para taljenje sublimacija Termična enačba stanja talilna krivulja strjevalna krivulja vrelna krivulja (spodnja mejna krivulja) rosilna krivulja (zgornja mejna krivulja) Kritična točka Preobrazbe trdno-kapljevito taljenje strjevanje kapljevito-plinasto uparjanje kondenzacija trdno-plinasto sublimacija desublimacija 22

22 Diagram stanja vode 23

23 Agregatna preobrazba vode Izparevanje vode v parih kotlih Čistost vode Segrevanje vode Uparjanje vode Pregrevanje pare q c t 0 ros vrel r= + uparjalna toplota u q k ros vrel c u p v v preg p preg nasič specifična toplota tabelirana notranja u. t. zunanja u. t. 24

24 Mollierov diagram 25

25 T-s diagram za vodo 26

26 Vlažnost zraka Količina vodne pare v zraku absolutna vlažnost Odvisna od temperature Relativna = trenutna količina / maksimalna količina Kaj se zgodi, če hladimo zrak z določeno vlažnostjo? Zakaj sušiti s toplim zrakom? 27

27 Krožni procesi Pri ekspanziji delovnega medija se opravlja zunanje delo (ne glede na to ali je ekspanzija pri stalni temperaturi ali pri stalnem tlaku ali pri stalni entropiji ali pri politropski preobrazbi. Pri ekspanziji deluje plin na bat in ga premakne iz položaja 1 v 2. Ko pride v položaj 2 neha opravljati delo. Ker pri strojih zahtevamo neprekinjeno delovanje, se mora vrniti v prvotni položaj v točko 1. Potrebna je kompresija, za kar uporabimo zunanje delo. Če gremo po isti krivulji nazaj, porabimo enako količino dela, kot smo ga pridobili. Takšen stroj je neuporaben, ker ne bi dajal nobenega koristnega dela. p p p1 P=konst. (konstanten tlak) T=konst. (konstantna temperatura) s=konst. (konstantna entropija) v 1 v 2 v

28 Krožni procesi Da stroj opravi koristno delo, se mora v začetni položaj vrniti tako, da pri kompresiji porabi manj dela, kot pa ga dobi pri ekspanziji. Na sliki je krožni proces, pri katerem se v času ekspanzije po zgornji krivulji delovnemu mediju dovaja toplota q 1 in dobimo delo. Po spodnji krivulji se opravlja kompresija. Delovnemu medijo odvajamo toploto q 2 in porabljamo mehanično delo. Površina v 2 -v 1 predstavlja dobljeno delo pri ekspanziji W 1. Površina v 1 -v 2 predstavlja porabljeno delo pri kompresiji W 2. Ker je začetno in končno stanje na začetku in na koncu procesa enako, je notranja energija na začetku in koncu procesa enaka. To pomeni, da se zunanje delo lahko opravlja le na račun dovedene toplote. Glavna enačba krožnega procesa: q 1 -q 2 =u 1 -u 2 +W k = q 1 -q 2 +W k =W Toplotni izkoristek ( th ) je razmerje med izkoriščeno toploto proti skupni dovedeni toploti in pomeni merilo za kakovost krožnega procesa. th =(q 1 -q 2 )/q 1 p p q 1 p1 4 2 q 2 v 1 v 2 v 29

29 Carnotov krožni proces Sestavljen je iz štirih povračljivi parcialnih procesov: 2 izotermi, 2 adiabati. Grelec, v katerem se opravi preobrazba od 1 do 2, in hladilnik, v katerem se opravi preobrazba od 3 do 4 po izotermi, morata imeti veliko toplotno kapaciteto, da se temperatura ne spreminja v času procesa. Razlika temperature med grelcem in delovnim telesom T q -T 1 in med delovnim telesom in hladilnikom T 4 -T h morata biti čim manjši, vendar pa zadosti veliki, da se opravi izmenjava toplote, seveda zelo počasi. Delovni medij ekspandira od začetnega stanja 1 do 2 po izotermi pri zadostni toploti q 1, nato pa po adiabati od 2 do 3. Krivulja 3-4 predstavlja izotermno kompresijo po zadostnem odvajanju toplote q 2 (hlajenju). Krivulja 4-1 predstavlja adiabatno kompresijo. Pri Carnotovem procesu je mogoče ustvariti maksimalno možno delo. Termični izkoristek je odvisen le od končne in začetne temperature procesa in ne od lastnosti delovnega medija. Q Q T T T ηth 1 Q1 T1 T1 30

30 Carnotov krožni proces 31

31 Carnotov krožni proces za vodno paro T T 4 =T T 1 =konst. p 4 q 1 1 p 1 =konst. T 2 =T T 3 =konst. 3 q 2 2 p 3 =konst. s 3 =s 4 s 1 =s 2 s v Proces izparevanja v parnem kotlu PK je prikazan v T-s diagramu s premico 4-1 (T 4 =T 1 =konstanta) in v p-v diagramu s premico 4-1 (p 1 =p 4 =konstanta). Začetno stanje točka 4 odgovarja vreli vodi temperature T 4 =T 1. V parni turbini TUR suha para ekspandira po adiabati z točke 1 v 2 od tlaka p 1 na p 2 in preide v mokro paro v točki 2. Mokra para kondenzira v parnem kondenzatorju K pri konstantnem tlaku (p 2 =p 3 ) in stalni temperaturi (T 2 =T 3 ). V točki 3 kondenzacija preneha, nadaljuje pa adiabatična kompresija (3-4), da spet dobimo vrelo vodo z začetnim stanjem (p 4, T 4 ) in krožni proces je sklenjen. 32

32 Rankine-Clausius-ov krožni proces Točka 3 na vrelni krivulji Para v kondenzatorju popolnoma kondenzira Potiskanje vode v kotel Opravi se več dela Manjši izkoristek 33

33 Idealni proces v plinski turbini Medij: plin (zrak) namesto vode! Gorivo v kotlu (trdno, tekoče, plinasto)! Sesanje zraka iz atmosfere Zgorevanje pri stalnem tlaku Ekspanzija do atmosferskega tlaka Ni kondenzatorja! 34

34 Otto in Diesel motor Zgorevanje v valju, višji tlak, mehansko delo Otto: zmes zraka in goriva izven valja, električna iskra v valju Diesel: gorivo in vroči zrak v valju, ni iskre 4-taktni motor, dva valja (otto) Diesel T 1 1 ηotto 1 f ε ε= T2 v 2 boljši izkoristek odvisen od kompresijskega razmerja in obremenitve motorja v 35

35 Procesi zgorevanja Potreben kisik za kemično reakcijo Eksoenergetske (energijo dobimo) in endoenergetske reakcije (energijo dovajamo) Transformacija kemične v notranjo energijo Goriva: trdna naravna (les, šota, premog, oljni škriljavci) umetna (po oplemenitenju premoga: koks, briketi) kapljevinata naravna (nafta) umetna (destilacija nafte: mazut, diesel, bencin...) plinasta naravna (zemeljski plin) umetna (svetilni plin, generatorski plin...) 36

36 Procesi zgorevanja Vsebina goriv: voda gorljive substance pepel Zgorevanje: kisik + visoka temperatura + gorivo popolno (dovolj kisika) nepopolno (nedogoreli plini težki ogljikovodiki, dim, saje) Enačbe kemičnih reakcij Kurilnost goriv Popolnost zgorevanja odvisno od: konstrukcije kurišča vrste goriva 37

37 Prehod toplote Prehod toplote pomeni pojave v zvezi s prenosom določene količine toplote z enega mesta na drugo. Razlika temperatur omogoča prehod toplote. Toplotni tok pove, kakšna je prenesena toplota na časovno enoto. Načini prehoda toplote: Prevajanje - kondukcija (prevajanje po snovi) Prestop ali konvekcija (prenos s snovjo) Sevanje (elektromagnetno) Prehod toplote vezan na snov Prehod toplote vezan na elektromagnetno sevanje 38

38 Prevajanje - kondukcija (prevajanje po snovi) Toplotna prevodnost vrsta materiala vlažnost temperatura tlak ϑ 1 λ S ϑ 2 dq 12 λs W dt d q gostota toplotne moči S S d ϑ 1 λ 1 λ 2 ϑ 3 d ϑ 2 λ sr d1 d2 S 1 2 d d d d λ λ Izpeljava: Zapisati enačbi za obe plasti Izraziti razliko temperatur Sešteti enačbi in se vmesna temperatura uniči 39

39 Prestop toplote ali konvekcija Prestop toplote ali konvekcija je možna le v snoveh, kjer delci spreminjajo kraj: kapljevine, plini delci prenašajo energijo Prestop toplote s konvekcijo je zapleten proces odvisen od mnogih faktorjev, zato vrednost koeficienta α zelo niha. αs α tekočina stena koef. prehoda toplote s konvekcijo Mirni zrak Zrak, ki se giblje Voda, ki ne vre Voda, ki vre Para, ki kondenzira Pregreta para 3-12 W/m 2 K W/m 2 K W/m 2 K W/m 2 K W/m 2 K 120 W/m 2 K 40

40 Prehod toplote (kondukcija in konvekcija) Toplotne naprave: prenos toplote iz tekočine ali plina na trdno snov Upoštevamo tako kondukcijo kot konvekcijo plin stena S voda ϑ 1 α 1 ϑ 1a λ α 2 ϑ 1b ϑ 2 1 S d 1 α λ α 1 2 ks k prehodni koeficient toplote d 41

41 Sevanje Toplota ni vezana na snov. Toplota prehaja z nevidnimi žarki z enega telesa na drugo in hkrati se temperatura telesa, skozi katerega prehaja, ne poviša. T T C sevalni količnik Stefan-Boltzmanov zakon: CS W Absolutno črno telo 5.67 W/m 2 K 4 Saje 5.11 W/m 2 K 4 Valjano železo 4.41 W/m 2 K 4 Plamen premoga W/m 2 K 4 Poliran aluminij 0.29 W/m 2 K 4 Polirano jeklo W/m 2 K 4 42

42 Izmenjalniki toplote izmenjava toplote med sredstvi ločeni s kovinsko steno koncentrične cevi, plošče grelnik napajalne vode, grelnik zraka, generatorji pare istotočni, protitočni Temperatura se vzdolž izmenjalnika spreminja Pri protitočnem strujanju so potrebne manjše ogrevne površine (24%) kot pri istotočnem strujanju z ozirom na enako toplotno moč. ϑ 1 ϑ 1 ϑ 1 ϑ 2 ϑ 2 ϑ 1 ϑ 2 ϑ 2 ϑ 1 ϑ 1 ϑ 1 ϑ 1 ϑ 2 ϑ 2 ϑ 2 ϑ 2 43

43 Parni kotli Proizvodnja pare višjega tlaka kot atmosferski Dovajanje toplote: iz lastnega kurišča (ogrevalni medij je plin iz zgorevanja) iz tujega kurišča (toplota izpušnih plinov motorjev, toplota iz reaktorja...) Energijski izkoristek parnega kotla: toplota zgorevanja se prenese na vodo in paro določenega p in T enačba PGZT toplotna bilanca energ. izkoristek možne izboljšave η k m i m i m i m i mi Q g g o z z o p p p 2 2 v m h m i m i m i g i g g o z z o p p o m h m i i m i i Q g i 2 1 p p p p o v m i i mh 2 1 g i 44

44 45

45 Parni kotli Eksergija je energija, ki se lahko pretvori v drugo obliko W Eksergija = energija anergija Eksergijska bilanca: Doveden zrak v kotel na temperaturi okolice nima eksergije Eksergijska enačba Eksergijski izkoristek zavisi od: m e m e me me m e E g g z z 1 2 p p v lastnosti goriva energijskega izkoristka začetnega stanja vode in končnega stanja pare (višja T in p) m e2 e1 hi e2 e1 h i s2 s 1 ξk k k1t0 mgeg eg i2 i1 eg i1 i1 46

46 47

47 48

48 Opis kotla 49

49 Varnostna oprema č) Črpalki: (motorni in parni pogon) o) odprtina za kontrolo notranjosti k) kalužni ventil za odstranjevanje gošče pv) protipovratni ventil, da se para ne vrača v kotel m) manometer meri tlak v kotlu z) zaporni ventil za paro v) varnostni ventil za paro (odpre pri prevelikem tlaku) p) prezračevalni ventil g) merilnik nivoja vode 50

50 Zgorevanje in uparjanje Pospeševanje zgorevanja: višja temperatura v zgorevalnem prostoru večja hitrost zraka glede na gorivo višji tlak v zgorevalnem prostoru večja aktivna površina goriva Popolnost zgorevanja nadzorujemo: vizuelno: barva dimnih plinov kemično: CO 2, O 2, CO Obtok medija - cirkulacija: naravni: različna gostota prisilna: dimenzija cevi, črpanje, hlajenje, ogrevanje... 51

51 52

52 53

53 Kurišča Priprava goriva za zgorevanje, popolno zgorevanje, odvajanje pepela Izvedba odvisna od goriva (plinasto, kapljevinasto, trdno) Priprava goriva: sušenje (segrevanje s toplim zrakom ali plini zgorevanja) izplinjenje, razplinjenje (ločitev hlapljivih ogljikovodikov s segrevanjem) zgorevanje trdnega ogljika in plinov (veliko O 2, velika hitrost zraka) Lastnosti kurišč: uporaba različnih goriv popolno zgorevanje s čim manj zraka malo lepljenje ogorkov na površine dober prenos toplote poceni konstrukcija enostavno vzdrževanje 54

54 Kurišča z rešetkami 55

55 Kurišča z rešetkami Prednosti verižne rešetke: lahko jih bolj toplotno obremenimo, saj se hladijo prilagodljiva hitrost menjava rešetnic med obratovanjem samočiščenje delno podpihovanje 56

56 Premogov prah Zgorevalna naprava je gorilnik (sl.2.18, sl.2.19) in ne rešetke Prednosti: prilagodljiva kurjava na obremenitev gorivo je lahko slabše kakovosti potrebna manjša količina zraka Slabosti: mletje premoga (krogle, kladiva, udarne plošče...) obraba mlinov čiščenje dimnih plinov (leteči pepel) vzdrževanje Kurišča: Krämer (sl.2.16), KSG (sl.2.17) 57

57 Sheme vbrizgavanja premogovega prahu 58

58 59

59 60

60 Ogrevalne površine Uparjalnik sistem cevi, komor in bobna Material odporen na toploto Delitev pregrevalnikov glede na prenos toplote: konvektivni sevalni kombinirani Regulacija temperature pregrete pare (sl.2.21, sl.2.22) Grelnik vode Grelnik zraka (sl.2.23, sl.2.24 Ljungström) Dodatno segrevanje zraka (sl.2.25) 61

61 62

62 63

63 64

64 Izvedba in uporaba kotlov Mnogovodni valjasti boben z veliko vode, dolg zagon, za manjše enote plamenični kotel (sl.2.26) dimnocevni kotel (sl.2.27) lokomobila (sl.2.28) kombinacija zgornjih Vodocevni sistem cevi, komor, bobna, manj vode, hitrejši zagon, večje enote poševnocevni sekcionalni kotel (sl.2.29, sl.2.30) sevalni kotel Sulzerjev kotel (sl.2.33) Bensonov kotel (sl.2.34) Izgube kotla: neizgoreli ostanki goriva v pepelu (5 %) leteči koks in saje (8 %) neizgoreli plini: CO, H 2, CH 4... (do 1 %) toplota dimnih plinov (7 % - 11 %) toplota sevanja na okolico (12 %) Izkoristki od 72 % do 91 % 65

65 66

66 67

67 68

68 69

69 70

70 Čiščenje dimnih plinov Plini: CO 2, H 2 O, CO, NO x, SO 2, C m H n Prah: leteči pepel, leteča žlindra, delčki koksa, saje Odpraševanje suhi in vlažni postopki: mehanski izločevalniki gravitacijski in centrifugalni (sl.2.37) elektrostatični izločevalniki (sl.2.41) vlažni zbiralniki (sl.2.44) znižuje temperaturo plina manjše dimenzije manj verjetne eksplozije cenejše korozija odpadla kapljevina in njeno zmrzovanje manjše hitrosti plinov v dimniku zaradi ohlajanja plina stroški obratovanja filter precejanje (kot sesalec) 71

71 72

72 73

73 74

74 Izločanje ostalih škodljivih snovi SO 2 : čiščenje goriva - drago izpiranje plinov z vodo z dodatki veliko vode odvajanje onesnažene vode vodna alkalna raztopina v zaprtem krogu Ogljikovodiki: dodatno zgorevanje NO x : boljša kurišča, čistilne naprave Emisija: izpuščanje, oddajanje snovi, energije... Imisija: koncentracija snovi v okolju, posledica emisije 75

75 Priprava vode za kotel Čista, mehka, pojav kotlovca Priprava vode: usedanje filtriranje termično in kemično odstranjevanje trdote apno, soda, natrijev lug, fosfat, permulit segrevanje vode s paro zaradi korozije odplinjevanje zaradi korozije 76

76 Zgorevanje premoga v fluidni plasti Racionalni postopek pridobivanja toplote iz premoga Mešanica premoga in peska Vpihavanje zraka Nižja temperatura v kurišču Sl.2.46, sl.2.48 Regulacija moči: debelina plasti hitrost zraka količina zraka temperatura zgorevanja Z dodatki zmanjšamo količino SO 2 Uporaben tudi premog slabše kakovosti Potrebna energija za vpihovanje in mletje 77

77 78

78 79

79 Parne turbine Pretvorba tlačne in toplotne energije v mehansko Para ekspandira v vodilnih (in gonilnih) kanalih Ekspanzijsko delo poveča kinetično energijo pare V gonilniku para spremeni smer in odda energijo rotorju Podobno kot pri hidro turbinah Prednosti: velika relativna moč visoka zanesljivost v obratovanju veliko obratovalnih ur počasen zagon/ustavljanje veliko hladilne vode 80

80 Strujanje pare Različna stanja pare pri različnih prerezih cevi Za strujanje potrebujemo spremembo tlaka pretvarjanje W Pretok mase je stalen, ostale veličine se spreminjajo Sl.3.1 S1c1 S2c2 Sc konst. v v v 1 2 S prerez c hitrost v specifični volumen 81

81 potenc potenc w Fg mgh J w gh J/kg 2 E c wkin e J/kg m 2 bilanca splošna oblika : q g h h i i 2 enačba glede na notranje stanje pare: dq di vdp q q i i vdp 12 tr Strujanje pare 2 2 c1 c2 gh1 u1 p1v 1 q12 gh2 u2 p2v2 2 2 c c prirast W k v toplotnih enotah i i q q vdp 1 12 tr 2 2 c2 c1 g h2 h1 wtr vdp Primeri končnih enačb: horizontalna cev izolirana cev strujanje brez izgub h c q h 2 1 c i 2 i 1 2 i i vdp w 1 2 ot 1 q c tr w c tr 0 2 vp d 1 82

82 Sl.3.2 Strujanje pare Iz razlike entalpije in hitrosti na začetku dobimo hitrost na koncu (c 1 << c 2 ) Razlika entalpije ali toplotni padec c1,41 i Strujanje ni adiabatna sprememba zaradi trenja, ki oddaja q Manjši padec toplote 83

83 Enakotlačne parne turbine Izrabljamo kinetično energijo Vse entalpijski padec se porabi za pospeševanje v vodilniku Podobno kot pri hidro turbinah Načeloma ni reaktivnosti Moč na obodu rotorja: P 2u c u o 1 brez izgub: c c P c c 2 2 Po 4 u ηu 1 Pomax c1 c1 2 o 1 omax ko je u 0 1 zanemarimo izg. v šobi 84

84 Nadtlačne parne turbine Del entalpijskega padca pare se pretvori v kinetično energijo v gonilniku Zoževanje kanala proti izhodu hitrost pare raste Sl.3.9 padec toplote v stat. in rot. lopaticah: h 0 =i 1 -i 2 Trikotnik hitrosti: sl.3.8, sl Wo Po 0 0 u 2 1 omax Maksimalni izkoristek pri malem kotu α 1, če je obodna hitrost približno enaka izstopni hitrosti pare η 2u u 2cos c c E P u u 1 2 cos1 c0 c0 85

85 86

86 Izgube in izkoristki parnih turbin Toplotne (notranje) izgube: izgube v šobah izgube v vodilnih lopaticah izgube v delovnih lopaticah izhodne izgube izgube zaradi popuščanja izgube zaradi uhajanja toplote... Izgube v šobah in vodilnem lopatju: medsebojno trenje medija in ob steno manjša izhodna hitrost, večja entalpija pare Izgube v delovnem lopatju: udarec pare v rob lopatic, vrtinci Izhodne izgube: izhodna hitrost večja od 0 87

87 Izgube in izkoristki parnih turbin Izgube zaradi ventilacije in trenja: Sl.3.13 če je polni dovod pare, teh izgub ni oz. so majhne Izgube skozi reže: med pregradnimi stenami,pesto kolesa, med statorjem in rotorjem, ob tesnilih Zunanje termične izgube: hlajenje, sevanje Mehanične izgube: trenje v ležajih, pogon črpalk, regulatorjev Izkoristek: sl.3.14 delovni cikel elektrarne sl.3.15 W q q i i i i i i o k o 3 1 2o q q H η th... q q k 0 0 k k 88

88 89

89 90

90 Izgube in izkoristki parnih turbin Notranji izkoristek: padec tlaka v cevovodu zaradi trenja hlajenje preobrazba ni adiabatna (trenje) Zaradi izgub dobimo na izhodu večjo entalpijo Večji kondenzator Mehanični izkoristek: Efektivna moč turbine: η m Pe P i h i ηi 85 % do 90 % h0 P η η P =η η D i i e m m 0 m m 1 2o P0 teoretična moč turbine D pretok pare 91

91 Izvedbe turbin Sl.3.17 Delitev turbin: reaktivnost: enakotlačne nadtlačne smer pretoka: aksialne radialne končni tlak: kondenzacijske protitlačne 92

92 Enostopenjske enakotlačne turbine Sl.3.18 Ekspanzija v šobi Pretvorba dela Q v W kin v šobi Za dober izkoristek: obodna hitrost 2-krat manjša kot izhodna Zaradi prevelikih hitrosti parcialna delitev toplotnega padca več sistemov lopatic Deluje kot Peltonova turb. Slab izkoristek 93

93 Večstopenjske enakotlačne turbine Zmanjšamo obodno hitrost za boljši izkoristek Turbine s stopnjevanjem hitrosti Curtis-ove turbine sl.3.19 Statorske lopatice usmerjajo medij, ni ekspanzije Turbine s stopnjevanjem tlakov sl kombinacija Ekspanzija pare le v statorju (pospeševanje) Dober izkoristek: od 0,68 do 0,86 Postopen padec tlaka in temperature težave pri obratovanju 94

94 95

95 96

96 Nadtlačne turbine Sl.3.21 Lopatice statorja in rotorja enake Ekspanzija v rotorju in statorju Tlak stalno pada, višina lopatic se veča, ker se veča volumen Reaktivnost 0,5 Najboljši izkoristek pri u = c 0 Velike izgube med režami (zato želimo manjše tlakove) Kombinacija več vrst turbin Primer radialne turbine sl.3.22 dva rotorja, ni statorja 97

97 98

98 Kondenzacijske turbine Sl.3.23 Želimo čim večji entalpijski padec v turbini Pomemben kondenzator in hladilna voda Nekatere stopnje turbine delujejo v področju mokre pare Na srečo ni v vodi kondenzacijskih jeder in še ni kapljic Ob podhladitvi nagla kondenzacija Kapljice zavirajo turbino, dodatne izgube Reže na ohišju turbine za odvajanje vode Količina medija skozi stopnje lopatic se zmanjšuje 99

99 100

100 Protitlačne turbine Tlak na izhodu turbine večji kot v kondenzatorju rezerva Preostala para za tehnološke procese v industriji ali ogrevanje Večji odvzem pare, manj mehanske W, več toplotne W W meh premosorazmerna količine pare za porabnike Nestalna proizvodnja električne energije, odv. od potreb po Q Sl.3.28, sl

101 102

102 Reguliran odvzem pare Odpravlja slabost protitlačne turbine sl.3.30 Visokotlačni in nizkotlačni del - različni ohišji, ista os 103

103 Konvencionalne TE 104

104 Regulacija parnih turbin Nastavljanje moči turbine glede na zunanjo obremenitev Regulacija: dušenje pare na vstopu zmanjšanje tlaka padec entalpij Sl.3.35 količina pare z ventili Sl.3.36 kombinacija groba in fina regulacija P η η P =η η D i i P e m i 0 m i 1 2o 0 teoretična moč turbine D pretok pare 105

105 106

106 Kondenzator Hladilna voda Odvajamo toploto Nastanek kondenzata Kondenzatna in napajalna črpalka Nizek tlak, ohladitev Priprava vode za kotel Sl

107 Delitev TE: po vrsti pogonskih strojev parna turbina (tudi NE, geoterm.) plinska turbina dieselski motor po načinu izkoriščanja pare kondenzacijske TE-TO po gorivu trdo kapljevito plinasto po načinu hlajenja pretočno povratno Parne TE 108

108 Vezava kotlov Sl

109 Instalirana moč TE Potrebe po energiji Omejena količina goriva Deponija Količina hladilne vode Prostorska omejitev Možnost transporta Skladiščenje pepela, odpadkov Sl GH Pi wt 0 i sr 0 i kw G - razpolož. količina premoga H w T sr - kurilnost - srednja spec. poraba Q - št. obratovalnih ur v letu 110

110 111

111 Izkoristki Proces v TE: Sl.4.11 Dejanski proces: Sl.4.12 η η th th i i i i i i i i i i i i i 5 6 ' 5 i

112 Izkoristki Efektivni izkoristek: η e th k p i m th k p i m e η η η η η η - termični izkoristek η - izkoristek kotla η - izkoristek parovoda η - notranji izkoristek turbine η - mehanski izkoristek η - izkoristek na osi turbine Izkoristek na sponkah generatorja: Izkoristek na pragu elektrarne: Kako izboljšati termični izkoristek? η el e g g η η η - izkoristek generatorja elp el lr η η 1 P P spon. gen. - lastna raba 113

113 Vmesno pregrevanje pare Sl.4.13, 4.14 Pregrevanje delno eksp. pare v kotlu ali s svežo paro: Dodatna visokotlačna turbina: sl.4.16 η th i5 i6 i7 i8 i i i i

114 115

115 Segrevanje kondenzata s paro iz turbine Prednosti: izboljša se termični izkoristek izboljša se notranji izkoristek turbine (manjše izgube) manjši kondenzator vpliv na velikost kotla, grelnikov vode in zraka manj hladilne vode Sl.4.19, 4.20, 4.21 η i i p k p k p pl th ηth ip i1 ip i1 a ip ipl i i a i i 116

116 117

117 Tlak in temperatura sveže pare na vhodu turbine Sl.4.24,

118 Kogeneracija električne energije in toplote Izkoristek TE pri proizvodnji električne energije je nizek Pri kogeneraciji je izkoristek primarnega vira boljši Neizkoriščeno paro na izhodu turbine namenimo ogrevanju, industriji Sl.4.28 možne izvedbe TE-TO 119

119 120

120 Tehnične rešitve s parnimi turbinami Odvisno od značilnosti porabe toplote: komunalna poraba kombinirana komunalna in tehnološka poraba TE-TO za daljinsko ogrevanje in industrijske potrebe: industrija potrebuje toploto v pasu omrežje za ogrevanje bolj razvejano večje izgube potrebna boljša zanesljivost za industrijo oddaja toplote v omrežje za industrijo pri različnih tlakih boljša regulacija za industrijo Primer 1: kondenzacijska turbina: Sl.4.29 in 4.30 Primer 2: protitlačna turbina: Sl.4.32 in

121 122

122 123

123 Izkoristek kogeneracije Del pare D T se predčasno odvzame za ogrevanje Del pare D K gre skozi nižje stopnje turbine v kondenzator Kondenzacijski režim: D D D S T K P P P E ET EK Protitlačni režim: stalno razmerje med toplotno in električno močjo P P E T W i S i i i T T i η TG η S T EP TG T it W W W EK E EP W P D i i D i i E T S T K S K TG Di η 124

124 Energetsko vrednotenje Posredna in neposredna poraba primarne energije Izkoristek TE-TO večji kot izkoristki elektrane in toplarne E T E T W W W prim prim prim Izkoristek odvisen od entalpije pare, ki jo odvzamemo Pomembne tehnične karakteristike ločenih objektov 125

125 126

126 127

127 128

128 129

129 Lastna raba v TE 6 do 10 % Največje pri premogu z nizko kurilnostjo Porabniki: mlini za premog napajalne črpalke črpalka za hladilno vodo kondenzatne črpalke sesalni, potisni ventilatorji Napajanje lastne rabe mora biti zanesljiva Sl.4.40-sl

130 131

131 Stroški izgradnje in cena energije TE Specifični investicijski strošek odvisni od: velikosti agregata parametrov pare I ip i SIT i - invest. strošek P inst preskrbe z vodo terenskih razmer dovoznih poti Skupni letni stroški: stalni spremenljivi TE-TO: S c W c Q e S s p pip i SIT/leto S c W q c W sp g sr t SIT/leto 132

132 Lokacija TE Dejavniki: možnost priključka na omrežje dovoz in deponija premoga, plinovod preskrba z vodo teren možnost razširitve okoljevarstvo TE ob rudniku ali ob centru porabe? Mejna razdalja: l m 2 pi it qsrctt0 3 km f 2 qsrt0 ct pi iv Hi 3 pit lm f q t i H sr 0 v i km 0,03 0,0002l P kw l P 1 SIT/leto P P '' Sskup pp i l ivl it 2 W Pt0 kwh/leto 3 2 W lw 3 '' 2 Sskup qsrctw 1 l 3 S S s pip q W c sp sr t i f l Hi 133

133 TE s plinskimi turbinami Medij je plin Plinasto, kapljevito, trdo gorivo Kompresor, komora za zgorevanje, plinska turbina Sl.5.1,

134 Izkoristek: sl.5.3 TE s plinskimi turbinami Q Q T T ηth 1 Q T T e PRIMER NA VAJAH! η W Wtηt η Q Izboljšanje izkoristkov: k k toplota izhodnih izpušnih plinov večstopenjska kompresija in ekspanzija Segrevanje komprimiranega zraka pred vhodom v zgor. komoro Sl.5.5, sl

135 136

136 TE s plinskimi turbinami Termični izkoristek: ' Qdov cp T3 T2 cp T3 T4 ' Qodv cp T4 T1 cp T2 T1 Sl.5.9 Q Q T T ηth 1 Q T T dov odv 2 1 dov

137 TE s plinskimi turbinami Večstopenjska kompresija in ekspanzija izboljšata izkoristek Sl.5.10 Dodatna voda za hlajenje, izboljša se efektivni izkoristek za 10 % 138

138 TE s plinskimi turbinami Večstopenjska ekspanzija s ponovnim segrevanjem Sl.5.11 Izboljša se efektivni izkoristek še za 10 % Plinska TE s 3-stopenjsko komp. in eksp. doseže η e > 35 % Sl

139 140

140 Idealni plinski proces Eriksonov proces: sl.5.15, sl.5.16 Q c T T p 3 2 Q c T T 0 p 4 1 izoterma: zunanje delo = teh. delo p RT ln q q p T ηth 1 q p RT3 ln T p

141 Uporaba agresivnih goriv Delovni medij ločen od plinov zgorevanja Lahko je odprt ali zaprt sistem sl.5.17 in sl.5.18 Veliko hladilne vode 142

142 Posebne izvedbe Sl.5.19, sl

143 Primerjava parnega in plinskega postroja Drugačen medij Plinski nima kotla, kemične in termične priprave vode Plinski nima kondenzatorja, manj hladilne vode Primerljivi izkoristki Manjši zagonski čas plinske TE Manj potrebnega prostora za plinsko TE Nizki investicijski, gradbeni stroški pri plinski TE Enostavne pomožne naprave pri plinski TE Lahko odprt sistem pri plinski TE Dražje gorivo pri plinski TE Krajša življenjska doba plinskih TE Plinske TE za manjše moči 144

144 Kogeneracija s plinsko turbino Veliko odpadne toplote je mogoče izkoristiti Sl.5.23, sl.5.24 Prednosti: proizvodnja W el neodvisna od proizvodnje W topl velika elastičnost kratek čas zagona mala tlorisna površina odpadna voda uporabna za daljinsko ogrevanje 145

145 146

146 Nuklearna energija Reaktor nadomešča kurišče Kemična procesa: fisija - razpad jedra z veliko maso na dve manjši jedri fuzija - zlivanje jeder Defekt mase je energija: Cepitev težkih elementov: 92 U 235, 92 U 233, 94 Pu 239 Zgradba atoma: pozitivno jedro z nukleoni (masno število A): protoni (vrstno število Z) nevtroni (A Z) kroženje elektronov 2 E mc Izotopi atomi z enakim Z in različnim A, enake kemične, različne fizikalne lastnosti 147

147 Nuklearna energija H D He n p e e 1 4 jedro atoma vodika, proton Masno število: Preračun mase v gramih: devterij, težki vodik 1934, Urey, Nobelova nagrada alfa delec nevtron proton elektron β delec pozitron β delec 1 1 EM mase 6C Avogardovo število: 23 L 6, št. delcev v molu snovi m m g L Energija: EM 19 naboj elektrona: e 1, As 1eV 1 EM 931 MeV 148

148 Nuklearna energija Defekt mase: 149

149 Nuklearna energija Razpolovna doba 150

150 Nuklearna energija 151

151 Nuklearni reaktor Vzdrževanje verižne reakcije Vsebina: nuklearno gorivo moderator (upočasnitev nevtronov) sredstvo za odvajanje toplote reflektor (odbija nevtrone) biološki ščit regulacija požiranje nevtronov (bor-b, kadmij-cd, hafnij-hf) 152

152 Verižna reakcija Sproščeni nevtroni pospešujejo reakcijo Odvečne osvobojene nevtrone absorbiramo regulacija Sl.6.4 Udarni presek: interakcija nevtrona z jedrom atoma: trk: elastičen neelastičen absorpcija (pride do cepitve) Delitev nevtronov: termični (W kin < 0,1 ev) srednje hitri (0,1 ev < W kin < 1000 ev) hitri (W kin > 1000 ev) Sl.6.5 in

153 Verižna reakcija U-238 ni gorivo, razpade v Pu

154 Verižna reakcija Moderator: upočasnitev hitrih nevtronov na termični nivo velik uspešni presek trkov mali presek absorpcije navadna voda, težka voda, grafit Faktor multiplikacije: nadkritičen reaktor kritičen reaktor podkritičen reaktor Sl.6.7 k ef = n 0 Oplodni reaktorji (breeder-ji): proizvodnja goriva k -1 ef k k -1 ef ef n reaktivnost reaktorja stopnja reaktivnosti 155

155 Verižna reakcija 156

156 Regulacija reaktorja Nastavitev k ef na 1 Uporaba regulacijskih palic, ki požirajo nevtrone Zastrupitev reaktorja (ksenon, samarij) Dobrodošel učinek zapoznelih nevtronov: čas generacije 0,1 s 157

157 Tipi reaktorjev Zgodovina: GCR gas cooled reactor, hlajenje s CO 2 LWGR light water graphite reactor, hlajenje z vodo in paro AGR advanced graphite reactor HTGR high temperature gas reactor, keramika in helij STR submarine test reactor (podmornice) PWR pressurized water reactor (za elektrarne) VVR reaktor voda-voda (podmornice, voda hladi in moderira) BWR boiling water reactor (voda hladi in moderira) RBMK, voda hladi, grafit moderira SGHWR steam generating heavy water reactor (težka voda moderira) CANDU, uporaba naravnega urana GBR gas breeder reactor LMFBR liquid metal fast breeder reactor 158

158 Tipi reaktorjev Delitev reaktorjev po hladilnem sredstvu: z vodo pod tlakom: hlajenje in modriranje z navadno vodo: PWR, VVR hlajenje in modriranje s težko vodo: HWR z vrelo vodo: hlajenje in modriranje z vrelo navadno vodo: BWR hlajenje z vrelo navadno vodo in moderiranje s težko vodo: SGHWR hlajenje z vrelo navadno vodo in moderiranje z grafitom: LWGR s plinom: hlajenje s plinom in moderiranje z grafitom I. generacije: GCR hlajenje s plinom in moderiranje z grafitom II. generacije: AGR hlajenje s plinom in moderiranje z grafitom pri visoki temperaturi: HTGR hitri oplodni reaktorji hlajeni s plinom: GBR s tekočimi kovinami: hitri oplodni reaktorji hlajeni s tekočimi kovinami: LMFBR 159

159 Tipi reaktorjev Dejavniki pri odločitvah: cena izgradnje zanesljivost enostavnost pri obratovanju in vzdrževanju standardizacija komponent Najpogostejši tipi reaktorjev: PWR, BWR, HWR, GCR Delitev reaktorjev glede na gorivo: homogen: pomešano z moderatorjem heterogen: v obliki palic ali plošč 160

160 PWR reaktor Dva ločena hladilna kroga: primarni in sekundarni NEK ima dva primarna hladilna kroga 161

161 Reaktor Sl.6.12 Sl.6.13 Ostali elementi elektrarne: uparjalnik obtočna črpalka tlačnik zaščitna posoda pomožni sistemi reaktorja: odvajanje preostale toplote (po prekinitvi reakcije) prostorninska in kemična kontrola (za hladilno vodo) zaščita hlajenja jedra (rezervno hlajenje) hlajenje nuklearnih komponent (izmenjalniki toplote, črpalke) tuširanje zaščitne posode (po okvari na primarnem krogu) 162

162 163

163 164

164 Sekundarni krog Podobno kot pri klasičnih TE Posebnosti: delovni medij je nasičena para nizkega tlaka veliki pretočni prerezi vlaga v turbini separiranje pare regulaciji turbine in reaktorja povezani rezervne črpalke in hladilni krog Sl

165 166

166 Zaščita pred sevanjem Enostavna zaščita pred α in β žarki Žarki γ in nevtroni potrebujejo debel oklep Zaščite v elektrarni: tablete naložene v srajčkah v palicah, obloga gorilnih palic... reflektor na steni reaktorja drugi zaščitni sloj iz grafita (zavira) in bora (absorbira) biološki ščit (beton s primesmi do 3 m debeline) izbira lokacije, oddaljenost od naselij 167

167 Proizvodnja električne energije 168

168 Obratovalne lastnosti in ekonomika Počasen proces: polna obremenitev v eni uri, počasne spremembe obremenitve možna trenutna razbremenitev nevarnost zastrupitve reaktorja Smotrno obratovanje elektrarn, sl.6.26 Lastna raba: zanesljiva, redundanca neodvisni viri napajanja podvojenost zbiralk fizična ločitev opreme (požar...) 169

169 Obrestno obrestni račun 170

170 Pokrivanje potreb po električni energiji Vpliv: nihanje porabe električne energije nihanje hidrologij remonti (se planirajo) neplanirani izpadi rezerva: hladna (elektrarne razpoložljive, a ne obratujejo) topla (elektrarne obratujejo na tehničnem minimumu) rotirajoča (elektrarne, ki še ne obratujejo z maksimalno močjo) pokrivanje izpada največje enote v sistemu pomoč drugih sistemov rezerva prirastka (pomembna rast porabe) Kompromis med zanesljivostjo napajanja in investicijami 171

171 Pokrivanje potreb po električni energiji HE: trenutne, razen tiste z dolgimi dovodnimi kanali pokrivanje vršne energije glede na razpoložljivo količino vode TE: počasne (termični procesi) zagonski stroški obratujejo s čim nižjimi spremenljivimi stroški (gorivo) kogeneracija prednostno dispečiranje (zakonodaja) vpliv trga regulacija (sistemske storitve) remonti 172