ZAKRES EGZAMINU
DYPLOMOWEGO

Zagadnienia konstrukcyjno –
technologiczne
(Zakres 2.7 – 2.8)

2.7 Tłokowe silniki cieplne

•

2.7.1 – Podstawowe pojęcia

•

2.7.2 – Rodzaje tłokowych silników cieplnych

•

2.7.3 – Zasada działania silnika tłokowego cieplnego

•

2.7.4 – Obiegi teoretyczne

•

2.7.4.1 – Obieg Otto (silnik o zapłonie iskrowym)

•

2.7.4.2 – Obieg Diesla (silnik o zapłonie samoczynnym)

•

2.7.4.3 – Obieg Sabathego

•

2.7.5 – Obiegi rzeczywiste

•

2.7.6 – Przyczyny różnic obiegów

•

2.7.7 – Krótki opis silnika: 2 i 4 – suwowego

2.7.1 Podstawowe pojęcia

•

Silnik – maszyna służąca do zamiany energii chemicznej paliwa na
energię mechaniczną w procesie spalania.

•

Silnik o spalaniu zewnętrznym – na elementy robocze działa czynnik
roboczy ogrzany ciepłem pochodzącym ze źródła zewnętrznego (np. silnik
Stirlinga)

•

Silnik o spalaniu wewnętrznym – na elementy paliwa działają
bezpośrednio gazowe produkty spalania paliwa, przemiana energii
zachodzi we wnętrzu urządzenia

•

Silnik tłokowy – silnik wykorzystujący do wytwarzania pracy ruch tłoka w
cylindrze, tłok jest połączony z wałem korbowym, od którego jest
odbierany moment obrotowy

•

Silnik tłokowy spalinowy – silnik o spalaniu wewnętrznym, w którym
energia eksplozji spalanego paliwa jest zamieniana na energię
mechaniczna

•

Silnik turbinowy – silnik wykorzystujący przepływ gorący spalin lub innych
gazów roboczych, na jednym wale zainstalowano sprężarkę powietrza,
komorę spalania i urządzenia pomocnicze (komora wylotowa, komora
wlotowa i wtryskiwacze paliwa)

2.7.2 Podział tłokowych silników cieplnych

•

1) Ze względu na czynnik roboczy

•

- spalinowe, parowe, hydrauliczne, pneumatyczne

•

2) Ze względu na rodzaj ruchu tłoka

•

- posuwisto – zwrotne (suwowe), przeciwbieżne krążące (obrotowe)

•

3) Ze względu na system zapłonu

•

- iskrowy (wymuszony), samoczynny

•

4) Ze względu na liczbę suwów w cyklu roboczym

•

- dwusuwowe, czterosuwowe

•

5) Ze względu na prędkość obrotową

•

- wolno - , średni- i szybkoobrotowe

2.7.3 Zasada działania silnika tłokowego
cieplnego

•

Ruch tłoka wywołany ciśnieniem spalin powstających przez spalanie
mieszanki palnej (paliwowo – powietrznej) wewnątrz cylindra.
Najpowszechniej stosowanym typem silnika jest o posuwisto –
zwrotnym ruchu tłoka w cylindrze (silnik suwowy). W silnikach
suwowych tłok uszczelniony pierścieniami tłokowymi zamyka
cylinder silnika, posuwisto – zwrotny ruch tłoka jest zamieniony
przez mechanizm korbowodowy na ruch wału korbowego, dopływ
mieszanki (lub powietrza) do cylindra i usuwanie z niego spalin
reguluje układ rozrządu. Silniki dwusuwowe mają prostszą
konstrukcję i tańszą eksploatację od czterosuwowych ale mają
większe zużycie paliwa, emisję zanieczyszczeń oraz problemy ze
szczelnością. Silniki z zapłonem samoczynnym posiadają prostszą
konstrukcję, mniejsze zużycie paliwa i brak elektrycznego zapłonu w
porównaniu z silnikami o zapłonie iskrowym ale mają bardziej
skomplikowaną konstrukcję.

2.7.4 Obiegi teoretyczne

2.7.4.1 Obieg Otto (silniki z zapłonem iskrowym)

Ciepło jest odprowadzane i doprowadzane przy stałej
objętości (izochorycznie). Sprężanie i rozprężanie
odbywają się adiabatycznie przy stałej entropii.
Praca jest wykonywana tylko podczas rozprężania
Sprawność termiczna rośnie wraz ze wzrostem
(stopień kompresji) i stosunku ciepeł właściwych
ale nie zależy od ilości doprowadzonego i odprowadzonego
ciepła (obciążenie silnika). Stosowany jest jako obieg
porównawczy dla silników z zapłonem iskrowym
przy kompresji < 8,5. Przy większych wartościach
zachodzi spalanie detonacyjne. Stosunek kompresji
Waha się w granicach = 6,5 – 8,5.
Spręż = Sprawność termiczna = 1 -

•

 

2.7.4.2 Obieg Diesla (silnik z zapłonem samoczynnym)

Ciepło doprowadzona się przy stałym ciśnieniu (izobarycznie),
a odprowadza się przy stałej objętości (izochorycznie).
Sprężanie i rozprężenie są adiabatyczne (izentropowe).
Praca zewnętrzna wykonywana jest przy przemianie izobarycznej
i izentropowej. Sprawność termiczna rośnie wraz ze wzrostem
stosunku kompresji i wzrostem stosunek ciepeł właściwych ,
a maleje wraz ze wzrostem stopnia obciążenia .
Stopień kompresji wynosi = 14 – 22.
Obieg porównawczy dla silników o zapłonie samoczynnym
z wtryskiem paliwa za pomocą sprężonego powietrza. Mniej
przydatny jako obieg porównawczy dla współczesnych silników o zapłonie
samo –
czynnym .
Spręż = Sprawność termiczna = 1 -

•

 

2.7.4.3 Obieg Sabathego

Najbardziej ogólna postać obiegu porównawczego dla tłokowych
silników spalinowych. Doprowadza się ciepło częściowo przy stałej
objętości (izochorycznie) i częściowo przy stałym ciśnieniu
(izobaryczne). Odprowadzanie ciepła odbywa się przy stałej
objętości (izochorycznie). Sprężanie i rozprężanie odbywają się
adiabatycznie (izentropowo). Praca jest wykonywana podczas
izobarycznego doprowadzania ciepła oraz izentropowego
rozprężania. Sprawność termiczna rośnie wraz ze wzrostem
stopnia kompresji i stosunku ciepłe właściwych
stopnia izochorycznego wzrostu ciśnienia , natomiast maleje
ze wzrostem stopnia obciążenia .
Spręż = Sprawność termiczna

•

 

2.7.5 Obiegi rzeczywiste

Rzeczywiste obiegi odbiegają od teoretycznych. Uzyskuje się poprzez
indykowanie silnika we współrzędnych ciśnienie – objętość lub czas – ciśnienie.
Indykowanie to pomiar szybkozmiennych ciśnień w cylindrze silnika i stanowi
podstawę jakościowo – ilościowej analizy zjawisko cieplno – chemicznych
zachodzących w silniku. Przedstawienie zmian ciśnienia roboczego w cylindrze
w czasie całego pełnego obrotu. Zamknięty wykres obrazuje przebieg ciśnienia
czynnika roboczego w cylindrze w funkcji chwilowej objętości komory spalania
lub drogi tłoka. Służy do porównania obiegów rzeczywistych i teoretycznych.

2.7.6 Przyczyny różnic obiegów

•

Przyczynami różnic występujących podczas porównania obiegów
teoretycznych i rzeczywistych:

•

- procesy pracy silnika są nieodwracalna

•

- doprowadzanie ciepła zachodzi podczas spalania paliwa

•

- uwzględnienie wymiany ciepła miedzy ładunkiem i ściankami
silnika

•

- uwzględnienie strat przepływowych podczas napełniania i
opróżniania cylindra

•

- w cylindrze po zakończeniu wydechu pozostają pewne ilości spalin,
więc w czasie pracy silnika czynnik roboczy to mieszanka świeżego
ładunku i pozostałości spalin

•

Spalanie stukowe – lokalnie dochodzi w silniku do samozapłonu
mieszanki przyczyniając się do powstanie lokalnego impulsowego
wzrostu ciśnienia i temperatury. Zachodzi, gdy paliwo ma zbyt małą
liczbę oktanową, a stopień sprężenia jest zbyt duży.

2.7.7 Krótki opis silnika: 2 i 4 – suwowego
(zapłon iskrowy i samoczynny)

•

Silnik 2 – suwowy o zapłonie
iskrowym

Dwusuwowy cykl pracy. W 1 suwie
zostaje zassana oraz sprężona
mieszanka palna przez ruch tłoka ku
górze. Zapłonu dokonuje się za
pomocą iskry elektrycznej.
Uwalniająca się energia w procesie
spalania wymusza ruch tłoka ku
dołowi. Otwiera się otwór wydechowy
i spaliny zostają wyrzucone z
cylindra. Ruch tłoka ku dołowi to suw
rozprężenia czyli pracy.

•

Silni 4 – suwowy o zapłonie
samoczynnym

Czterosuwowy cykl pracy. W suwie
ssania tłok porusza się ku dołowi
zasysając mieszankę palną.
Następnie ruch tłoka ku górze
powoduje sprężenie mieszanki palnej.
Sprężenie następuje do wysokich
wartości stopnia sprężenia. Rośnie
temperatura powietrza i zmniejsza
się objętość. Do ogrzanego powietrza
wtryskuje się niewielką dawkę paliwa.
Przekroczenie temperatury zapłonu
paliwa inicjuje eksplozję, której
energia parcia wymusza rozprężanie
(cykl pracy). Na końcu w suwie
wydechu tłok poruszając się w górę
wypycha spalin.

2.8 Reaktory jądrowe w energetyce

•

2.8.1 – Podstawowe pojęcia

•

2.8.2 – Chłodziwo, reflektor i moderator

•

2.8.3 – Paliwo

•

2.8.4 – Podział reaktorów

•

2.8.5 – Krótki opis najważniejszych reaktorów

•

2.8.6 – Reaktory III generacji zmiany

2.8.1 Podstawowe pojęcia

•

Reaktor jądrowy – urządzenie służące do kontrolowanej produkcji energii
w oparciu o rozszczepiania jader atomowych izotopów pierwiastków
promieniotwórczych

•

Neutron – cząstka występująca w jądrze atomowym wspólnie z protonem,
obojętny ładunek elektryczny, inicjuje reakcje rozszczepiania jader
atomowych

•

Rodzaje neutronów:

•

- termiczne: E < 0,1 eV

•

- prędkie: E > 1MeV

•

Neutrony termiczne posiadają większą wydajność rozszczepieniową, duży
przekrój czynny na rozszczepianie i mały na pochłanianie neutronów.

•

Izotop – odmiana tego samego pierwiastka różnicą się liczbą neutronów w
jądrze atomowym

•

Promieniowanie neutronowe – strumień neutronów o dużej przenikalności
nalężący do promieniowanie przenikalnego powstającego podczas
wybuchu bomby atomowej: emitowane są dwa rodzaje neutronów:
termiczne i prędkie

•

Rozpad promieniotwórczy izotopu uranu U – 235

•

Wolny neutron wnika do jądra atomowego izotopu i destabilizuje
jego strukturę. Dochodzi do rozpadu na dwa fragmenty o zbliżonych
masach. Towarzyszy temu emisja neutronów i promieniowanie.
Izotop U -235 rozpada się na dwa fragmenty o liczbach masowych:
pierwszy 90 – 100 i drugi 135 – 145. Najczęściej powstaje krypton i
bar.

•

= + + 3 ◦ + Q

•

•

 

2.8.2 – Moderator, chłodziwo i reflektor

•

1) Moderator

•

Materiał posiadający zdolność spowalniania neutronów prędkich do
poziomu termicznych przez dobieranie energii kinetycznej
(prędkości). Najwięcej energii neutron traci w czasie zderzeń
sprężystych, najlepiej z cząstkami o zbliżonej masie do masy
neutronu. Najważniejsze cechy materiału na dobry moderator:

•

- lekkie jadra

•

- duży przekrój czynny na rozpraszanie

•

- mały poziom absorpcji (pochłaniania) neutronów

•

Najczęściej stosowanymi moderatorami są:

•

- lekka woda (zwykła)

•

- ciężka woda

•

- grafit (C)

•

- beryl (Be)

•

 

•

Własności moderatorów:

Moderator

Zalety

Wady

Lekka woda

- dobre własności
spowalniania
neutronów
- duża dostępność

- duża absorpcja
neutronów
- konieczność
stosowania paliwa
wzbogacanego

Ciężka woda

- bardzo dobre
własności spowalniania
neutronów
- mała absorpcja
neutronów termicznych
- możliwość użycia
uranu naturalnego

- wysoka cena
- powiększenie
rozmiarów reaktorów

Grafit

- lepsze własności
spowalniania
neutronów niż lekka
woda
- odporność na wysokie
temperatury

- zdolność do absorpcji
neutronów
- zapłon w kontakcie z
powietrzem
- wysokie nakłady na
przygotowanie
- osłabienie własności
mechanicznych wraz ze
wzrostem
napromieniowania

Beryl

- odporność chemiczne
i mechaniczne
- dobre własności
odbijania neutronów
- bardzo mały przekrój
czynny na pochłanianie
neutronów

- dostępność
ograniczona
- wysoka cena

•

2) Reflektor

•

Warstwa materiału otaczająca rdzeń reaktora o właściwościach
odbijających neutrony z powrotem do materiału rozszczepialnego
(rdzenia reaktora). Pozwala na wyrównanie strumienia neutronów w
rdzenia oraz ograniczenie ucieczki neutronów na zewnątrz.

•

Najważniejsze cechy charakterystyczne materiału na reflektor:

•

- duży przekrój czynny na odbijanie neutronów

•

- mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów

•

Materiały wykorzystywane w funkcji reflektora:

•

- lekka woda (zwykła woda)

•

- ciężka woda (

•

- grafit (C)

•

- beryl (Be)

•

 

•

3) Chłodziwo

•

Substancja odbierająca ciepło wydzielane w reaktorze jądrowym i
wykorzystywane następnie do wytwarzania pary i w ostateczności
uzyskania energii elektrycznej.

•

Najważniejsze własności substancji na chłodziwo:

•

- duża pojemność cieplna

•

- właściwości fizyczno – chemiczne

•

- dostępność

•

- wpływ na pracę układu

•

Najczęściej wykorzystywane substancje w funkcji chłodziwa:

•

- lekka woda

•

- ciężka woda

•

- gaz (hel, dwutlenek węgla)

•

- sód

•

Własności chłodziw:

Chłodziwo

Zalety

Wady

Lekka woda

- Duża pojemność

cieplna

- Duży dostęp

- Niska cena

- Stałość własności w

szerokim zakresie
temperatur

- Nie toksyczna

- Silne własności

korozyjne

(zwłaszcza w wysokich
temperaturach)
- Ograniczone
parametry
termodynamiczne
czynnika obiegowego

Ciężka woda

- Wyższe parametry od

lekkiej wody

- Większa gęstość

- Nie toksyczna

- Trudny dostęp

- Wysoka cena

- Skomplikowane

techniki pozyskania

Gaz

- Obojętność

chemiczna

- Łatwość w dostępie

- Wyższe parametry

czynnika obiegowego

- Podniesienie
temperatury pracy przy
stałym ciśnieniu

- Mała pojemość

cieplna

- Duże mocy potrzebne

do przetłoczenia
przez rdzeń

- Duża powierzchnia

wymiany ciepła

Sód

- Wysoka temperatura

wrzenia

- Bardzo dobre

własności
odprowadzania ciepła

- Ciśnienie

atmosferyczne w
obiegu pierwotnym

- Wysoka aktywność

chemiczna

- Gwałtowana reakcja z

wodą

- Groźba zakrzepnięcia

wymusza ciągłe
podgrzewanie
systemu chłodzenia

2.8.3 Paliwo

•

Podstaowym rodzaje paliwa stosowanym w energetyce jądrowej jest
, a dokładnie izotop U – 235.

•

Izotopy

•

1) rozszczepialne

•

- izotopy ulegające rozszczepieniu przez neutrony termiczna

•

U – 233, U -235, Pu – 239, Pu – 241

•

2) paliwo rodne

•

- izotopy służące do wytwarzania izotopów rozszczepialnych pod
wpływem bombardowania neutronami

•

U – 238, Pu – 240, Th – 232

•

Przemiana izotopów

•

U – 238 przechodzi w Pu – 239

•

Pu - 240 przechodzi w Pu – 241

•

Th – 232 przechodzi w U – 233

•

 

Stopień

wzbogacenia

paliwa

Reaktor

Uran naturalny (ok. 0,7%
U – 235)

HWR, niektóre gazowe

Uran lekko wzbogacony
(1 – 5% U -235)

LWR, niektóre gazowe

Uran średnio
wzbogacony

Badawcze

Uran wysoko
wzbogacony (do 90% U –
235)

HTR, badawcze

Postać chemiczna paliwa Reaktor

Uran metaliczny

Badawcze, niskotemperaturowe

Energetyczne reaktory wodne

HTR

MOX (+

Niektóre LWR – lekko wodne reaktory
(BWR, PWR)

Postać chemiczna paliwa Reaktor

Uran metaliczny

Badawcze, niskotemperaturowe

Energetyczne reaktory wodne

HTR

Niektóre LWR – lekko wodne reaktory
(BWR, PWR)

2.8.4 Opis najważniejszych reaktorów

•

PWR – reaktor lekko wodny ciśnieniowy

•

Reaktor chłodzony i moderowany lekką wodą. Zbudowany w
układzie 2 obiegowym. W obiegu pierwotnym woda jest pod
wysokim ciśnieniem w celu zabezpieczenia przed wrzeniem.
Odbiera ciepło od reaktora i przekazuje poprzez wytwornicę pary do
obiegu wtórnego (pionowy układ), posiada stabilizator ciśnienia
oraz pompę cyrkulacyjną wymuszającaąprzepływ wody oraz
utworzenie kilku pętli (2 – 4) każda z osobną wytwornicą pary. W
obiegu wtórnym dochodzi do parowania wody i powstania pary
służącej do napędu turbiny parowej. Reaktor pracuje w oparciu o
paliwo uranowe lekko wzbogacone postaci (do 5% U- 235). Jest ono
w formie pastylek zamknięte w koszulkach z cyrkonu tworzących
pręty paliowe skupione w prostopadłościennych kasetach
paliwowych.

•

 

•

2) BWR – reaktor lekko wodny wrzący

•

Reaktor chłodzony i moderowany lekką wodą. Zbudowany w
układzie jednoobiegowym z niższym ciśnieniem umożlwiającym
wrzenie wody obiegowej. Reaktor pełni funkcję podgrzewacza wody
i parownika. Część parowa jest identyczna jak w PWR. Układ
zbliżony do klasycznej elektrowni parowej. Dużym
niebezpieczeństwem jest groźba rozerwania obiegu. Nie posiada
stabilizatora ciśnienia i wytwornicy pary. Zasilanym paliwem
uranowym lekko wzbogaconym (do 3% U – 235). Formowany w
pastylki w koszulkach z cyrkonu w formie prętów paliwowych
zgrupowanych w prostopadłościennych kasetach paliwowych.

•

 

•

3) WWER – radziecka odmiana PWR

•

Reaktor skonstruowany w ZSRR na podstawie
zachodnioeuropejskiego reaktora PWR. Występuje kilka różnic:

-

poziomy układ wytwornic pary wodnej

-

sześciokątne kasety paliwowe

-

reaktory o mocy 440 MW posiadają sześć pętli obiegu pierwotnego

•

4) RMBK – reaktor grafitowo – lekko wodny wrzący

•

Reaktor chłodzony lekką wodą i moderowany grafitem. Zbudowany
w układzie jednoobiegowym z możliwością wrzenia czynnika
obiegowego. Czynnik obiegowy przepływa przez separator pary w
obiegu wymuszany parą pompy. Zasilany paliwem uranowym lekko
wzbogaconym (do 1,8% U – 235). Paliwo w postaci pastylek w
koszulkach z cyrkonu w formie prętów paliwowych jest formowane
w kasetach paliwowych. Podstawowymi wadami reaktora jest:

•

- kłopotliwa eksploatacja

•

- brak typowych układów bezpieczeństwa

•

- napromieniowanie dodatnie przestrzeni parowych

•

- grafit traci swoje zdolności wraz z stopniowym napromieniowanie i
w kontakcie z chłodziwem jest wybuchowy

•

- lekka obudowa reaktora

•

- awaryjny układ chłodzenia reaktora oddzielony od obiegu
zaworem odcinający, a nie zwrotnym

•

- długi czas opuszczania prętów sterujących

•

- praca w reaktora poniżej 200 MW powoduje duże
niebezpieczeństwo zatrucia reaktora i zdestabilizowania jego pracy

•

 

•

5) Candu – reaktor ciężko wodny ciśnieniowy (odmiana HWR)

•

Reaktor moderowany i chłodzony ciężką wodą opracowany w
Kanadzie. Zbudowany w układzie 2 – obiegowym i funkcjonujący
identycznie jak reaktor PWR. Zbiornik reaktora ma cylindryczny
kształt, poziome położenie i wsuwanie prętów paliwowych od obu
stron czołowych. Paliwem jest uran naturalny (do 0,7% U – 235).
Paliwo w formie pastylek w koszulkach z cyrkonu zbieranych w pręty
paliwowe i zgrupowanych w okrągłe kasety paliwowe.

•

 

•

6) Reaktor HTR – reaktor wysokotemperaturowy gazowy

•

Reaktor chłodzony gazem i moderowany grafitem. Zbudowany w
układzie 2 – obiegowym. Połączono żaroodporne paliwo z
chemicznie obojętnym chłodziwem w postaci gazu: hel. Znacznie
podniesiono parametry pracy reaktora oraz jego sprawność.
Zastosowano pompę oraz helową turbinę parową. Najnowsza
generacja reaktorów gazowych wliczana do reaktorów III generacji.
Paliwem jest uran wysoko wzbogacony postaci UC lub (do 90% U –
235) w mieszaninie z torem. Paliwo w postaci granulek w koszulkach
pirowęglowych zgrupowane w kule lub cylindry.

•

 

2.8.5 Reaktory III generacji - zmiany

•

Reaktory bazujące na reaktorach II generacji poddane głębokiej
modernizacji przeznaczonej na zwiększeniu bezpieczeństwa pracy reaktora,
uproszczenia systemów kontroli pracy oraz podniesienie efektywności.
Skupiono się głównie na modernizacji reaktorów lekko wodnych (ALWR,
EBWR), ciężko wodnych (PHWR : ACR – 1000) i gazowych (HTR).

•

- wydłużenie czasu pracy do 60 lat

•

- zwiększenie stopnia dyspozycyjności > 80%

•

- modułowość

•

- zastosowanie paliwa MOX

•

- wprowadzenie pasywnych elementów bezpieczeństwa bazujących na
wykorzystaniu naturalnych zjawisk i sił

•

/ naturalna cyrkulacja

•

/ układ odbioru ciepła po wyłączeniowego

•

/ zwiększenie wody w obiegu pierwotnym reaktora

•

/ zmniejszenie gęstości reaktora

•

/ podwójna obudowa rdzenia reaktora

•

/ podzielenie układu chłodzenia na kilka niezależnych części’