�jacek smołka
Technika cieplna II
/ Siłownie parowe /
Jacek Smołka
[e-mail]
www.itc.polsl.pl/smolka
1
�jacek smołka
Spis treści
" Parowy obieg Carnota
" Idealny obieg Rankine a
" Rzeczywisty obieg Rankine a
" Sprawność izentropowa turbiny i pompy
" Sposoby zwiększania sprawności obiegów parowych
" obni\
enie ciśnienia w skraplaczu
" przegrzew pary w kotle do wy\
szych temperatur
" podwy\
szenie ciśnienia w kotle
" wtórny (międzystopniowy) przegrzew
" regeneracja ciepła
" Mokra chłodnia kominowa
" Elektrociepłownia
2
�jacek smołka
Parowy obieg Carnota
Obieg Carnot jest najbardziej efektywnym obiegiem dla układu
pracującego między dwoma znanymi temperaturami
1-2 podgrzewanie odwracalne i izotermiczne w kotle
2-3 rozprę\
anie izentropowe w turbinie
3-4 skraplanie odwracalne i izotermiczne w skraplaczu
3
4-1 sprę\
anie izentropowe w sprę\
arce
�jacek smołka
Parowy obieg Carnota
W praktyce mo\
liwa jest realizacja przemian 1-2 i
3-4 w dzisiejszych kotłach i skraplaczach, gdy\
w
układzie dwufazowym przy odpowiednim stałym
ciśnieniu ustala się temperatura na linii nasycenia.
Wady:
" Niska maksymalna temperatura równa
temperaturze punktu krytycznego (374oC dla
wody) w układzie dwufazowym, co wpływa na
ograniczona sprawność. Podwy\
szenie
temperatury oznacza przemianę w układzie
jednofazowym, co jest trudne do osiągnięcia
izotermicznie.
" Rozprę\
anie bliskie izentropowemu mo\
liwe do osiągnięcia w nowoczesnych
turbinach, ale w czasie przemiany znacząco spada stopień suchości pary, co
niekorzystnie wpływa na \
ywotność łopatek. W praktyce unika się stopnia
suchości poni\
ej 90%. Przemiana jest mo\
liwa do zrealizowania dla czynników o
bardziej stromych liniach nasycenia dla pary.
" Konieczność sprę\
ania dwufazowego i trudne jest precyzyjne skraplanie
czynnika dokładnie do punktu 4.
4
�jacek smołka
Parowy obieg Carnota
Lepszym rozwiązaniem byłby układ pracujący
powy\
ej punktu krytycznego.
Wady:
" Konieczność sprę\
ania do bardzo wysokich
ciśnień
" Izotermiczna wymiana ciepła przy zmiennych
ciśnieniach
Wniosek:
Obieg Carnota nie jest wykorzystywany w
obiegach parowych
5
�jacek smołka
Idealny obieg Rankine a
1-2 izentropowe sprę\
anie w pompie
2-3 generacja ciepła w kotle przy stałym ciśnieniu
3-4 izentropowe rozprę\
anie w turbinie
4-1 odbiór ciepła w skraplaczu przy stałym ciśnieniu
6
�jacek smołka
Przykład 1
Określ parametry oraz sprawność poni\
szego obiegu. W kotle produkowana jest para
o ciśnieniu 3 MPa i temperaturze 350 oC, za skraplaczem ciśnienie jest równe 75 kPa.
Dla obiegu Carnota:
Tmin 91,76 + 273,15
�Carnot = 1- = 1- = 41,5%
Tmax 350 + 273,15
7
�jacek smołka
Rzeczywisty obieg Rankine a
y
ródła nieodwracalności:
" Tarcie przepływającego czynnika (w kotle, skraplaczu i
rurociągach). Wartość ciśnienia za pompą musi uwzględnić te
straty
" Straty ciepła w elementach obiegu
8
�jacek smołka
Sprawność izentropowa
Dla pompy:
i2s - i1
�iP =
i2 - i1
Dla turbiny:
i3 - i4
�iT =
i3 - i4s
9
�jacek smołka
Przykład 2
Określ sprawność obiegu oraz moc efektywną turbiny, znając sprawności izentropowe
(wewnętrzne) turbiny 87 % oraz pompy 85 %.
10
�jacek smołka
Przykład 2 c.d.
Określ sprawność obiegu oraz moc efektywną turbiny, znając sprawności izentropowe
(wewnętrzne) turbiny 87 % oraz pompy 85 %.
11
�jacek smołka
Sposoby zwiększania sprawności
Zwiększenie sprawności obiegu parowego mo\
na generalnie
dokonywać poprzez:
" Podwy\
szenie średniej temperatury, w której jest
doprowadzane do czynnika roboczego w kotle
" Obni\
enie średniej temperatury, przy której ciepło jest
odprowadzane od czynnika roboczego w skraplaczu
To oznacza następujące potencjalne zmiany:
" Obni\
enie ciśnienia w skraplaczu
" Przegrzew pary do wy\
szych temperatur w kotle
" Podwy\
szenie ciśnienia pary w kotle
" Wtórny (międzystopniowy) przegrzew
" Regeneracja ciepła
12
�jacek smołka
Obni\
enie ciśnienia w skraplaczu
1 -1-4-4 wzrost jednostkowej pracy
uzyskanej z układu
1 -2 -2 1 wzrost jednostkowej pracy
do napędu pompy
Dolna granica ciśnienia w skraplaczu, a
tym samym odpowiadająca ciśnieniu
temperatura wynika z temperatury
czynnika odbierającego ciepło (np.
woda z obiegu chłodni kominowej, rzeki,
jeziora itp.)
Obni\
enie ciśnienia powoduje, \
e
stopień suchości spada do wartości
niepo\
ądanych na ostatnich stopniach
turbiny, co mo\
e prowadzić spadku
sprawności turbiny i erozji łopatek.
13
�jacek smołka
Przegrzew pary do wy\
szych temperatur w kotle
4-3-3 -4 wzrost jednostkowej
pracy uzyskanej z układu
Przegrzew pozwala równie\
na
korzystne podwy\
szenie stopnia
suchości pary za turbiną (porównaj
punkty 4 oraz 4 )
Górna granica temperatury jest
ograniczona względami
materiałowymi. Obecnie jest równa
620oC. Dalszy wzrost jest mo\
liwy
przy zastosowaniu np. materiałów
ceramicznych.
14
�jacek smołka
Podwy\
szenie ciśnienia pary w kotle
Pole ró\
owe - wzrost jednostkowej
pracy uzyskanej z układu
Pole szare - spadek jednostkowej
pracy uzyskanej z układu
Podwy\
szenie ciśnienia w kotle
automatycznie powoduje wzrost
temperatury produkowanej pary.
Przy niezmienionej wartości
temperatury przed turbiną (punkt
3), zmniejsza się uzyskana
jednostkowa praca układu oraz
stopień suchości pary za turbiną. Tą wadę mo\
na
wyeliminować przez wtórny przegrzew pary (na kolejnych
15
slajdach).
�jacek smołka
Zastosowanie parametrów nadkrytycznych
Zastosowanie ciśnień
nadkrytycznych (powy\
ej 22,06
MPa) pozwala na uzyskanie
sprawności na poziomie 40 % dla
siłowni opalanych paliwami
kopalnymi oraz 34 % dla siłowni
jądrowych.
16
�jacek smołka
Przykład 3
W kotle produkowana jest para o ciśnieniu 3 MPa i temperaturze 350 oC,
za skraplaczem ciśnienie jest równe 10 kPa.
(a) Sprawność obiegu
(b) Sprawność obiegu, jeśli para jest przegrzana do 600 oC
(b) Sprawność obiegu, jeśli ciśnienie w pary jest podwy\
szone do 15 MPa
17
�jacek smołka
Przykład 3 c.d.
Po obni\
eniu ciśnienia z 75 kPa (Przykład 1) do 10 kPa
sprawność wzrosła z 26 % do 33,4 %, ale jednocześnie
stopień suchości spadł z 88,6 % do 81,3 %
Po przegrzaniu pary z 350 oC do 600
o
C, sprawność wzrosła z 33,4 % do
37,3 % i jednocześnie stopień suchości
wzrósł z 81,3 % do 91,3 %
Po podwy\
szeniu ciśnienia z 3 do 15 MPa (przy stałej
temperaturze 600 oC) sprawność wzrosła 37,3 % to
43,0 %, ale jednocześnie stopień suchości spadł z
91,5 % do 80,4 %
18
�jacek smołka
Wtórny (międzystopniowy) przegrzew
Wtórny przegrzew wymaga rozdzielenia turbiny na dwa (lub więcej) stopni.
Natomiast pozwala na podwy\
szenie stopnia suchości pary za turbiną przy
tym samym poziomie temperatur przed ka\
dym ze stopni turbiny.
Wzrost sprawności po zastosowaniu jednokrotnego przegrzewu jest
równy 4-5 %. Zastosowanie kolejnego przegrzewu powoduje wzrost
sprawności o połowę wzrostu przy jednokrotnym przegrzewie (~2,5 %).
19
Dlatego te\
nie stosuje się więcej ni\
dwa przegrzewy międzystopniowe.
�jacek smołka
Przykład 4
Określ ciśnienie, przy którym nale\
y przegrzać
parę, aby stopień suchości był równy co najmniej
89,6 %.
20
�jacek smołka
Przykład 5
Jak zmieni się sprawność takiego
obiegu w porównaniu z układem
przedstawionym w przykładzie 3?
Wniosek: międzystopniowe
przegrzanie pary spowodowało
zwiększenie się stopnia
suchości z 80,4 % do 89,6 i
jednocześnie wzrosła sprawność
układu z 43 % do 45 %.
21
�jacek smołka
Regeneracja
Niska temperatura przed kotłem w układzie bez regeneracji
powoduje, \
e sprawność układu jest te\
zani\
ona. W celu jej
podwy\
szenia mo\
na by zastosować wymiennik w układzie
turbiny, ale to natychmiast spowodowałoby niepo\
ądany ni\
szy
stopień suchości na ostatnich stopniach turbiny. Dlatego stosuje
się upusty pary z turbiny, z których parę kieruje się do:
" wymienników mieszalnikowych
" wymienników przeponowych
podwy\
szając w ten sposób temperaturę przed kotłem, a tym
samym sprawność układu, mimo \
e moc turbiny spada.
22
�jacek smołka
Wymienniki mieszalnikowe
Najlepszy efekt uzyskuje się, gdy para upustowa (pkt. 6) miesza
się wodą zasilającą ze skraplacza (pkt. 1) tworząc w punkcie 3
wodę w stanie nasycenia.
W siłowniach stosuje się do 8 podgrzewaczy wody zasilającej. Ich
liczba wynika z rachunku ekonomicznego, biorąc pod uwagę koszt
kolejnego urządzenia i ilości zaoszczędzonego w ten sposób
paliwa.
23
�jacek smołka
Wymienniki przeponowe
W porównaniu do wymienników mieszalnikowych, które są proste
konstrukcyjnie i zapewniają dobrą wymianę ciepła, wymienniki
przeponowe nie zapewniają tak efektywnego przepływu ciepła,
konstrukcyjnie są ze względu na skomplikowane orurowanie znacznie
dro\
sze, ale mogą zapewnić wymianę ciepła między czynnikami o
ró\
nych ciśnieniach. Poza tym nie wymagają stosowania dodatkowych
pomp, które podwy\
szają ciśnienie do stanu nasycenia, jak to ma miejsce
w przypadku wymienników mieszalnikowych.
W siłowniach stosuje się zawsze kombinację obu typów wymienników.24
�jacek smołka
Mokra chłodnia kominowa
Nagrzane i wilgotne powietrze jest l\
ejsze od powietrza
atmosferycznego, co powoduje ciągłe zasysanie powietrza pod
zraszalnikiem i chłodzenie obiegowej wody chłodzącej. Ze względu na
jej częściowe odparowanie ilość wody nale\
y uzupełniać.
25
�jacek smołka
Zadanie domowe
Wyznacz sprawność idealnego obiegu z przegrzewem pary i wymiennikami
regeneracyjnymi oraz udział masowy pary w obu upustach.
26
�jacek smołka
Elektrociepłownia
Elektrociepłownia jest podstawowym układem
kogeneracyjnym, w którym produkowane jest
CIEPA
O i energia elektryczna.
" Parametry za turbiną przeciwprę\
ną
dostosowywane są do parametrów
wymaganych przez odbiorcę ciepła np. do
celów grzewczych (0,12-0,25 MPa), ciepła
technologicznego (0,5-0,7 MPa).
" Podstawową zaletą takiego układu jest brak
skraplacza, w którym znaczne ilości energii są
odprowadzane do otoczenia.
Wskaz
nik wykorzystania energii:
w + qg
� =
qin
28
�jacek smołka
Elektrociepłownia
W elektrociepłowni z turbiną upustowo-kondensacyjną mo\
liwe jest
regulowanie ilości produkowanego ciepła i energii elektrycznej.
29