2.1. Kotły rusztowe (wodne i parowe) w energetyce komunalnej i przemysłowej.
1. Oznaczenia:
WRXX  wodny rusztowy o wydajności cieplnej XX Gcal/h
ORXX  parowy rusztowy o wydajności cieplnej XX Gcal/h
2. Typy rusztów
" stałe
ć% płaskie z ręcznym narzucaniem paliwa (najmniejsze)
ć% schodkowe z ruchomą warstwą paliwa
" ruchome
ć% łuskowe
2. Przykłady z rysunkami.
Kotły rusztowe obecnie znajdują szerokie zastosowanie jako z
ródła ciepła lub/i pary
technologicznej zarówno w ciepłownictwie jak różnorodnych zakładach przemysłowych. Kotły
rusztowe to najmniejsze z budowanych kotłów opalanych węglem kamiennym. Wykorzystywane są
przede wszystkim przez ciepłownie i elektrociepłownie lokalne i przemysłowe. Konstrukcja
współczesnych rusztów umożliwia bardzo efektywne spalanie, uwalniające ponadto dużo mniej
szkodliwych substancji niż stare kotły rusztowe.
Do głównych zalet kotłów rusztowych należy zaliczyć:
" prostÄ… budowÄ™,
" szeroki zakres obciążeń,
" prosty system sterowania.
Do głównych wad eksploatacyjnych palenisk rusztowych należy zaliczyć:
" niższą sprawność energetyczną,
" spiekanie się paliw na ruszcie, czego efektem są straty niecałkowitego spalania,
" spalanie węgli o dużym rozdrobnieniu co powodować może ubijanie się paliwa na ruszcie a
w konsekwencji utrudnienia w przepływie powietrza przez warstwę i przesyp drobnych
frakcji przez ruszt do odżużlacza.
Najważniejsze elementy kotła ruszotwego:
" Walczak
" Ruszt
" Przegrzewacz
" Podgrzewacz wody
" Podgrzewacz powietrza
" Wentylator
" Komin
" Wentylator spalin
" Pompa
" RurociÄ…g
Najbardziej popularne kotły rusztowe parowe to OR, OKR, OSR, o wydajności 2; 2,5; 5; 10; 16;
20; 25; 32; 50; 64 Mg/h
Kotły rusztowe parowe na przykładzie OR 35N charakteryzują się niskimi parametrami
wylotowymi z kotła, 450OC i 4 MPa w porównaniu do kotłów pyłowych. Kocioł ten jest
walczakowy, dwuciągowy z całkowicie opromieniowaną komorą paleniskową. Opalany miał
węglowy (kamienny węgiel). Zawiera on 3 podgrzewacze wody oraz 3 przegrzewacze pary.
Kotły rusztowe wodne na przykładzie kotła WR 25 charakteryzują się jeszcze niższymi
parametrami czynnika na wylocie, który stanowi woda, a więc temperatura od 70-150 C i ciśnienie
od 1,95-2,15 MPa. Kocioł dostarcza gorącą wodę do potrzeb grzewczych i technologicznych.
Kocioł występuje w formie dwuciągowej, w drugim ciągu widać 2 podgrzewacze wody.
Najbardziej popularne kotły rusztowe wodne to WR 1,25; 2,5; 5; 10; 25;46; 70; 120;
WR-25 Sefako
2.2. Kotły parowe dużej wydajności - podział kotłów ze względu na konstrukcję
komory paleniskowej i parametry pracy. [2.2. Kotły parowe.pdf str. 10]
1. Kotły pyłowe walczakowe posiadają zbiornik- walczak, w którym znajduje się mieszanka parowo-wodna.
Do walczaka z jednej strony dopływa woda za pomocą pompy zasilającej, natomiast z drugiej strony
dopływa nasycona para wodna z rur wznoszących. Z walczaka rurami opadowymi woda płynie do
parownika, natomiast para wodna opuszcza walczak i trafia do przegrzewaczy konwekcyjnego, grodziowego
i wylotowego. Dodatkowo kocioł wyposażony jest w podgrzewacz wody zasilającej EKO. Kotły występują
w postaci dwuciągowej, a najbardziej popularne są kotły OP 70, OP 140, OP 230, OP 380, OP 430, OP 650.
Najczęściej parametry pracy to 540 C i 13,5 MPa.
2. Kotły przepływowe w odróżnieniu od kotłów nie posiadają walczak, lecz separator pary i wody.
Dodatkowo w obiegu zainstalowana jest pompa recyrkulacyjna, która wspomaga przepływ wody z
separatora do parownika. Kotły przepływowe zbudowane są jako jednociągowe i podobnie jak pyłowe
walczakowe zawierają przegrzewacz grodziowy, konwekcyjny, końcowy i podgrzewacz wody zasilającej.
Niektóre kotły mogą być także wyposażone w przegrzewacz międzystopniowy, który służy do podgrzewania
pary wtórnej. Parametry pracy kotów przepływowych to 18 MPa i 540 C, natomiast ciśnienie pary wtórnej to
około 3,8 MPa. Najczęściej spotykanym kotłami w energetyce zawodowej i przemysłowej są BB- 2400, BP-
1025, BP 1150.
2.3. Turbiny parowe i turbiny gazowe  rodzaje i konstrukcje turbin, zasada
działania, sprawność stopnia. [2.3. Turbiny parowe.pdf str.1-10, 2.3. Turbiny gazowe.pdf]
1. Oznaczenia - przykładowe nazwy turbin i wyjaśnienie symboli w nich zawartych :
7C50, 7UC60, 13UP55, 13UC105, 13 UK215
" pierwsze cyfry (tu 7,13) oznaczają ciśnienie świeżej pary, tzn. za kotłem a przed zaworem
" cyfry na końcu (tu 50,60,105,...) oznaczają moc turbiny
K  turbina kondensacyjna, ciśnienie na wyjściu z turbiny jest mniejsze od atmosferycznego,
wykorzystywana w elektrowniach.
C  turbina ciepłownicza, ciśnienie na wyjściu z turbiny jest większe od atmosferycznego, wykorzystywana
w elektrociepłowniach
UC  turbina upustowo ciepłownicza
UP  turbina upustowo przeciwprężna.
2. Sprawność stopnia
hu hu
½Ä…u= =
" Sprawność obwodowa:
H
i0
s  i2sƒÄ…c2
0
hu=H  śą dhdƒÄ…dhÅ‚ƒÄ…hwylźą
" Praca obwodowa:
s
hi=H 0 śądhdƒÄ…dhÅ‚ƒÄ…hwylƒÄ…hwew źą , hwew  straty
" Praca wewnętrzna turbiny: gdzie:
s
wewnętrzne związane z przeciekiem pary  bardzo małe.
hi
" Sprawność wewnÄ™trzna: ½Ä…i=
H
s
3. Trójkąty prędkości
a) Kierownica
c1s= 2śąi0  i1sźąƒÄ…c2
ćą
0
c1=ËÄ… c1s ,
gdzie ËÄ… - współczynnik opisujÄ…cy straty prÄ™dkoÅ›ci bezwzglÄ™dnej w kanale
c2  c2
1s 1
dhd=i1  i1s=
2
Z trójkąta prędkości dla kierownicy wyznaczamy wielkość w
1
b) Wirnik
w2s= 2 śąi1s  i2sźąƒÄ…w2
ćą
1
w2=ÍÄ…Å"w2s
, gdzie ÍÄ… współczynnik opisujÄ…cy straty prÄ™dkoÅ›ci wzglÄ™dnych w kanale
Z trójkąta prędkości dla wirnika wyznaczamy wielkość c2
Ćąd n
p
Prędkości obwodowe u są identyczne dla kierownicy i wirnika i wynosi
u=
60
2.4. Układy hybrydowe i układy skojarzone małej mocy.
1. Układy hybrydowe - [2.4. Układy hybrydowe.pdf]
2. Układy skojarzone małej mocy. [Rybak, Spalanie i paliwa, str. 236-260]
Ze względu na złożoność układu elektrociepłownie są opłacalne dla stosunkowo dużych mocy. Bardzo
interesujące, ze względu na znaczne obniżenie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych związanych z
budową i eksploatacją sieci cieplnych, są lokalne układy skojarzone małej mocy. Generatory elektryczne
mogą być wówczas z
ródłem energii elektrycznej i cieplnej. Układ taki może zabezpieczyć potrzeby obiektu
w energię elektryczną, cieplną, stanowić rezerwowe z
ródło prądu lub dostarczyć prąd do sieci elektrycznej.
Takie rozwiązania mogą być stosowane przede wszystkim:
" w zespołach budynków mieszkalnych (elektrociepłownie osiedlowe)
" w przemyśle i centrach handlowych
" w obiektach użyteczności publicznej
" w oczyszczalniach ścieków i wysypiskach śmieci (zasilane biogazem)
W zależności od wymaganej mocy najczęściej budowane są modułowe urządzenia do produkcji energii w
skojarzeniu  bazujące na silnikach tłokowych lub turbinach. Zasilane są głównie paliwem gazowym lub
olejem. Ich moce są poniżej 10 MWe, a sprawność jest duża i zawiera się w przedziale 80-97%. Efektywność
jest szczególnie wysoka, gdy wyprodukowana energia elektryczna jest wykorzystana do napędu pomp ciepła
na potrzeby ogrzewania.
W zakresie mocy układu poniżej 3-5 MW energię elektryczną można wytwarzać w następujących
e
systemach:
1. Gazogenerator zintegrowany z małą turbiną gazową
2. Gazogenerator zintegrowany z silnikiem spalinowym
3. Pirolizer zintegrowany z silnikiem spalinowym
4. Bezpośrednie spalanie połączone z małą turbiną parową i kotłem parowym
5. Silniki parowe z i bez przegrzewu pary
6. Silnik Stirlinga
7. Turbiny stosowane w tzw. Organicznym obiegu Rankina (ORC)
Cechami, którymi odznaczają się małe systemy skojarzone są:
" wysoka sprawność całkowita, która mieści się najczęściej w pobliżu wartości 80%
" osiągana chwilowa moc cieplna jest większa od mocy elektrycznej, lecz dla coraz większych
jednostek moce te ulegają wyrównaniu
" kompaktowa budowa, pozwala to na skrócenie czasu budowy kompletnej instalacji i zmniejszenie jej
kosztu, wpływa także na zmniejszenie ilości miejsca wymaganego pod zabudowę agregatu
" paliwo ciekłe (olej priolityczny) bądz
gazowe (gaz generatorowy, biogaz, gaz z odmetanowienia
kopalń, gazy wysypiskowe) są to paliwa znacznie mniej zanieczyszczające środowisko niż paliwa
kopalne; ponadto w przypadku niektórych gazów pochodzenia odpadowego, wykorzystując je do
celów energetycznych, unikamy zanieczyszczania atmosfery metanem, który w znacznie większym
stopniu niż CO2 sprzyja powstawaniu efektu cieplarnianego
" korzystne wskaz
niki ekonomiczne realizacji inwestycji, np.: w krajach UE średni okres zwrotu
nakładów wynosi kilka lat, ponadto rozwijający się rynek na te urządzenia będzie w perspektywie
skutkował obniżanie się cen agregatów kogeneracyjnych
Przykłady układów skojarzonych małej mocy:
Układy parowo-gazowe [2.3 Turbiny gazowe.pdf]
ORC
Elektrociepłownia na biomasę z organicznym obiegiem Rankine'a (ORC). Biomasa, stanowiąca odnawialne
z
ródło energii, wykorzystywana jest coraz częściej, jako alternatywa dla paliw kopalnych, spalanych w
procesach produkcji ciepła i energii elektrycznej. Jednym z nowoczesnych i zarazem wysoce efektywnym
procesem kogeneracyjnym, opartym o bezpośrednie spalanie biomasy jest układ elektrociepłowni,
wykorzystującej organiczny obieg Rankine'a (ORC - Organie Rankine Cycle), której schemat został
przedstawiony na rysunku 1. Idea działania procesu ORC opiera się na wykorzystaniu klasycznego obiegu
siłowni parowej. Zasadniczą różnicę w stosunku do konwencjonalnego układu wodno-parowego, stanowi
zastosowany w układzie ORC czynnik termodynamiczny, którym jest związek organiczny np. izopentan,
izobutan.
y
ródło ciepła dla układu ORC stanowi olejowy kocioł energetyczny z paleniskiem na biomasę. Obieg oleju
termalnego wykorzystywany jest jako układ transportu ciepła ze z
ródła (kotła) do wymiennika głównego
(podgrzewacz i parownik), w którym czynnik termodynamiczny pochodzenia organicznego ulega
podgrzaniu i odparowywaniu. Otrzymana para doprowadzana jest na wlot do turbiny wolnobieżnej. Para,
przepływając przez kanały między łopatkowe wirnika turbiny ulega rozprężeniu, napędza wał turbiny i
sprzężony z nim bezpośrednio generator energii elektrycznej. Po wykonaniu pracy czynnik
termodynamiczny oddaje ciepło kondensacji wodzie chłodzącej i pompą kierowany jest do ponownego
odparowania. Ciepło odebrane przez cyrkulującą wodę chłodzącą, stanowi potencjał energetyczny
wykorzystywany na cele ciepłownicze. Dodatkowo, w celu podwyższenia efektywności procesu, stosuje się
układy odzysku ciepła ze spalin w postaci ekonomizerów i podgrzewaczy powietrza. Zastąpienie
tradycyjnego czynnika roboczego tzn. wody przez substancje organiczne, zwiÄ…zane jest z ich lepszymi
właściwościami fizykochemicznymi. Niskie ciepło parowania i mała temperatura wrzenia cieczy
organicznych, prowadzą do obniżenia energochłonności procesu oraz umożliwiają wykorzystanie
niskotemperaturowych z
ródeł ciepła do produkcji energii elektrycznej. Poza właściwościami cieczy
roboczych, za wykorzystaniem układów ORC w małej energetyce komunalnej przemawia również szereg
parametrów technicznych i eksploatacyjnych:
" wysoka dyspozycyjność (do 99% w skali roku);
" szeroki zakres stabilnej pracy (minimum technologiczne
" do 10% obciążenia nominalnego);
" korzystne warunki pracy turbiny (sprawność na poziomie 85%, brak zjawiska erozji
łopatek wirnika, mała prędkość obrotowa);
" długi okres użytkowania jednostki;
" zwarta konstrukcja i prosta budowa mechaniczna;
" wysoki stopień zautomatyzowania
2.5. Kotły i kotłownie do użytkowania biopaliw i spalania odpadów. [Biomasa.pdf]
2.6. Wymienniki ciepła w procesach przemysłowych (rodzaje, budowa, zasada
pracy, zastosowania). [Pawlik, Strzelczyk, Elektrownie, str. 245]
Wymiennik ciepła  urządzenie służące do wymiany energii cieplnej (podgrzewania, ochładzania,
zmiany stanu skupienia czynnika) pomiędzy dwoma jej nośnikami, tj. substancjami będącymi w
stanie ciekłym lub gazowym.
Ogólny podział wymienników:
1. Mieszankowe (bezpośrednie) - dochodzi do mieszania strumieni.
2. Powierzchniowe (pośrednie):
a) przeponowe (rekuperatory):
" rurka w rurce: najprostszy
wymiennik. Składa się z
dwóch współosiowych rur o
różnych średnicach. Jeden
czynnik płynie wewnątrz
mniejszej rury, podczas gdy
drugi przepływa przez
przestrzeń pomiędzy rurą
wewnętrzną i zewnętrzną.
Wyróżnia się wymienniki
współprądowe i
przeciwprÄ…dowe.
" płaszczowo - rurowe: wymiennik składa się z pęczka rur umieszczonego w korpusie (dodatkowo
mogą być montowane przegrody intensyfikujące wymianę ciepła). Wymiana ciepła zachodzi
pomiędzy czynnikiem wewnątrz rurek a czynnikiem omywającym rurki od zewnątrz. Są to
urządzenia o dużych gabarytach i znacznej masie używane nadzwyczaj często w zastosowaniach
przemysłowych i energetycznych.
" płytowe: powierzchnię wymiany ciepła stanowią płyty płaskie lub płyty tłoczone o dobrej
przewodności cieplnej. Dzięki odpowiednio ukształtowanym wytłoczeniom pomiędzy płytami
tworzą się wąskie szczeliny do przepływu czynników wymieniających ciepło. Dodając kolejne
pakiety płyt można rozbudowywać wymiennik. Wady takich wymienników to: stosunkowo duże
straty ciśnienia i konieczność stosowanie czynników o zbliżonych ciśnieniach. Ideę wymiennika
płytowego pokazano poniżej. Ciekawe jest, że dynamika wymiany ciepła przy przepływie
laminarnym może konkurować z tą zachodzącą podczas przepływu burzliwego.
" kompaktowe: posiadają one dużą powierzchnię wymiany masy przy małej kubaturze urządzenia.
Przykłady: chłodnica samochodowa, wymienniki regeneracyjne w silnikach Stirlinga. Mają one
zastosowanie wszędzie tam, gdzie ilość miejsca i dopuszczalna waga jest ograniczona. Zazwyczaj
czynniki przepływają prostopadle do siebie  mamy więc do czynienia z przepływem krzyżowym.
b) akumulacyjne (regeneratory) - zarówno ciepły jak i zimny strumień przechodzą przez tę samą
przestrzeń. Może to być np. porowaty materiał o znacznej pojemności cieplnej (np. ceramika) lub kształtki.
Ciepło lub zimno jest transportowane pomiędzy materiałem wymiennika a czynnikiem przez niego
przepływającym. Materiał wymiennika pełni więc funkcję akumulatora ciepła (zimna).
W układzie elektrowni wyróżnia się urządzenia będące wymiennikami:
" podgrzewacze wody,
" parownik (parowacz),
" przegrzewacze pary,
" podgrzewacze powietrza,
" skraplacz,
" odgazowywacz
" chłodnice wodoru, oleju, powietrza.
3. W układzie elektrownie konwencjonalnej i jądrowej wyróżnia się wymienniki powierzchniowe:
" podgrzewacze wody regeneracyjne niskiego i wysokiego ciśnienia,
" podgrzewacze wody ciepłownicze podstawowe i szczytowe,
" wyparki,
" podgrzewacz powietrza,
" skraplacz,
" parownik (parowacz),
" przegrzewacze pary,
oraz wymienniki mieszankowe:
" odgazowywacz termiczny -
jedyny wymiennik
mieszankowy.
Budowa ww. wymienników
powierzchniowych:
" podgrzewacz niskoprężny -
rury mosiężne lub stalowe
wygięte w kształcie litery U, zamocowane końcówkami w dnie sitowym; pionowe lub poziome;
umieszczone możliwie blisko turbiny w celu zmniejszenia strat ciśnienia pary,
" podgrzewacz wysokoprężny - rury kotłowe o właściwościach wytrzymałościowych dostosowanych
do wysokiego ciśnienia, wytwarzanego przez pompę WZ, rury w kształcie litery U, W lub w postaci
poziomych spiral wieloskrętnych; często dzielone na kilka gałęzi równoległych w celu minimalizacji
kosztów,
" podgrzewacz wody sieciowej - budowa podobna do budowy podgrzewaczy regeneracyjnych
niskiego ciśnienia,
" wyparka - służy do uzupełniania strat w obiegu cieplnym; istnieją dwa wykonania wyparek:
- parorurkowe - wężownice grzejne zanurzone w wodzie odparowywanej,
- wodnorurkowe (obiegowe) - rurkami przepływa woda, a para grzejna wypełnia przestrzeń między
rurkami,
" przetwornica pary - wyparka wysokoprężna, służy do wytworzenia pary wtórnej kierowanej do
odbiorników technologicznych niezwracających skroplin.
Wyparki i przetwornice pary są kosztowne i zmniejszają sprawność elektrowni, są więc wypierane
przez układy demineralizacji wody.
" podgrzewacz powietrza - wymiennik ciepła powierzchniowy akumulacyjny (regenerator). Kształtki
ogniotrwałe umożliwiają kolejno przepływ gazów gorących (spalin) i zimnych (powietrza). Spaliny
przepływając oddają swoje ciepło płytom, a podczas obrotu podgrzewacza w strefę powoetrza,
przepływające powietrze odbiera je od nich,
" skraplacz - stosowany do skraplania pary wodnej rozprężonej w turbinie. Całkowite skroplenie pary
umożliwia zastosowanie pompy wodnej do wymuszenia obiegu czynnika. Proces skraplania
zachodzi zazwyczaj izobarycznie przy ciśnieniu 4-15 kPa, a tym samym przy stałej temperaturze
(30-kilka OC). Ciśnienie panujące w skraplaczu jest powiązane ściśle z temperaturą wody chłodzącej,
a ta z kolei uzależniona jest od rodzaju systemu chłodzenia zastosowanego w danym przypadku.
Woda chłodząca przepływa przez szereg gęsto ułożonych rurek (wymiennik rurowy) skraplacza, na
zewnątrz których płynie skraplająca się para wodna odprowadzana z turbiny Do skraplacza dopływa
para mokra, czyli para z niewielką ilością wykroplnej wody. W skraplaczu następuje skroplenie
pozostaÅ‚ej pary, i minimalne przechÅ‚odzenie kondensatu (ok. 2°C). CiepÅ‚o skraplania odprowadzane
jest do otoczenia za pomocą wody chłodzącej i (zwykle) chłodni kominowych. Podział skraplaczy:
ą chłodzone cieczą
 rurowe, płaszczowo-rurowe, wiązkowe, przeciwprądowe, wielorurowe, pionowe , poziome,
 ociekowe
 płytowe
 wężownicowe
ą chłodzone powietrzem
 wentylatorowe- lamelowe
 grawitacyjne ( do 350 W)
Ä… natryskowo-wyparne.
" parownik - jeden z czynników roboczych ulega odparowaniu, rurowy fragment powierzchni
ogrzewalnej, w którym następuje przemiana wody w parę wodną.
Budowa wymiennika mieszankowego:
" odgazowywacz - zwykle nadbudowany nad zbiornikiem WZ, dzieli układ na część nisko i
wysokociśnieniową, panuje w nim ciśnienie równe ciśnieniu pary grzejnej, para skrapla się
bezpośrednio w podgrzewanej wodzie, najniższe parametry to 104OC i 0,12MPa (odgazowywacz
atmosferyczny).
2.7. TÅ‚okowe silniki cieplne.
Silnik - maszyna służąca do zamiany doprowadzonej do niej energii na pracę mechaniczną
(elementu roboczego).
" o spalaniu zewnętrznym - na elementy robocze działa czynnik roboczy pośrednio ogrzany,
" o spalaniu wewnętrznym (silniki spalinowe) - na elementy robocze działają bezpośrednio
gazowe produkty spalania paliwa (spaliny),
" odrzutowe.
ą tłokowe,
Ä… turbinowe.
1. Podział tłokowych silników cieplnych ze względu na:
czynnik roboczy rodzaj ruchu tłoka system zapłonu liczna suwów w prędkość obrotowa
cyklu roboczym
- spalinowe, - posuwisto zwrotne - wymuszony - dwusuwowe, - wolnoobrotowe,
- parowe, (suwowe), (iskrowy), - czterosuwowe. - średnioobrotowe,
- hydrauliczne, - przeciwbieżne, - samoczynny. - szybkoobrotowe
- pneumatyczne. krążące (obrotowe).
2. Obiegi teoretyczne:
z zapłonem iskrowym z zapłonem samoczynnym z zapłonem samoczynnym (now.)
obieg Otto obieg Diesla obieg Sabathego
1 - 2 - sprężanie izentropowe, 1 - 2 - sprężanie izentropowe, 1 - 2 - sprężanie izentropowe,
2 - 3 - ogrzewanie izochoryczne, 2 - 3 - ogrzewanie izobaryczne, 2 - 3 - ogrzewanie izochoryczne,
3 - 4 - rozprężanie izentropowe, 3 - 4 - rozprężanie izentropowe, 3 - 4 - ogrzewanie izobaryczne
4 - 1 - chłodzenie izochoryczne. 4 - 1 - chłodzenie izochoryczne. 4 - 5 - rozprężanie izentropowe,
5 - 1 - chłodzenie izochoryczne,
V
1
" stopień sprężania: ą=
V
2
" sprawność:
1-Ä„Ä…
T V
L 1Å"T -T
L 1 4 1
1 1
Otto: ½Ä…= =1- =1-śą źą =1- , Diesel: ½Ä…= =1-
Ä„Ä…
Q T V Q T -T
Ä…Ä„Ä…-1 3 2
2 2
3. Obiegi rzeczywiste obrazowane sÄ… przez wykresy indykatorowe:
a) silnik dwusuwowy (sprężanie, praca), b) silnik czterosuwowy (ssanie, sprężanie, praca, wydech)
" procesy zachodzÄ…ce podczas pracy silnika sÄ… nieodwracalne,
" doprowadzenie ciepła odbywa się poprzez spalanie,
" uwzględnia się wymianę ciepła między ładunkiem, a ściankami silnika,
" uwzględnia się straty przepływowe występujące w trakcie napełniania i opróżniania cylindra,
" w cylindrze po zakończeniu wydechu pozostaje pewna ilość spalin, stąd w czasie pracy silnika
czynnik roboczy jest mieszanką świeżego ładunku i pozostałych spalin
4. Układy silnika tłokowego:
" karter,
" korbowy (cylindry, tłoki z pierścieniami, korbowody, wał korbowy, elementy mocowania),
" rozrzÄ…du,
" zasilania,
" smarowania,
" chłodzenia,
" zapłonowy,
" rozruchowy.
5. Spalanie stukowe - lokalnie w silniku dochodzi do samozapłonu mieszanki, co powoduje lokalny,
impulsowy wzrost ciśnienia i temperatury. Proces ten jest niekontrolowany i niepożądany - występuje gdy
paliwo ma zbyt małą liczbę oktanową, a stopień sprężania jest zbyt duży.
2.8. Reaktory jÄ…drowe w energetyce.
Przeznaczenie:
" energetyczne w elektrowniach zawodowych,
" ciepłownicze,
" wysokotemperaturowe,
" badawcze,
" szkoleniowe,
" powielajÄ…ce,
" napędowe,
" do celów specjalnych.
Energia wykorzystanych neutronów:
" termiczne - neutrony powolne (termiczne) (E < 0,1 eV),
" prędkie - neutrony prędkie (E > 1 MeV).
Konstrukcja:
" zbiornikowe: PWR, BWR, WWER,
" kanałowe: CANDU, RBMK.
Sposób wymiany paliwa (eksploatacja):
" okresowe: zbiornikowe,
" ciągłe: kanałowe, wysokotemperaturowe, gazowe.
Rodzaj moderatora i chłodziwa:
" moderatory: ciężka woda, lekka, woda, beryl, grafit,
" chłodziwa: ciężka woda, lekka woda, hel, ciekły sód, dwutlenek węgla, gazy dysocjujące, sub.
organiczne.
System odprowadzenia ciepła:
" jednoobiegowe: BWR,
" dwuobiegowe: PWR, WWER,
" trzyobiegowe: reaktory prędkie, chłodzone ciekłym sodem.
Właściwości paliwa:
rodzaj paliwa stopień wzbogacenia postać chemiczna elementy paliwowe
- U-235, U-233, - uran naturalny, - uran metaliczny, - pręty, pastylki, płytki, rury
- Pu-239, - niskowzbogacony (2-5%), -dwutlenek uranu, - koszulki z:
- MOX (mieszane), - średniowzbogacony, - węglik uranu stali nierdzewnej, stopów
- Th-232 - wysokowzbogacony cyrkonu, magnezu, alu-
(> 90%) minium, powłok pirowę-
glowych.
Charakterystyka wybranych reaktorów:
1. PWR - reaktor z wodą pod wysokim ciśnieniem.
obieg pierwotny obieg wtórny
" zbiornik reaktora + rdzeń, " wytwornica pary,
" wytwornica pary, " turbina parowa,
" pompa wodna cyrkulacyjna, " skraplacz,
" stabilizator ciśnienia. " pompa wody zasilającej.
T = 300-350oC, p = 15-16 MPa T = 275 oC, p = 6-7 MPa
" woda jako moderator, chłodziwo, reflektor.
" rdzeń i paliwo: dwutlenek uranu UO2, lekko wzbogacony 3-4% U-235, pręty paliwowe, pręty
regulacyjne, rdzeń jako walec kilkuset kaset paliwowych.
" zbiornik reaktora: walec, stanowi osłonę termiczną, zasadniczy element układu chłodzenia.
" wytwornica pary: w układzie pionowym.
" stabilizator ciśnienia: jeden w obiegu dla wszystkich pętli.
2. WWER - reaktor z wodą pod wysokim ciśnieniem (konstrukcji radzieckiej). Różnice między PWR:
" sześciokątne kasety prętów paliwowych,
" wytwornica pary w układzie poziomym (większa masa, mniej zawodna, szczelniejsza),
3. BWR - reaktor zbiornikowy z wodÄ… wrzÄ…cÄ….
Obieg bezpośredni (jednoobiegowy):
" reaktor jako wytwornica pary,
" turbina parowa,
" pompy strumienicowe,
" separatory wilgoci i osuszacze pary.
T = 280OC, p = 7 MPa, x = 99,7%.
" woda jako czynnik roboczy, moderator, chłodziwo, reflektor,
" rdzeń i paliwo: dwutlenek uranu UO2, lekko wzbogacony < 2,5%, pręty paliwowe, pręty regulacyjne
krzyżowe (węglik boru) wprowadzane od dołu zbiornika, rdzeń z kaset paliwowych zgrupowanych
w moduły po 4 kasety i krzyżowy element regulacyjny, kanały wodne w kasetach paliwowych,
3. RBMK - lekkowodny reaktor kanałowy.
" obieg bezpośredni (jednoobiegowy):
" woda jako czynnik obiegowy i chłodziwo,
" grafit jako moderator, reflektor i osłona biologiczna - zespół grafitowych bloków z pionowymi
otworami na kanały paliwowe,
" paliwo: dwutlenek uranu UO lekko wzbogacony < 1,8%, produkcja plutonu.
2
4. CANDU - ciężkowodny reaktor kanałowy.
dwuobiegowy: ciśnieniowy obieg pierwotny jak w PWR,
ciężka woda jako moderator i chłodziwo,
rdzeń i paliwo: paliwo naturalne, niewzbogacone, rdzeń umieszczony w kalandrii - poziomym
cylindrycznym niskociśnieniowym zbiorniku metalowym.
5. Reaktory prędkie i powielające (np. LMFBR).
" paliwo wysokowzbogacone - mieszanina tlenków uranu i plutonu (MOX), otoczone płaszczem
paliwa naturalnego, który stanowi materiał paliworodny,
" brak moderatora = mniejszy rdzeń = duża gęstość mocy,
" chłodziwo - ciekły sód (mały przekrój czynny na rozpraszanie i absorpcję, dobre właściwości
odprowadzania ciepła, wysoka temp. wrzenia, mała korozyjność, toksyczność, radioaktywność,
reakcja wybuchowa z wodÄ…),
" pośredni obieg chłodziwa między obiegiem pierwotnym a roboczym (sód - sód, sód - woda).
6. HTR - reaktory wysokotemperaturowe.
" grafit jako moderator, reflektor, materiał konstrukcyjny rdzenia,
" hel (gaz chemicznie obojętny) jako chłodziwo,
" paliwo - węglik uranu lub tlenek uranu, wysokowzbogacony, około 93% uranu w mieszaninie z
torem jako materiałem paliworodnym.
2.9. Techniki redukcji zanieczyszczeń pyłowych i gazowych w spalinach
emitowanych do atmosfery.
I Odpylanie gazów - proces rozdziału fazy stałej i gazowej w polu sił zewnętrznych.
Systematyka odpylaczy:
" mechaniczne (grawitacyjne, inercyjne, odśrodkowe) - różnica masy ziarna pyłu i molekuły gazu,
" filtracyjne - efekt różnicy wielkości ziarna pyłu i wielkości przekrojów przepływowych gazu w
labiryntowej strukturze filtracyjnej,
" elektrostatyczne - efekt przyciągania uprzednio naładowanego ziarna pyłu przez elektrodę o
przeciwnej biegunowości - jonizacja gazu.
Z U -E Z
½Ä…c= = =
skuteczność odpylania: ,
U U Z ƒÄ…E
½Ä…pi= f śąºÄ…iźą
przedziałowa skuteczność odpylania: ,
ºÄ…gr ½Ä…pi=50
ziarno graniczne - ziarno pyłu zatrzymane w odpylaczu ze skutecznością %.
Odpylacze mechaniczne:
1. grawitacyjne - komory osadcze (z półkami, z żaluzjami wlotowymi)- działanie siły ciężkości w czasie
spowolnionego poziomego przepływu zapylonego gazu powoduje opadanie ziaren pyłu do lejów pyłowych
zlokalizowanych na dnie komory.
2. inercyjne - koncentratory inercyjne (żaluzjowe, stożkowe) - efekt odpadania pyłu od głównego strumienia
gazu na skutek elastycznych zderzeń ziaren z odpowiednio uformowanymi przeszkodami.
3. odśrodkowe:
" cyklony, cyklony bateryjne, multicyklony - ściśle określona średnica cyklonu, istotna prędkość gazu
(siła odśrodkowa, czas przebywania w odpylaczu) oraz szczelność zamknięcia pyłowego; duża
skuteczność odpylania dla cyklonów małych średnic, smukłej konstrukcji.
" koncentratory odśrodkowe (nie jest urządzeniem odpylającym) - zastosowanie w celu zatężenia gazu
zapylonego, aby zwiększyć skuteczność zainstalowanego dalej cyklonu.
" przeciwbieżne odpylacze cyklonowe - efekt siły odśrodkowej, wzmocniony w porównaniu z
cyklonami, poprzez wprowadzenie do przestrzeni roboczej dodatkowego strumienia gazu, tzw. gazu
pomocniczego (w układzie otwartym, zamkniętym, recyrkulacyjnym), odporność na erozję pyłową.
Odpylacze filtracyjne - filtry tkaninowe.
Filtracja - proces osadzania rozdrobnionej fazy stałej w medium porowatym, które może posiadać strukturę:
włóknistą uporządkowaną, włóknistą nieuporządkowaną, ziarnistą, kapilarną.
Aglomeraty pyłu powodują wzrost oporów przepływu, miejscowy wzrost prędkości gazu, rozsuwanie
tkaniny, a w efekcie zmniejszenie skuteczności odpylania. W celu uniknięcia ww. - regeneracja materiału
filtracyjnego:
" mechaniczna - strzepywanie pionowe lub poziome, wibracje,
" pneumatyczna - strumień gazu o kierunku przeciwnym do przepływu gazu zapylonego; ciągła - filtry
rewersyjne, pulsacyjna - filtry pulsacyjne
Odpylacze elektrostatyczne - elektrofiltry.
Budowa elektrofiltru:
" komora robocza,
" elektroda ulotowa (emisyjna) o biegunowości ujemnej, wykonana z drutu metalowego,
" elektroda zbiorcza (osadcza) o biegunowości dodatniej, wykonana z blach,
" transformatorowo - prostownikowy zespół zasilający elektrodę emisyjną prądem stałym o wysokim
napięciu,
" system oczyszczania elektrod z pyłu.
RozwiÄ…zania konstrukcyjne:
" kierunek przepływu gazu: pionowe, poziome,
" kształt elektrody zbiorczej: rurowy, bateria elektrofiltrów, płytowe,
" liczba pól elektrycznych:jednopolowe, wielopolowe,
" liczba sekcji: jednosekcyjne, wielosekcyjne.
Bardzo wysokie skuteczności odpylania, powyżej 99%, możliwość odpylania dowolnych ilości gazu.
II Odsiarczanie spalin.
Metody ograniczenia emisji:
" usuwanie siarki z paliwa - najłatwiej z gazu ziemnego i produktów naftowych (skuteczność
odsiarczania ponad 99%); z węgla metodami:
- mechanicznymi - wzbogacanie węgla (różnica gęstości pirytu i substancji organicznych),
- chemicznymi,
- biologicznymi.
" wiÄ…zanie SO2 podczas spalania - metoda sucha,
" usuwanie SO2 z gazów odlotowych - metoda półsucha i mokra.
1. Metoda sucha - wdmuchiwanie alkalicznego sorbentu do komory paleniskowej kotła, w strefę temperatur
800 - 900OC (nad strefę płomienia).
" sorbent: kamień wapienny CaCO3 lub wapno hydratyzowane Ca(OH)2 w postaci mączki,
" konieczna niska temperatura, aby ziarna się nie spiekały,
" pogarsza skuteczność działania elektrofiltru,
" najlepiej sprawdza się w kotłach fluidalnych ze względu na niską temperaturę w palenisku (800-
900OC) i długi czas przebywania,
" skuteczność odsiarczania 30-40%.
2. Metoda półsucha - sorbent w postaci zawiesiny wodnej lub roztworu wodnego wprowadzany jest do
suszarki rozpyłowej (absorbera), przez który przepływają spaliny, gdzie zachodzi absorpcja SO w kroplach
2
roztworu alkalicznego.
" sorbent: Na2CO3, NaHCO3, NaOH, Ca(OH)2, woda amoniakalna (25% roztwór amoniaku),
" skuteczność odsiarczania 60-80%.
3. Metoda mokra (wapniakowa) - w IOS sorbent (roztwór wodny) jest rozpylany w spalinach
przepływających w przeciwprądzie przez reaktor. Produktem jest opadający na dno reaktora uwodniony
siarczan wapnia
" sorbent: CaCO3, Ca(OH)2 (mleczko wapienne),
" produkt końcowy: gips, dlatego, gdy znajdzie się jego odbiorca, to technologia jest bezodpadowa,
" skuteczność odsiarczania > 90%.
III Odazotowanie spalin - ograniczenie emisji NO .
x
1. recyrkulacja spalin - obniżenie temperatury w palenisku,
2. zmniejszenie nadmiaru powietrza - obserwuje się skutki uboczne: niedopał, korozja,
3. stopniowanie powietrza - 15-25% powietrza podawanego do palników kieruje się jako powietrze wtórne
(dopalające) dodatkowymi dyszami (dysze OFA) nad palnikami pyłowymi, pierwsza strefa spalania jest z
niedomiarem powietrza, co obniża temperaturę spalania,
4. stopniowanie paliwa (reburning) - spalanie trójstopniowe, podanie innego niż podstawowe paliwo lub
ultradrobnego pyłu węglowego,
5. SNCR - selektywna redukcja niekatalityczna - iniekcja do komory paleniskowej, w strefÄ™ temperatur 900-
1000OC:
" amoniaku
" mocznika,
6. SCR - selektywna redukcja katalityczna - konwersja tlenków azotu do N2 z wykorzystaniem amoniaku
jako gazu redukującego w obecności katalizatora; sprawność w warunkach przemysłowych > 90%.
2.10. System elektroenergetyczny i jego elementy składowe.
Sieć elektroenergetyczna - zespół urządzeń służących do przesyłu, rozdziału i przetwarzania energii
elektrycznej wytworzonej w elektrowniach i zużywanej w odbiornikach. Krajowy System
Elektroenergetyczny (KSE) - zbiór urządzeń do rozdziału, przesyłu i wytwarzania energii elektrycznej,
połączonych w system umożliwiający dostawy energii elektrycznej w sposób ciągły i nieprzerwany. Suma
mocy osiÄ…galnych w KSE = 35 594 MW (2009 r.).
Elementy składowe:
1. Linia elektroenergetyczna - zespół przewodów służących do przesyłania energii elektrycznej,
odpowiednio izolowanych, biegnÄ…cych obok siebie.
" linia napowietrzna - przewody, izolatory, osprzęt, konstrukcje wsporne,
" linia kablowa - w ziemi, żyła, izolacja, pancerz, powłoka (niskiego - 1kV, średniego - do 30 kV,
wysokiego - ponad 30 kV napięcia).
2. Stacja elektroenergetyczna - zespół urządzeń służących do rozdziału energii elektrycznej, składający się z
aparatów łączeniowych, szyn zbiorczych, transformatorów, urządzeń pomiarowych, zabezpieczających,
sterowniczych i sygnalizacyjnych.
" elektrowniana,
" odbiorcza,
" sieciowa.
3. Odbiorca - osoba prawna lub fizyczna, która zawarła z dostawcą umowę o dostarczenie energii
elektrycznej.
4. Odbiornik - urządzenie przemieniające energię elektryczną na inny rodzaj energii użytecznej:
mechaniczną, cieplną, świetlną lub chemiczną.
5. Dostawca - właściwy terytorialnie zakład energetyczny, który zawarł z odbiorcą umowę o dostarczenie
energii elektrycznej
System dzielimy na podsystemy:
" wytwórczy (elektrownie),
" sieć przesyłowa - linie i stacje elektroenergetyczne 750 kV, 400 kV i 220 kV. Sieć przesyłowa jest
siecią ogólnopolską i jest zarządzana przez jednego operatora - PSE Operator SA.
" sieć dystrybucyjna lub rozdzielcza - linie średniego napięcia i linie niskiego napięcia. Sieci
dystrybucyjne są sieciami regionalnymi i są zarządzane przez regionalnych operatorów. Sieć 110 kV
jest częścią sieci dystrybucyjnej, jednak ze względu na sposób pracy (sieć oczkowa, zamknięta)
identyczny jak w sieci przesyłowej, jej praca jest koordynowana przez PSE Operator S.A.
Operatorzy systemu dystrybucyjnego: ENEA, ENERGIA, RWE, Polska Grupa Energetyczna, EnergiaPro,
TAURON, Vattenfall, ENION.