Kotły i silniki parowe

Kocioł parowy to naczynie zamknięte, w którym pod działaniem energii cieplnej woda przechodzi w parę o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego, a para ta jest użytkowana na zewnątrz kotła. Występuje tutaj zamiana energii cieplnej na mechaniczna. Dostarczając ciepło otrzymujemy w tych maszynach prace. Pośrednikiem w tym procesie jest tzw. czynnik termodynamiczny, którym sa z reguły gazy lub pary.

Wytwarzanie pary w kotle jest związane z 3 zjawiskami:

1. Spalaniem paliwa do wytworzenia potrzebnej ilości ciepła.

2. Wymiana ciepła miedzy spalinami a woda zasilająca.

3. Parowanie wody.

Kocioł musi być zasilany woda, paliwem i powietrzem. Produktem głównym kotła jest para wodna o określonym ciśnieniu a produktami ubocznymi sa spaliny, popioły i żużel.

Schemat urządzenia kotłowego

W skład urządzenia kotłowego wchodzą:

1. Parownik, czyli właściwy kocioł, w którym z wody wytwarza się parę mokra, nasycona o wysokim stopniu suchości.

2. Palenisko, jest to urządzenie służące do przetwarzania energii chemicznej paliwa na energie cieplna w procesie spalania. Jego budowa zależy od rodzaju paliwa i budowy kotła.

3. Przegrzewacz pary- jego zadaniem jest osuszanie pary pobieranej z parowiska oraz przegrzanie jej do zadanej temperatury ( 300-350C).

Podstawowe parametry techniczne, które charakteryzują każde urządzenie kotłowe:

1. Wydajność kotła- D- ilość pary wytworzonej w ciągu 1 godz., wyrażona jest w kg/godz. lub tona/godz. (najwyżej 3 tys. ton/godz.).

2. Ciśnienie pary- P- zawiera się w granicach 50 kPa do 60Mpa.

3. Temperatura pary- t- osiąga temperaturę do 550-700C dla pary wysokoprzegrzanej.

4. Powierzchnia ogrzewalna- H- to pole powierzchni ścianek parownika, które sa po jednej stronie omywane woda a po drugiej spalinami. Powierzchnia ogrzewania H wynosi kilka m” dla małych kotłów i dochodzi do 20tys. m” w dużych kotłach. Powierzchnia ta liczona jest od strony spalin.

5. Natężenie powierzchni ogrzewalnej- D/H- jest to stosunek wydajności kotła do pola powierzchni ogrzewalnej i wyraża się liczba kg. pary wytworzonej w ciągu 1godz w przeliczeniu na 1m” powierzchni ogrzewalnej kotła. Wartość tego parametru charakteryzuje wykorzystanie pow. ogrzewalnej i zależy głównie od konstrukcji paleniska i kotła a także od rodzaju paliwa i rodzaju pary urządzenia kotłowego.

6. Wielkość odparowania- D/B- jest to stosunek wydajności kotła do ilości B-kg. węgla spalanego w ciągu 1godz.

7. Sprawność urządzenia kotlowego-n (eta)- to stosunek ciepła wykorzystanego użytecznie na wytworzenie pary w kotle do całkowitej ilości energii dostarczonej do paleniska w postaci energii chemicznej paliwa. Sprawność waha się od 0,5 do 0,94. O jego wart6osci decydują straty energii cieplnej, które praktycznie sa nieuniknione. Największa jest strata kominowa spowodowana unoszeniem dużej ilości niewykorzystanego ciepła przez gorące spaliny do komina. Aby je zmniejszyć instaluje się podgrzewacze wody.

Silniki parowe- jego działanie polega na zamianie energii wewnętrznej czynnika o wysokiej temperaturze (pary wodnej w kotle) na prace. Zamiana ta może wystąpić podczas wymiany ciepła miedzy ciałem o wysokiej i niskiej temperaturze. Zgodnie z 2 zasada termodynamiki cześć ciepła pobranego z pary wodnej nieuchronnie przechodzi do otoczenia lub skraplacza a pozostała cześć ciepła powoduje wykonanie przez silnik reakcji mechanicznych. Silniki te maja zastosowanie w siłownikach cieplnych, których prądnice wytwarzają prąd elektryczny.

Uproszczony schemat połączeń urządzeń siłowni parowej

Działanie siłowni parowej.

W kotle parowym-1 następuje przemiana wody w parę nasycona, która w podgrzewaczu-2 zamienia się w parę przegrzana. Para przechodzi do silnika parowego-3, w którym rozpręża się i wykonuje prace napędzając prądnice elektryczna-4. Po opuszczeniu silnika para wodna nasycona o małym ciśnieniu po i niskiej temperaturze przechodzi do skraplacza-5, który chłodzi wodę. Pompa-6 przetłacza skropliny do kotła parowego i obieg czynnika zamyka się.

Definicja tłokowego silnika parowego.

Jest to silnik cieplny, w którym energia wewnętrzną pary wodnej zamienia się w prace, za pomocą tłoka poruszającego się w cylindrze ruchem postępowo zwrotnym. Ciśnienie pary działa na przemian lub po jednej stronie tłoka a ruch tłoka jest przekazywany przez ukl. Korbowy i przekształca się w ruch obrotowy wału korbowego.

Turbina parowa.

Jest cieplnym silnikiem wirowym, w którym energia wewnętrzna pary zamieniona w dyszy na energie kinetyczna strugi zostaje przekazana łopatkom wirnika. Zasadniczymi elementami turbiny parowej sa: nieruchoma dysza oraz obracający się wirnik z odpowiednio ukształtowanymi łopatkami.

W turbinach akcyjnych rozprężanie pary zachodzi jedynie w dyszy, a przepływ strugi pary przez kanał miedzylopatkowy wirnika odbywa się przy stałym ciśnieniu. Kanał miedzylopatkowy ma stale pole przekroju poprzecznego.

W turbinie reakcyjnej para rozpręża się częściowo w dyszy, a częściowo w kanałach miedzyłopatkowych wirnika. Pole kanału miedzylopatkowego zmienia się podobnie jak w dyszy.

Schemat jednostopniowej turbiny akcyjnej parowej.

Głównymi elementami sa: nieruchoma dysza i obracający się

wirnik z łopatkami. W dyszy zmniejsza się ciśnienie pary a wzrasta

jej prędkość. Struga pary przepływającej wzdłuż łopatek wirnika

wywiera na nie napór, co wywołuje ruch obrotowy wirnika.

Turbina parowa redukcyjna (reakcyjna?)

- para przepływająca przez zwężające się kanały miedzy łopatkami wirnika turbiny reakcyjnej rozpręża się w nim jak w dyszach i zwiększa swoja prędkość względną a przyspieszeniu strugi towarzyszy siła reakcji hydrodynamicznej obracającej wirnik

Zasada pracy turbiny parowej

Zmiana pędu następuje, dlatego ze struga zmuszona do przepływu pomiędzy odpowiednio ukształtowanymi łopatkami. Ze zmiana pedu łączy się pojawienie popędu a wiec siły wywieranej na łopatki przez strugę siła ta może być rozłozoma na 2 składowe Po wzdłuż wirnika PN prostopadła do osi wirnika

Silniki spalinowe

Silniki spalinowe przekształcają energie cieplna paliw na prace mechaniczna. S o spalaniu wewnętrznym, co oznacza ze paliwo spalane jest bezpośrednio w cylindrze roboczym silnika bądź w komorze spalania stanowiącej całość konstrukcyjna z silnikiem

Spalaniu paliwa towarzyszy gwałtowny wzrost temp oraz znaczne i bardzo szybkie zwiększenie objętości gazow powst jako produkt spalania. Gazy te SA czynnikiem termodynamicznym, który pośredniczy w zamianie energii cieplnej na prace mechaniczna pod względem konstrukcyjnym można rozróżnić następujące

1 – kadłub z blokiem cylindrowym

2 – skrzynia korbowa, 3 – głowica z zaworami, 4 – układ korbowy

Rodzaje silników

- silniki tłokowe o ruchu tłoka postępowo zwrotnym

- typ winkla z tłokami wirującymi

- przepływowe silniki wirowe

- przepływowe silniki odrzutowe

Silniki tłokowe podział

- ze względu na cykl pracy 2,4 suwowe

- w zależności od sposobu przygotowania mieszanki (gaźnik wtrysk)

- rodzaj zapłonu (iskrowy samoczynny)

- sposób chłodzenia (ciecz powietrze)

- rodzaj konstrukcji (ukł korbowy bezkorbowy)

Skład zespołów silnika niezbędnych do prawidłowej pracy

- mechanizm rozrządu

- układ zasilania

- ukł zapłonu

- ukł chłodzenia

- ukł smarowania

Podstawowe wskazniki i parametry silnika spalinowego

- D średnica cylindra

- S skok tłoka odl miedzy zwrotnymi położeniami tłoka

- Vs poj skokowa cylindra

- Vk poj komory spalania

- E stopień sprężania stosunek całkowitej poj cylindra Vs+Vk do poj komory spalania Vk

- k współczynnik skoku tłoka

- n prędkość obrotowa wału korbowego

- Mo średni moment Obr wału korbowego przenoszony na maszynę lub przekładnie

- ηn sprawność mechaniczna stosunek pracy użytecznej do pracy indukowanej

- Ne moc użyteczna

Fazy pracy silnika 4 suwowego

Suw ssania ruchowi tłoka w dół towarzyszy otwarcie zaworu ssącego ZS i napłyniecie do komory roboczej mieszanki paliwa z powietrzem. Gdy tłok osiągnie wewnętrzny punkt zwrotny rozpoczyna się ruch ku górze i jest realizowany suw sprężania pod jego koniec w pobliżu zwrotnego punktu Zp następuje zapłon mieszanki proces spalania powoduje gwałtowny wzrost temp i ciśnienia gazu następuje zmiana czynnika roboczego na spaliny. One realizuja suw, w którym wykonywana jest praca i trwa do chwili, gdy tłok osiągnie wewnętrzny punkt zwrotny WZP nastąpi otwarcie zaworu wylotowego ZW w czasie ruchu tłoka ku górze spaliny sa z cylindra usuwane – suw wydechu. Kończy się z chwila osiągnięcia ZZP. Otwarci zaworu wlotowego rozpoczyna nowy cykl pracy silnika