12. Regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej - układ cieplny z n podgrzewaczami regeneracyjnymi

Dla układu cieplnego z n upustami

- Bilans energetyczny turbiny, polegający na zestawieniu strumieni wejściowych i wyjściowych energii, jest następujący:

Wprowadzając oznaczenia względnych udziału pary w poszczególnych upustach:

bilans energetyczny turbiny przyjmie postać:

- Strumień pary D wymagany do wytworzenia mocy N_el można wyznaczyć na podstawie powyższego bilansu:

Sprawność wewnętrzna termiczna obiegu może być określona zależnością:

13. Podstawowe układy cieplne elektrociepłowni parowych

Układ elektrociepłowni parowej z turbiną parową upustowo-kondensacyjną

Układ elektrociepłowni parowej z turbiną przeciwprężną

Układ cieplny bloku ciepłowniczego z turbiną parową upustowo-przeciwprężną BC 100

Układ cieplny bloku ciepłowniczego z turbiną parową upustowo-kondensacyjną (Siemens)

14. Obieg Braytona turbiny gazowej – schemat; wykres p-v, wykres T−s, sprawność

W silnikach spalinowych tłokowych duża bezwładność mechanizmu korbowego jest przyczyną strat pracy mechanicznej. Silniki spalinowe wirnikowe pracują w wyniku ciągłego przepływu czynnika roboczego, stąd uzyskać w nich można dużą moc jednostkową (l1-2). W turbinach gazowych lepsze jest również wykorzystywanie procesu ekspansji, bowiem proces rozprężania czynnika może być doprowadzony do ciśnienia otoczenia, przez co temperatura spalin odlotowych również spada. Wadą turbin jest to, iż z uwagi na rozłożenie procesu izentropowej ekspansji wzdłuż osi turbiny, łopatki pierwszego i drugiego stopnia narażone są na działanie wysokich temperatur dochodzących, we współczesnych konstrukcjach nawet do 1500^oC. Obecnie na łopatki pierwszego stopnia stosowane są specjalne stopy monokrystaliczne, zaś stopnie drugi i trzeci są chłodzone powietrzem.

Na rys. 29. pokazano zestaw aparatów realizujących dwie izentropowe przemiany (sprężarka

i turbina) oraz dwie izobaryczne: grzanie (komora spalania) i chłodzenie (wymiennik ciepła lub otoczenie).

Rys. 29. Schemat turbiny gazowej; a) o układzie otwartym – brak chłodzenia czynnika roboczego, bowiem spaliny wyrzucane są do otoczenia, b) o układzie zamknięty – z chłodzeniem czynnika roboczego.

W turbinach gazowych o obiegu otwartym, paliwem jest gaz naturalny lub syntezowany

(węglowy – produkt zgazowywania) oraz paliwo ciekłe. W turbinach o obiegu zamkniętym można stosować czynnik roboczy o lepszych własnościach np. niektóre gazy szlachetne (H₂,Ar). Obieg Braytona zestawu turbiny gazowej pokazano na rysunku 30. Składa się on z następujących przemian:

• 1 - 2 – sprężanie izentropowe

• 2 - 2 – izobaryczne doprowadzanie ciepła

• 3 - 4 – rozprężanie izentropowe (adiabatyczne)

• 4 - 1 – izobaryczne odprowadzanie ciepła

W obiegu otwartym chłodzenie spalin 4 – 1 następuje w naturalnym otoczeniu poza obiegiem.

Sprawność obiegu Braytona zależy od stosunku sprężania ξ = p₂/p₁ i obliczana jest wg formuły G.B. Braytona (1876):

Rys. 30. Obieg Braytona; a) wykres pracy p-v, b) wykres ciepła T−s

Rzeczywiste obiegi współczesnych turbin gazowych są bardziej skomplikowane: stosuje się w nich, bowiem regeneracyjny podgrzew paliwa, chłodzenie międzystopniowe, bezpłomieniowe spalanie w sekwencyjnych komorach spalania, wtrysk pary wodnej oraz inne zabiegi mające na celu podniesienie sprawności, dyspozycyjności i trwałości urządzenia.

15. Obieg Otto silnika tłokowego - wykres p-v, wykres T−s, sprawność

Realizowany jest w silniku tłokowym (Rys 31) w trakcie czterech suwów tłoka. Podczas ruchu tłoka z położenia gmp do położenia dmp zwiększa się objętość w cylindrze i jest do niego zasysana mieszanka paliwowo-powietrzna (linia 0-1). Podczas powrotnego suwu tłoka z dmp do gmp (krzywa 1-2) mieszanka poddawana jest kompresji i sprężaniu, w wyniku czego zwiększa się temperatura do T2. Gdy tłok znajduje się w punkcie „gmp” zapala się od iskry mieszanka paliwowo-powietrzna i następuje jej szybkie spalenie (linia 2-3). W wyniku tego następuje gwałtowny wzrost temperatury i ciśnienia. Następnie, podwyższone ciśnienie porusza tłok z pozycji gmp do dmp (linia 3-4) i wykorzystywana jest praca mechaniczna kosztem obniżenia ciśnienia i temperatury. W dmp (punkt 4) temperatura i ciśnienie spalin są na tyle niskie, iż nie mogą być wykorzystywane do wytwarzania pracy. Po otwarciu zaworu wylotowego są usuwane

spaliny i następuje spadek ciśnienia (linia 4-5). Podczas powtórnego ruchu tłoka z dmp do gmp (linia 5-0) zawór wylotowy pozostaje otwarty tak, aby została usunięta reszta spalin. Następnie zostaje zamknięty zawór wylotowy a wlotowy otwarty. Podczas suwu tłoka z gmp do dmp następuje ponowne zassanie surowej mieszanki (linia 0-1).

Rys. 31. Wykres indykatorowy silnika spalinowego czterosuwowego z zapłonem iskrowym:

0 – zamknięcie zaworu wylotowego i otwarcie dolotowego,

1 – zamknięcie zaworu dolotowego i początek kompresji,

2 – zapłon paliwowej mieszanki,

3 – koniec spalania,

4 – otwieranie zaworu wylotowego,

5 – koniec spadku ciśnienia

Obiegiem który modeluje pracę czterosuwowego silnika tłokowego jest obieg Otta (1867),

który składa się z dwóch izentrop podzielonych dwiema izochorami. Na rysunku 32 przedstawiono obieg Otta na diagramach pracy i ciepła. Składa się on z następujących przemian sprężystych:

• 1-2 – kompresja izentropowa

• 2-2 – izochoryczne doprowadzanie ciepła

• 3-4 – ekspansja adiabatyczna

• 4-1 – izochoryczne odprowadzania ciepła

Jeśli ciepło doprowadzane qd = q1-2 podczas przemiany izochorycznej, zaś ciepło

wyprowadzane qw = q4-1 oraz stosunek kompresji ε = v1/v2 = v4/v3 , to sprawność obiegu określa następująca formuła Witza:

gdzie К=c_p/c_v dla spalin traktowanych jako gaz doskonały. Sprawność zależy od stosunku kompresji ε i wykładnika Poissona gazu biorącego udział w obiegu.Dla powietrza,К=1,4, wynosi ona od η_Otto = 0,243 dla ε = 2 do η_Otto = 0,602 dla ε = 10. Doświadczenia wykazują, iż istnieje pewna krytyczna wartość ε=ε_kryt, której przekroczenie powoduje szkodliwe dla silnika „stukanie”. Wartość ε_kryt zależy od konstrukcji silnika i rodzaju paliwa i np. dla benzyny waha się ε _kryt = 7 – 12.

Spaliny odprowadzane z silnika mają stosunkowo wysokie ciśnienie około 0,3MPa i temperaturę rzędu 600^oC. Tej wysokiej energii odpadowej nie można już wykorzystać do wytworzenia pracy w silnikach tłokowych, co wiązałoby się z koniecznością wydłużenia cylindra i suwu tłoka. Aby wykorzystać energię spalin wylotowych należy na wylocie wstawić niewielką turbinę gazową, która będzie wspomagała tłoczenie świeżego powietrza (turbodoładowanie).

16. Obieg Diesla silnika tłokowego - wykres p-v, wykres T−s, sprawność

Silniki wtryskowe Diesla (zwane silnikami wysokoprężnymi) różnią się od silników wybuchowych Otta sposobem podawania paliwa. W silnikach wybuchowych używa się mieszanki paliwowo – powietrznej, która po kompresji zapala się od iskry a spalanie odbywa się gwałtownie przy prawie niezmienionej objętości. W silniku wtryskowym Diesla kompresji podlega samo powietrze z resztą spalin. Na krótko przed położeniem zwrotnym otwiera się zawór paliwowy, przez który wtryskuje się ciekłe paliwo pod wysokim ciśnieniem 20–60 MPa, z prędkością 200 – 400 m/s. Paliwo rozpyla się, odparowuje i zapala bez udziału obcych źródeł ciepła, bowiem temperatura powietrza przy końcu kompresji jest odpowiednio wyższa od temperatury samozapłonu paliwa. Proces spalania w silniku Diesla przebiega izobarycznie.

wykres p-v, wykres T−s

Na powyższym rysunku pokazano obieg Diesla składający się z takich przemian sprężystych jak:

• 1 - 2 – kompresja adiabatyczna powietrza,

• 2 - 3 – izobaryczne doprowadzanie ciepła,

• 3 - 4 – ekspansja adiabatyczna.

• 4 - 1 – izochoryczne odprowadzanie ciepła (usunięcie spalin)

O sprawności silnika Diesla decyduje stosunek kompresji ε = v₁/v₂ oraz stopień obciążenia

φ = v₃/v₂ . Dla gazu doskonałego o wykładniku adiabaty К sprawność określa wzór Diesla (1870)

Wartość stopnia obciążenia waha się od 1 do 3,5. Ponieważ wzrost ε i zmniejszenie φ zwiększają sprawność energetyczną obiegu,Siliger i Sabathi usprawnili proces doprowadzania ciepła tak, aby początkowo odbywało się ono izochorycznie, a dopiero później izobarycznie.

17. Elektrownie gazowo-parowe – schemat i wykres T-s

Sprawność obiegu parowego mogłaby być wyższa, gdyby temperatura pary na wlocie do turbiny była wyższa, czyli gdyby średnia temperatura górnego źródła ciepła była wyższa. Natomiast sprawność obiegu gazowego można by podnieść obniżając średnią temperaturę dolnego źródła ciepła. Można także połączyć oba rodzaje obiegów otrzymując układ ze średnią temperaturą źródła górnego jak w układzie gazowym i dolnego jak w układzie parowym. Połączenie obu układów polega na wykorzystaniu dość wysokiej entalpii spalin opuszczających turbinę gazową do wytworzenia pary służącej do napędu turbiny. Na rys. 34 przedstawiony został najprostszy schemat układu gazowo–parowego, a na rys. 35 połączenie obiegów gazowego z parowym.

Siłownia gazowo–parowa charakteryzuje się wysokimi kosztami inwestycyjnymi, ponieważ składa się ona z dwóch osobnych turbozespołów. Rzadko spotyka się rozwiązania, w których obie turbiny napędzają jeden generator. Mimo wysokich kosztów inwestycyjnych przewiduje się ciągły wzrost udziału siłowni gazowo–parowych w energetyce zawodowej, czego przyczyną jest bardzo wysoka sprawność, rzędu 50÷60 %. Wyższe wartości odpowiadają układom bardziej rozbudowanym, z nowoczesnymi turbinami gazowymi i kotłami odzyskowymi dwu– i trójprężnymi.

Uproszczony schemat układu gazowo–parowego: S – sprężarka, KS – komora spalania, T – turbina, G – generator elektryczny, K – kocioł odzyskowy, PW – pompa zasilająca, S – skraplacz

Obiegi układu gazowo–parowego. OG – obieg gazowy, OP – obieg parowy, Q1 – ciepło podgrzania wody, Q2 – ciepło odparowania wody, Q3 – ciepło przegrzania pary