Wykład 19.II.2008
Technika Cieplna - to dział fizyki zajmujący się technicznym, czyli przemysłowym wykorzystaniem energii cieplnej. Pozyskiwaną w wyniku różnego rodzaju przemianom np. reakcji chemicznej, utleniania paliw, na wzrost entalpii, różnego rodzaju procesów.
Wybór podstawowych źródeł energii dla danego zakładu technologicznego podyktowane jest potrzebami technologicznymi.
Wybór źródeł energii, a w praktyce rodzaju paliwa jest jednym z wielu problemów, jakimi zajmuje się gospodarka cieplna w przemyśle w celu dążenia do minimalizacji zużycia energii.
Piece do stalownictwa
Zużycie energii 4000 - 4500kJ na kilogram stali.
Koszty energii są wynikiem jej zapotrzebowania.
Wartość opałowa - ilość ciepła, jaka się wydzieli ze spalenia jednostki masy (1kg) lub jednostki objętości (1m3), jeżeli spalanie jest zupełne i całkowite, a produkt, czyli spaliny są ochłodzone do temperatury substratów, para wodna powstała w wyniku spalania wodoru zawartym w wilgoci powietrza nie zostaje skroplona.
W piecach przemysłowych, które realizują określone procesy technologiczne musimy zapewnić takie konstrukcje by dostosować te urządzenia do określonych technologii nagrzewania.
η=Luż/Edost
Spełnienie warunków wymaga prawidłowego doboru paliwa.
Paliwa - są to substancje (stałe, ciekłe lub gazowe), które w wyniku utleniania z dużą prędkością (zwanego spalaniem) uzyskujemy znaczne ilości energii do wykorzystania, występują w przyrodzie w dużych ilościach, ilościach użytkowanie ich jest ekonomicznie uzasadnione.
Warunki i sposób spalania paliwa:
- rozkład temperatur w komorze pieca
Spalanie - jest to proces fizykochemiczny, utleniania paliwa z dużą prędkością.
Qi= kJ/m3, kJ/kg
p=H(ρpow - ρsp)
m'pal- strumień paliwa kg/s
V'utl- strumień utleniania m3/s
Wkład 26.II.2008
Kosekfejncje związane ze spalaniem
Produktami spalania, które stanowi podstawę zmiany energii chemicznej zawartej w węglu i węglowodorach na inne rodzaje energii są nimi miedzy innymi:
-gazy:
- CO2
- SO2
- NOx, CO groźne dla organizmów żywych
Pozyskiwanie Energii ze źródeł odnawialnych
Potencjał źródeł odnawialnych oraz koszty ich wykorzystania:
-Warunków klimatycznych
- ukształtowania terenu
- warunków geologicznych
Potencjał źródeł odnawialnych Polski ok. 140 mln toe/a
Energia Wodna
Obejmuje energię
- cieków lądowych
- fal prądów i pływów morskich
Energia wodna: 2% produkowanej na świecie energii w tym 20% energii elektrycznej
W bilansie energetycznym kraju - 1,1%
Typy elektrowni wodnych w kraju:
- przepływowe
- zbiornikowe
- pompowe (elektrownie szczytowe)
Koszty produkcji energii w zawodowych elektrowniach wodnych są ~2 razy wyższe aniżeli w konwencjonalnych
Niektórych elektrowniach lokalnych ceny konkurencyjne
Cechy energetyki wodnej - dobre parametry ruchowe
Zalety:
- elektrownia wodna reguluje stosunki wodne
- zbiornik wodny
Energetyka Geotermalna
Wykorzystuje ciepło zgromadzone we wnętrzu ziemi
Wzrost temperatury wraz z głębokością:
Średnio o 25 K/1000m
Lokalnie o 15-80K/1000m
Źródła ciepła we wnętrzu Ziemi:
Rozpad pierwiastków promieniotwórczych
Napływ ciepła z głębszych warstw globu
Promieniowanie słoneczne
Sposoby akumulacji ciepła Ziemi:
W wodzie
W skałach
120-150 stopni C - istnieje możliwość produkcji energii elektrycznej
<120 stopni C - zastosowanie do celów grzewczych i przygotowania ciepłej wody użytkowej
Kryteria opłacalności instalacji geotermalnej:
- głębokość zalegania <2500m
- temperatura >= 60 stopni C
- wydajność 100-200 m3/h
Własności wód geotermalnych:
- duże zasolenie - kilka do kilkuset g/dm3
- niekiedy wydobywają się gazy
Wykorzystanie energii geotermalnej:
- ogrzewnictwo
- przygotowanie ciepłej wody użytkowej
- w rolnictwie
- suszarnictwie
- do ogrzewania stawów hodowlanych
- w obiektach rekreacyjnych
- rekreacyjnych procesach technologicznych
Energia wiatrowa
Wykorzystanie energii wiatrowej:
- do wytwarzania energii elektrycznej
- do napędu
- młynów
- martanków
- pomp wodnych
Wady energii wiatrowej:
- duża dobowa, a także roczna zmienność prędkości wiatru
- częste zmiany kierunku wiatru
Cechy systemów do konwersji energii wiatrowej na energię elektryczną:
- układy stabilizujące moc i częstotliwość
- układy optymalizujące oriętacją turbiny względem kierunku wiatru
- układ akumulacji ciepła lub zapasowe źródło energii
Ujemne skutki elektrowni wiatrowych:
- wysoki poziom hałasu
- możliwość zakłócania fal UKF
- zakłócanie krajobrazu przez maszty wiatraków
Energia słoneczna
Cechy energii promieniowania słonecznego:
- nierównomierna podaż, zależna od:
- szerokości
- klimatu
- pory dnia
- pory roku
- wysoki koszt konwersji na energię elektryczną lub ciepło
Metody wykorzystania energii promieniowania słonecznego:
- konwersja fotowoltaniczna - bezpośrednia zamiana na energię elektryczną
- konwersja fototermiczna wysokotemperaturowa - kotły lub piece słoneczna
- konwersja fototermiczna niskotemperaturowa - instalacje grzewcze
Energetyka biomasy
Biomasa - substancja organiczna powstała w wyniku przetwarzania energii promieniowania słonecznego, słonecznego procesie fotosyntezy - sprawność 1%
Wykorzystanie energetyczne biomasy:
- bezpośrednie spalenie
- przetworzenie na paliwo i gazowe
Najważniejsze źródła energii: słoma i drewno
Słoma:
- do zagospodarowania 7 mln ton rocznie słomy
- do spalenia w postaci sieczki, brykietów, balotów
- najlepsze własności - słoma szara
Biogaz - do produkcji wykorzystuje się:
- osady ściekowe
- odpady komunalne
- gnojowica i nawóz organiczny
Wnioski:
- ilość energii możliwej do uzyskania - znaczna
- technologia wykorzystana - opracowana
Ograniczenia alternatywnych do węglowodorów źródeł energii
- wszystkie naturalne źródła są rozproszone
- nie mogą być wykorzystane w dowolnym czasie
- wymagają odpowiednich warunków klimatycznych, geologicznych, ukształtowania terenu
- w większości mogą być wytwarzane i wykorzystywane w stacjonarnych jednostkach
Dodatkowym istotnym ograniczeniem powszechnego stosowania energii odnawialnych jest ich wysoki koszt, przewyższający znacznie koszt energii uzyskanej ze źródeł konwencjonalnych. Jednakże rachunek kosztów nie uwzględnia całości strat spowodowanych spalaniem paliw organicznych, co powoduje, iż ocena potencjalnych możliwości wykorzystania źródeł odnawialnych jest zaniżona.
Kryteria Wyboru paliwa przyszłości
Wodór H2
Korzyści
- redukcja zanieczyszczenia atmosfery
- większa sprawność energetyczna
- większe bezpieczeństwo energetyczne
Podstawowe źródła:
- H2O
- węglowodory
- biomasa
Sposoby otrzymywania wodoru:
1. Oparte na paliwach kopalnych
Gazyfikacja węgla lub koksu
Najstarsza z metod. Węgiel jest podgrzewany do ok. 900 stopni C. Para wodna jest wprowadzana w obecności katalizatora, np. niklu
C + H2O => CO + H2
Zagospodarowanie CO i CO2
Reforming
Najpopularniejsza i najtańsza obecnie metoda produkcji H2. Reakcja węglowodorów z parą wodną w temperaturze 700 - 1000 stopni C przy ciśnieniu 0,3 - 2,5 MPa w obecności katalizatora.
Termiczna dysocjacja
Podgrzewanie węglowodorów bez dostępu tlenu do temperatury ok. 1600 stopni C, w której następuje rozdzielenia węglowodorów na wodór i czysty węgiel.
CH4 => C + 2H2
2. Wykorzystujące energię za źródeł odnawialnych
Elektroliza wody
2H2O + energia => 2H2 + O2
Wodór wydziela się na elektrodzie ujemnej: katodzie, a tlen na dodatniej: anodzie
Dla zwiększenia przewodności elektrycznej elektrolitu, do wody dodaje się 25% roztworu wodorotlenku potasu.
Termiczna dekompozycja wody na wodór i tlen
- z wykorzystaniem energii jądrowej
- z wykorzystaniem energii słonecznej
Metody wykorzystujące promieniowanie słoneczne
- fotoelektroliza
- metody fotobiologiczne
Gazyfikacja biomasy
CH4 + H2O => CO + 3H2
CO + H2O => CO2 + H2
Współczesne zastosowania wodoru
- amoniak do wytwarzania nawozów sztucznych (ok. 50%)
- benzyna syntetyczna (ok.. 37%)
- metanol
- wodorownie żywności
- szkło
- witaminy
- kosmetyki
- mydła
- smary
- rozpuszczalniki
- nośnik energii (4%)
Główne zastosowania wodoru jako nośnika energii
- ogniwo paliwowe Grove'a (składa się z katody i anody, pomiędzy nimi znajduje się membrana, która przepuszcza jony wodoru, ale nie przepuszcza wolnych elektronów, katoda rozbija wodór/ na katodzie zachodzi reakcja H2= 2H+ + 2e-, na anodzie 0,5O2 + 2H+ + 2e- = H2O)
Zastosowanie
- transport
- produkcja energii elektrycznej
- źródła zasilania awaryjnego
- elektronika
Wymagania rynkowe FC
- cena jednostki mocy urządzenia
- motoryzacja
- stacjonarne systemy zasilania
- żywotność
- problemy konstrukcyjne
- masa i wymiary geometryczne elementów baterii
- dostarczenie powietrza, odprowadzenie wody i ciepła
Cel obecnie prowadzonych działań:
Dorównanie istniejącym systemom przy akceptowalnych kosztach
Wyróżnia się trzy zasadnicze obszary, w których konieczne jest poprawienie wskaźników:
- zbyt wysoka cena jednostki mocy urządzenia
- czas bezawaryjnej pracy urządzenia
-
Spalanie wodoru
- silniki lotnicze i rakietowe
- dodawanie wodoru do gazu ziemnego (do 15%)
- silniki samochodowe ze spalaniem wewnętrznym wodoru
- turbiny gazowe z paliwem stanowiącym mieszankę otrzymywanego z gazyfikacji węgla CO oraz H2
- systemy hybrydowe wykorzystujące nadmiarowy wodór z FC jako paliwo do turbiny gazowej
Magazynowanie H2
Sposoby magazynowania
- w postaci gazowej pod zwiększonym ciśnieniem
- stacjonarne zbiorniki (35;70 MPa)
- naturalne zbiorniki podziemne (Kiel, Niemcy, 32000 m#, 8-16 MPa, 1331m pod ziemią)
- w postaci ciekłej
- w postaci ciekłej: jest przechowywany w perspektywie długotrwałego magazynowania. Izolacja zapewnia utrzymanie w stanie ciekłym przez 12
- w ciałach stałych
- w metalach jako wodorki metali i stopów metalicznych (proces termiczny) Niska kinetyka reakcji, max. 7,5% mas.
- w postaci wodorków powstałych na skutek reakcji chemicznych Niska kinetyka, max 8% mas.
- chemicznych nanografitach (tuby, włókna) 3 - 10% mas.
Transport H2
- w fazie gazowej
- transport lądowy w zbiornikach ciśnieniowych
- rurociągi stalowe (ciśnienie 1 - 2 MPa, średnica 0,2 - 0,3 m)
- w fazie ciekłej
- transport lądowy
- transport morski
- transport powietrzny
Zasadniczy problem:
- produkcja wodoru wymaga energii
Pompy Ciepła
„Produkowane” przez pompy ciepło może być w dużej części pobieranie z ogólnie dostępnego środowiska cechującego się niewyczerpalnymi zasobami energii (np. grunt, cieki wodne, powietrze atmosferyczne), nie powodując przy tym jego degradacji.
Zapewniają:
- wysoki komfort użytkowania
- nie wymagają codziennej obsługi
- cechują się cichą pracą
- nie zanieczyszczają środowiska w miejscu użytkowania
Istotna niedogodność - duże inwestycyjne, zwykle znacząco wyższe od innych, równoważnych systemów pozyskiwania energii.
Podstawy teoretyczne
Pierwsza zasada termodynamiki stwierdza, że w układzie otoczonym osłoną uniemożliwiającą jakąkolwiek wymianę energii z otoczeniem, energia w nim zawarta jest wielkością niezmienną
Energia może być przekazywana przez przepływ ciepła Q lub przez wykonanie pracy mechanicznej L, natomiast nośnikiem energii może być struga czynnika lub prąd elektryczny
Przez źródło ciepła należy rozumieć środowisko, którego można pobierać lub, od którego można dostarczyć energię na sposób ciepła.
Źródłem ciepła o temperaturze wyższej nosi nazwę górnego, natomiast o temperaturze niższej - dolnego.
Druga zasada termodynamiki mówi o tym, że ciepło może samorzutnie przepływać z temperatury niższej do wyższej, a także, że nie istnieje taki silnik, który może zamienić ciepło na prace w całości.
Układ fizyczny, w którym w sposób ciągły część ciepła pobieranego z górnego źródła zmienia się na pracę, nazywamy silnikiem cieplnym.
Sprawność silnika jest definiowana jako:
η= L/Qg gdzie: L - praca ( L = Qg - Qd )
Qg - ilość ciepła
Sprawność silnika zawsze mniejsza od jedności.
Efektywność energetyczna oziębiarki określa współczynnik wydajności ziębniczej ξz określony
ξz =Qg/L
Efektywność energetyczną sprężarkowej pompy ciepła to ξp.
ξp=Qg/L lub Qg/(Qg- Qd)
zawsze większe od 1, dolne źródło musi być darmowe.
Wykład 11.III.2008
Wynika z niej, że współczynnik wydajności cieplnej pompy ciepła jest zawsze większy od jedności.
Termodynamiczną ocenę sprężarkowej pompy ciepła można przeprowadzić poprzez porównanie z idealnym odwróconym obiegiem Marnota, którego sprawność określa zależności
η= Tg/(Tg - Td) Tg, Td - temperatura górnego i dolnego źródła ciepła
Z powyższej zależności wynika, że współczynnik wydajności cieplnej pompy jest tym wyższy, im mniejsza jest różnica temperatury górnego górnego dolnego źródła ciepła, czyli źródła ciepła.
Dlatego pompa ciepła jest szczególnie zalecana do systemów grzewczych z niską temperaturą pracy, jak np. ogrzewanie podłogowe lub grzejnikowe niskotemperaturowe. Pompa ciepła może w takich układach osiągać bardzo wysokie współczynniki efektywności, przy możliwie najniższych kosztach.
Kryterium klasyfikacji praktycznie stosowanych pomp ciepła jest oparta na sposobie spęczanie czynnika roboczego.\
Jeśli jest to praca mechaniczna jest dostarczana bezpośrednio na wał sprężarki napędzanej silnikiem spalinowym lub elektrycznym, wówczas takie urządzenie zalicza się do grupy sprężarkowych pomp ciepła.
Gdy do sprężania dostarcza się energii na drodze ciepła, które następnie zamieniane jest na pracę sprężania, wówczas tak działającą pompę ciepła kwalifikuje się do grupy sorpcyjnych, sorpcyjnych, których najbardziej rozpowszechnione są pompy absorpcyjne.
Po wypłynięciu z parowacza P para czynnika o parametrach opisanych stanem w punkcie 1 jest sprężana w sprężarce Spr do stanu opisanego parametrami w punkcie 2.
Podczas kompresji następuje przyrost temperatury czynnika roboczego. Następnie jest on kierowany do skraplacza S, gdzie kondensuje przy stałym ciśnieniu i temperaturze osiągając stan 3. Zawór rozprężony powoduje obniżenie ciśnienia i temperatury cieczy do stanu opisanego parametrami w punkcie 4.
Powstała mieszanina dwufazowa o przeważającej objętości cieczy jest kierowana do parowacza, gdzie następuje izobaryczne i izotermiczne.
Energia potrzebną do sprężania par czynnika roboczego dostarczana jest na drodze pracy L wykonanej przez silnik sprężarki, najczęściej elektryczny.
W rzeczywistości obiegach na skutek przepływu czynnika przez wymienniki ciepła występują spadki i straty ciepła do otoczenia.
W skład sprężarkowej pompy ciepła wchodzi szereg takich urządzeń, które można podzielić na następujące grupy:
1. agregat sprężarkowy
2. wymienniki ciepła: skraplacz, parowacz, ewentualnie wymienniki dochodzące ciecz po skropleniu
3. układ przewodów transportujących czynniki roboczy
Orientacyjne wartości rzeczywistych sprawności energetycznych pomp ciepła ξp cytowanej w literaturze wynoszą:
- instalacje ciepłej wody grzewczej (tg=45 stopni C) 3,5-4,0
- podgrzewanie wody basenowej
- w zimie 4,0 - 6,0
- w lecie 6,0 - 8,0
- ogrzewanie konwekcyjne z grzejnikami członowymi (tg=60 stopni C) 2,5 - 3,5
- ogrzewanie przez promieniowanie 3,5 - 5,5
Obiegu dolnego źródła ciepłą, który ma za zadanie odebranie ciepła przez krążący w nim odrębny czynnik (o niskiej temperaturze krzepnięcia)
Obiegu górnego źródła ciepła, którego zadaniem jest odebranie ciepła wydzielonego w skraplaczu na skutek kondensacji czynnika roboczego i przekazania go krążącego.
Dolne źródła ciepła
Terminem dolne źródło ciepłą jest określane środowisko, z którego czerpane jest ciepło służące odparowaniu czynnika roboczego.
Powinno charakteryzować się zastępującymi temperaturami:
1. dużą pojemnością cieplną
2. możliwie wysoką i niezmienną czasie temperaturą
3. łatwą dostępnością, niskimi kosztami inwestycji i eksploatacji oraz transportu ciepła
4. zgodnością możliwej do pobrania mocy źródła ciepła z zapotrzebowaniem (wysoką koherentnością)
5. znikomym oddziaływaniem chemicznym i mechanicznym na instalację pompy ciepła
Źródła ciepła można podzielić na:
1. naturalne
- powietrze atmosferyczne
- grunt
- wody powierzchniowe i gruntowe
- promieniowanie słoneczne
2. sztuczne
- powietrze odpadowe
- spaliny
- woda chłodząca
- ścieki
Źródła mogą być wykorzystywane
Pojedynczo w układach zwanych monowalentnymi
Parami - układy biwalentne
Temperatura źródła jest istotnym czynnikiem decydującym o sprawności pompy ciepła i użyteczności ciepłą dostarczonego do górnego źródła.
Temperatura źródeł odnawialnych zależy od ich rodzaju i pory roku, przy czym znaczne zmiany temperatury mogą występować w bardzo krótkim przedziałach czasowych.
Ponadto większość tych źródeł wykazuje złą koherentność, bowiem podczas największego zapotrzebowania na ciepło ich moc jest często najniższa.
Najkorzystniejsze pod tym względem są wody gruntowe.
Spalanie
Skład chemiczny paliw stałych oraz paliw ciekłych określają udziały masowe.
Udziały te określają liczbę kilogramów wyszczególnionych analizą i pierwiastków pierwiastków wody w 1 kilogramie paliwa. Jest to tzw. analiza elementarna.
Zmienna ilość wody w paliwie powoduje, że analizę chemiczną laboratorium prowadzi się dla próbki odpowiednio przygotowanej. Próbka węgla o masie mr dostarczana z badanego obiektu jest próbka w tzw. stanie dostarczonym lub roboczym. Przed analizą laboratoryjną suszona jest w pomieszczeniu laboratoryjnym. W efekcie odparowuje pewna masa wody mh2o. Uzyskuje się próbkę w tzw. stanie powietrzno - suchym o masie ma.
1 - (mh2o/mr) = (ma/mr)
wilgoć
przemijająca Wex
1 - Wex = (ma/mr)
Wykład 18.III.2008
Charakterystyka paliw
Paliwa - występujące w dużych ilościach w przyrodzie stałe, ciekłe i gazowe związki chemiczne elementarnego węgla (C), wodoru (H), siarki (S). wydzielające podczas spalania ciepło, które można gospodarczo wyzyskać.
W zależności od pochodzenia, paliwa dzieli się na:
I. naturalne
1. nieodnawialne(kopalne) - tof, węgiel brunatny, kamienny, ropa naftowa, gaz ziemny
2. odnawialne
- biomasa - drewno, słoma
- odpady zawierające substancje palne między innymi odpady komunalne, medyczne, przemysłowo, itp.
II. sztuczne - alkohole , oleje roślinne, olej opałowy ze smoły węglowej
Paliwa stałe
Torf - jest najmłodszym paliwem kopalnym i składa się z części roślin, które uległy częściowemu uwęgleniu w wodzie bez dostępu powietrza. Pokłady torfu leżą na terenach podmokłych w warstwach o grubość około 3 metrów. W stanie surowym wilgotność torfu sięga 90%, a po wysuszeniu na powietrzu około 25%. Wartość opałowa torfu bezwodnego wynosi 11300do 16000 kJ/kg.
Węgiel brunatny - jest paliwem geologicznie młodszym od węgla kamiennego, a jego substancja organiczna jest mniej uwęglona, zawartość części lotnych wynosi 40 - 60%. Wartość opałowa wynosi 8500 - 16500 kJ/kg w stanie roboczym, przy wilgotności w granicach 25 - 40%.
Węgiel kamienny
Chemiczna struktura węgla
- substancja organiczna (C, H, S) - substancja palna węgla
- substancja mineralna i wilgoć - balast
Części lotne - gazowa substancja uwalniająca się w procesie nagrzewania węgla (proces pirolizy i odgazowania). Ułatwiają zapłon węgla (istotny parametr).
Pochodzenie biomasy
Większość biomasy jest pochodzenia roślinnego roślinnego i powstała w procesie fotosyntezy z wykorzystaniem energii słonecznej.
Fotosynteza - fotochemiczna konwekcja energii słonecznej w energią chemiczną węglowodanu (reakcja syntezowanie wody i dwutlenku węgla).
Uwalniamy w tej reakcji tlen pochodzi nie z dwutlenku węgla, ale z rozkładu wody
Sprawność energetyczna fotosyntezy nie przekracza 1%, ale nawet to zapewnia uzyskiwanie znacznych przyrostów biomasy (do 50 Mg z jednego hektara upraw).
Biopaliwa
Trudności bezpośredniego wykorzystania biomasy do celów energetycznych
- duże wilgotność
- stan skupienia
- niewygodne wymiary
- znaczne rozproszenie (koszt transportu)
Przetworzenie w biopaliwach (uszlachetnianie) -> większa wartość opałowa
- kosztowne (koszt prasowania słomy wynosi 5 - 25 zł/Mg)
- energochłonne (zużycie energii chemicznej przy wytwarzaniu brykietów z drewna przekracza ich wartość opałową)
Względy ekonomiczne
Paliwa ciekłe
- naturalne (ropa naftowa i jej pochodne, oleje łukowe, smoła łupkowa)
- sztuczne (alkohole, paliwa z upłynniania węgla, oleje roślinne)
ropa naftowa - prawdopodobnie pochodzenie organiczne (celuloza, węglowodany, proteiny, lignina, lipidy)
skład ropy naftowej
mieszanina około 3000 węglowodorów + części mineralne
skład frakcyjny
- benzyna lekka (40 - 160 stopni C)
- benzyna ciężka (160 - 200 stopni C)
- nafta ( 200 -223 stopni C)
- olej napędowy (223-360 stopni C)
- lekki destylat próżniowy (360 - 540 stopni C)
- ciężki destylat próżniowy (powyżej 540 stopni C)
za względu na zawartość siarki (odnosi się do przetworzonej ropy naftowej)
- niskosiarkowa (S<0,5%)
- siarkowa (S=0,5-2%)
- wysokosiarkowa (S>2%)
Paliwa ciekłe otrzymywane z ropy naftowej i ich własności
- benzyna
- nafta
- oleje napędowe i opałowe
Sztuczne paliwa ciekłe
- olej opałowy ze smoły
- alkohole
- metylowy
- etylowy
zalety
- jako paliwo silnikowego jest mniejsza emisja HC i NOx w wyniku spalania
- brak popiołu
- brak tendencji do tworzenia sadzy
wady
-
-
-
metanol etanol
zapotrzebowanie powietrza do spalania kg/kg 6,45 9,01
zapotrzebowanie powietrza w paliwach ciekłych jest w 10 - 11,55 m3/kg.
wartość opałowa kJ/kg jest powyżej 40 000.
Paliwa gazowe
Naturalne
- gaz ziemny
- gaz kopalniany
Sztuczne
- gaz miejski
- gaz koksowniczy
- gaz wielkopiecowy
- gaz konwertorowy
- produkt zgazowania węgla
- wodór (można powiedzieć)
- bogate (np. gaz ziemny wysokotemperaturowy Qi = 35 MJ/m3)
- ubogie (np. gaz ziemny zaazotowany Qi = 25 MJ/m3)
Zalety gazu jako paliwa (w stosunku do paliw stałych i ciekłych)
- wysoka sprawność energetyczna gazu
- nie wymaga magazynowania u użytkownika
- umożliwia uzyskanie stabilności strumienia ciepła i temperatury spalania
- łatwa regulacja płomienia
- łatwa obsługa palenisk i kotłów gazowych
- łatwa automatyzacja procesu spalania
- spalanie bezdymne i bezpopiołowe
- łatwość kontrolowania emisji
Głównym składnikiem paliw gazowych jest metan.
Wartość opałowa do 35 150 kJ/m3
Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do 9,35 m3/m3 gazu suchego
Podstawy spalania
Spalanie - fizykochemiczne zjawisko polegające na utlenianiu składników palnych tlenem własnym (proch strzelniczy) lub tlenem z potwietrza atmosferycznego z wyniku, którego wydziela się ciepło połączone ze zjawiskami świetlnymi.
Produkty ostatecznego utleniania składników palnych paliwa:
- dwutlenek węgla
- dwutlenek siarki
- para wodna
W zależności od szybkości reakcji utleniania rozróżnia się
- spalanie powolne - biologia
- spalanie techniczne - zachodzi w procesach termicznej utylizacji substancji zawierających składniki palne.
W zależności gdzie to spalanie się odbywa:
- spalanie wewnętrzne - odbywa się w zamkniętych obszarach, ale przy wysokim ciśnieniu
- spalanie zewnętrzne - odbywa się w zamkniętych obszarach, ale w dużych objętościach
- spalanie otwarte - odbywa się w przestrzeniach otwartych
To ile się wydzieli ciepła nie zależy od reakcji, czyli zależy od stanu początkowego i końcowego substratów.
Substratów punktu widzenia od urządzenia:
- kinetyczne - jeśli substancje palne mieszamy przed spalaniem, a palnik nazywamy kinetycznym
- dyfuzyjne - jeśli proces mieszania zachodzi w komorze spalania, a palnik palnikiem dyfuzyjnym
Wykład 8.IV.2008
Bilans energii jest praktycznym zastosowaniem zasady energii.
W przypadku analizy tego samego procesu z wykorzystaniem bilansu substancji i energii należy pamiętać, że osłona bilansowa musi być wspólna. Strumienie substancji przenikające przez osłonę bilansową niosą energię kinetyczną potencjalną i entalpię. Jeżeli rozpatrywane są procesy wysokotemperaturowe, dwa pierwsze człony są daleko mniejsze od czynników można podzielić na entalpię fizyczną, liczoną jako nadwyżkę ponad stan określony temperaturą i ciśnieniem odniesienia wyznaczony przez tzw. substancje odniesienia. Liczba przyjętych substancji odniesienia musi być równa liczbie pierwiastków uczestniczących uczestniczących procesie.
Przy ciśnieniach bliskich ciśnieniu atmosferycznemu entalpia fizyczna gazów zależy tylko od temperatury. Wartości średniego ciepła właściwego lub entalpii właściwej zamieszczone są w tabelach dla temperatury odniesienia równej t0=0 stopni C.
Podstawy obliczeń procesów spalania paliw
Obliczenia ciepła spalania i wartości opałowej paliwa
Dal paliw stałych i ciekłych
Qs=Qi+r0w, kJ/kg paliwa
Gdzie: w - kgH2O/kg paliwa - całkowita ilość pary wodnej powstałej za spalania 1kg paliwa, (przy pominięciu wilgoci z powietrza spalania)
Do obliczeń technicznych przyjmuje się ciepło parowania wody r0 = 2500 kJ/kg, ilość pary w spalinach oblicza się z bilansu wodoru
(nH2) paliwo = (((Wt^r[kgH2O/kg paliwa])/18[kaH2O/kmol H2O])*1([kmolH2]/[kmolH2O]))+(H^r[kg H2/ kg paliwa]/ 2 [kg H2/kmol H2]= (Wt^r/18)+(H^r/2)
Dla paliw gazowych
Ilość pary wodnej oblicza się z równania bilansu wodoru, a w przypadku wysokiej zawartości wilgoci w gazie i powietrzu spalania, te wartości wprowadza się do równania bilansu.
W=18/22,42(H2+H2S + ∑(m/2)Cnym - VH2o^p+VH20^g) [kg H2o/m^3 paliwa]
Wartość opałową i ciepło spalania paliw gazowych oblicza się jako sumę iloczynów ciepła spalania lub wartości opałowych poszczególnych składników palnych i ich udziałów objętościowych gazie.
Qs= 12629 CO + 12756 H2 + 39736 CH4 + 63180 C2H4 + 69617 C2H6, kJ/m^3
CO, H2, CH4, C2H4, C2H6 - udziały objętościowe składników w gazie m^3/m^3 paliwa
Obliczenia stechiometryczne podczas całkowitego całkowitego zupełnego spalania
Dal paliw stałych i ciekłych:
C + O2= CO2
1 kmol C + 1 kmol O2 -> 1koml CO2
12 kgC + 22,42 m^3O2 -> m^3 CO2
dla paliw gazowych:
CO + 0,5 O2 -> CO2
1 kmol CO + 0,5 kmol O2 -> 1 kmol CO2
22,42 m^3 CO + 0,5*22,42 m^3 O2 -> 22,42 m^3 CO2
Obliczenia ilości tlenu i powietrza do spalania
Tlen stechiometryczny - minimalna ilość tlenu konieczna do całkowitego całkowitego zupełnego spalania jednostki paliwa zgodnie z równaniem stechiometrycznym.
Tlen teoretyczny - tlen stechiometryczny pomniejszony o wolny tlen zawarty w paliwie
Dla 1 kg węgla kamiennego minimalna ilość tlenu dostarczonego do spalania z powietrzem atmosferycznym, czyli tlenu teoretycznego wynosi:
Ot=(C^r/12)+(H^r/4)+(S^r/32)-(O^r/32), kmol O2/kg paliwa
Gdzie: C^r, H^r, S^r, O^r - udziały masowe składników paliwa w stanie roboczym, kg składnika/ kg paliwa
Dla 1 m^3 paliwa gazowego objętość tlenu teoretycznego, wyniesie:
Ot=∑ziOsti-O2, m^3 O2/m63 paliwa
Gdzie: zi - udział objętościowy palnego składnika paliwa, m^3 składnika/m^3 paliwa
Osti - tlen stechiometryczny palnego składnika paliwa, m^3 O2/m^3 składnika
Ot= ½ CO + ½ H2 + 3/2 H2S + (n+(m/4))CnHm + O2, m^3 O2/m^2 gazu
Powietrze teoretyczne - minimalna ilość powietrza, która należy dostarczyć do całkowitego i zupełnego spalania jednostki paliwa. Teoretyczną jednostką objętość powietrza V0 oblicza się przy założeniu objętościowego składu powietrza suchego
0,21 V0= Ot / m^3 paliwa gazowego
V0=(100/21) Ot=4,76 Ot, m^3 powietrza/kg paliwa lub m^3 powietrza/m^3 paliwa
Stosunek nadmiaru powietrza - stosunek ilości powietrza dostarczonego do spalania jednostkowej ilości paliwa (powietrza całkowitego), do ilości powietrza teoretycznego
λ=V/V0=((100/21)Oc)/((100/21)Ot)=Oc/Ot
Oc=λ Ot, m^3/kg paliwa stałego lub m^3/m^3 gazu
Vc=λ V0, m^3/kg paliwa stałego lub m^3/m^3 gazu
Wykład 15.IV.2008
Składniki spalin podczas spalanie z nadmiarem powietrza:
CO2 - z paliwa, ze spalania węgla oraz składników palnych zawierających węgiel
SO2 - z paliwa, za spalania siarki i związków siarki
H2O - z wilgoci paliwa, za spalania wodoru H2 i składników palnych zawierających wodór oraz z wilgoci powietrza dostarczonego do spalania
N2
O2
Objętość wilgotnych spalin rzeczywistych, powstałych ze spalania 1 kg paliwa stałego i ciekłego, z nadmiarem powietrza λ>1:
V's = Vco2 + Vso2 + Vh2o + Vn2 + vo2, m^3 spalin wilgotnych /kg paliwa
Vco2 = (22,42/12)*C^r, m^3 CO2/ kg paliwa
Vso2 = (22,42/32)*S^r, m^3 SO2/ kg paliwa
Vh2o = 22,42((Wt^r/18)+(H^r/2))+Vh2o^p, m^3 H2O/ kg paliwa
Vh2o^r = 1,6*x*V, m^3 H2O/ kg paliwa (wilgoć wprowadzona z powietrzem)
X[g H2O/ kg powietrza suchego] - zawierzenie powietrza
Vn2 = (22,42/28)*N^r + 0,79*λ*V0, m^3 N2/ kg paliwa
Vo2 = Oc - Ot = Ot*(λ-1) = 0,21*(λ-1)V0, m^3 O2/ kg paliwa
Ilość spalin rzeczywistych (λ>1) powstałych za spalania 1 m^3 paliwa gazowego oblicza się zgodnie z równaniami stechiometrycznymi, biorąc pod uwagę udziały objętościowe składników palnych w gazie, na przykład:
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O
1 kmol CH4 + 2 kmol O2 -> 1 kmol CO2 + 2 kmol H2O
Algorytm do obliczenia objętości spalin wilgotnych dla λ>1 jest następujący:
Vs' = Vco2 + Vso2 + Vh2o + Vn2 + Vo2, m^3 spalin / m^3 paliwa
Vco2 = CO2 + CO + ∑mCmHn, m^3 CO2 / m^3 paliwa
Vso2 = SO2 + H2S, m^3 SO2 / m^3 paliwa
Vh2o = H2O + H2 + H2S + ∑(n/2)*CmHn + 1,6xV0λ, m^3 H2O / m^3 paliwa
Vn2 = N2 + 0,79 V0 λ, m^3 N2 / m^3 paliwa
Vo2 = Oc - Ot = Ot*(λ-1), m^3 O2 / m^3 paliwa
[CO2] = Vco2/Vs', m^3 CO2 / m^3 spalin wilgotnych
W praktyce przemysłowej do określenia składu chemicznego spalin służą automatyczne analizatory gazów. Przed wprowadzeniem do analizatora spaliny są osuszane, a więc wynik analizy podaje udziały objętościowe składników spalin suchych.
Ilość spalin całkowitych suchych wynosi:
Vss = Vs' - Vh2o, m^3 spalin suchych / kg lub m^3 paliwa
[CO2] = (Vco2/Vss)*100, %
Zawartość wody w spalinach określa się niezależnie jako stopień zawilżenia spalin
Znając strumień masy spalanego paliwa stałego lub ciekłego m', kg/s można obliczyć strumień spalania z równania:
V'p = m'*V0*λ, m^3/s
Dla strumienia objętości spalanego paliwa gazowego V'g, m^3/s, strumień objętości powietrza spalania oblicza się z równania:
V'p = V'g*V0*λ, m^3/s
Strumień objętości spalin opuszczających komorę spalania wynosi:
V'sp = m'*Vs', m^3/s
lub
V'sp = V'g * Vs', m^3/s
Gdzie: Vs' - objętość spalin rzeczywistych wilgotnych odniesiona do jednostki paliwa.
Kontrola procesu spalania
Największe efekty ekonomiczne i energetyczne procesu spalania uzyskuje się podczas całkowitego i zupełnego spalania z teoretycznym stosunkiem nadmiaru powietrza,
1. spalanie ze stosunkiem nadmiaru powietrza λ=1 może powodować duże straty stałych i gazowych składników palnych (szczególnie paliw stałych) ze względu na utrudniony kontakt tlenu ze składnikami palnymi paliwa. Gazowe składniki palne emitowane ze spalinami do atmosfery powodują zanieczyszczenie środowiska naturalnego.
2. najwyższa temperatura spalania dla λ=1 przyczynia się do powstania nadmiernej ilości termicznych tlenków azotu
Zbyt wysoki nadmiar powietrza powoduje obniżenie temperatury spalania oraz nadmierną ilość spalin (wzrost entalpii spalin opuszczających proces).
Podstawowe parametry kontroli procesu spalania:
1. stosunek nadmiaru powietrza
2. rzeczywista temperatura spalania
Kontrolę stosunku nadmiaru powietrza w oparciu o analizę elementarną paliwa i analizę chemiczną spalin można przeprowadzić analityczne lub graficzne, natomiast temperaturę kontroluje się przez bezpośredni pomiar lub obliczenia.
Stosunek nadmiaru powietrza spalania
Stosunek nadmiaru powietrza - stosunek ilości powietrza całkowitego, dostarczonego do spalania jednostkowej ilości paliwa, do ilości powietrza teoretycznego.
Stosunek nadmiaru powietrza powinno się obliczać po sporządzenie bilansów pierwiastkowych węgla, wodoru, tlenu i azotu.
Do szybkiej kontroli stosunku nadmiaru powietrza (także ilości powietrza dopływającego do paleniska) można stosować przybliżone wzory, w oparciu o analizę chemiczną składu spalin.
Dla paliwa zawierającego niewielkie ilości azotu (węgiel kamienny, koks)
Przy spalaniu zupełnym: przy spalaniu niezupełnym:
λ=1/(1-(79[O2]/21[N2])) λ= 1/ (1-((79*([O2]-1/2*[CO]))/21[N2])
W przypadku, gdy znana jest analiza chemiczna paliwa można stosować wzór przybliżony:
λ=kmax/[CO2] = [CO2]max/[CO2]
Max, [CO2]max - maksymalna zawartość dwutlenku węgla w spalinach suchych (x=0) obliczona dla procesu całkowitego całkowitego zupełnego spalania paliwa (CO = 0) z teoretyczną ilością powietrza spalania (λ = 1),
[CO2] - zmierzona koncentracja dwutlenku węgla w spalinach.
Najdokładniejszą metoda wyznaczenia stosunku powietrza jest oznaczenie go z bilansu substancji. Bilansuje się 4 pierwiastki: N, C, H, O.
Graficzna kontrola procesu spalania
Najczęściej stosowany trójkąt Ostwalda
Wykład 22.IV.2008
Temperatura spalania
Temperatura kalorymetryczna (własność paliwa)
- spalanie adiabatyczne (silnik spalinowy)
- spalanie z teoretyczną ilością powietrza
- spalanie bez wykonania pracy
- spaliny niezdysocjowane
Temperatura teoretyczna
- spalanie adiabatyczne
- spalanie bez wykonania pracy
- spaliny zdysocjowane
Temperatura rzeczywista
- spalanie nieadianatyczne
- spalanie bez wykonania pracy
- spaliny zdysocjowane
Spalanie w kotłach parowych
- rusztowe
- pyłowe
- fluidalne
Zadania paleniska
- podawanie wymaganej ilości paliwa i utrzymanie go w palenisku podczas spalania
- dostarczenie powietrza spalania i odpowiednie wymieszanie go z paliwem
Etapy spalania mieszanki pyłowo - powietrznej w komorze paleniskowej kotła:
- suszenie, odgazowanie i zapłon cząstek węglowych, co trwa 0,2 - 0,2 s
- intensywne spalanie mieszanki pyłowo powietrznej w przeciągu 0,5 - 1,5 s na drodze 1 - 5m z wytworzeniem jądra płomienia o temperaturze 1500 - 1600 stopni C
- dopalanie grubych cząstek węgla i schładzanie spalin w czasie 1- 3 s na długości 2/3 komory spalania
Rodzaje palenisk pyłowych (w zależności od usytuowania palników)
- z palnikami naściennymi
- z palnikami stropowymi
- z palnikami narożnymi
przygotowanie węgla
- rozdrobnienie surowego węgla w kruszarkach
- zmielenie w młynkach
- transport pyłu bezpośrednio z młyna do palników pyłowych
Kotły fluidalne
Najważniejsze zalety fluidalnej technologii spalania:
- uproszczenie układu przygotowanie paliwa
- możliwość spalania paliw niskiej jakości i zawilgoconych
- wyrównania temperatura złoża
- ograniczenie emisji NOx dzięki możliwości kontrolowania temperatury złoża
- można ograniczyć emisje SO2
Ze względu na strukturę warstwy fluidalnej rozróżnia się kotły
- ze stacjonarną (pęcherzykową) warstwą fluidalną
- cyrkulującą warstwą fluidalną
Ze względu na ciśnienie w warstwie fluidalnej rozróżnia się kotły:
- atmosferyczne (ciśnienie w kotle bliskie ciśnieniu atmosferycznemu)
- ciśnieniowe (ciśnienie znacznie większe od atmosferycznego)
Główne cechy procesu spalania w kotłach fluidalnych:
- bezpośrednie kontakt cząstek z intensywną wymianą masy i ciepła, co zapewnia wyrównaną temperaturę w złożu
- bezpośrednie podawanie sorbentów do złoża, co umożliwia skuteczną kontrolę emisji zanieczyszczeń gazowych (SO2 i HCl)
- łatwość kontroli temperatury złoża przez dozowanie paliwa, powietrza i odbiór ciepła
- duża pojemność cieplna złoża, umożliwiająca spalanie zawilgoconych paliw
Wykład 29.IV.2008
Mechanizm spalania cząstek węglowych w złożu fluidalnym typu pęcherzykowego pęcherzykowego cyrkulującego jest zbliżony i obejmuje
- krótki okres w złożu
- odgazowanie cząstek węgla w złożu (4-5 s w temperaturze 900 stopni C)
- spalanie części lotnych nad złożem
- spalanie cząstek koksu w złożu (w przypadku węgla kamiennego 3 -5 minut)
- powietrze do spalania w złożu fluidalnym jest rozdzielone na powietrze fluidyzujące (pierwotne) i powietrze wtórne
- spalanie w złożu odbywa się w warunkach podstechiometrycznych (λ<1), pozostała część powietrza podawana jest nad złożem, gdzie spalane są części lotne i CO
- w kotłach fluidalnych ze złożem cyrkulującym stosuje się głębsze stopniowanie powietrza (λ= 0,5 - 0,6)
Atmosferyczne kotły fluidalne:
- moc cieplna do 30 MW
- stacjonarne złoże fluidalne
- udział masowy paliwa (węgla) w złożu: 3-5%
- rozmiar cząsteczek węgla - do 6 mm
- wysokość złoża - ok. 600 - 1000 mm
- prędkość powietrza fluidyzacyjnego - 1- 3 m/s
Typowe wartości ważniejszych parametrów eksploatacyjnych kotłów z cyrkulującym złożem fluidalnym:
- stosunek nadmiaru powietrza 1,1 - 1,2
- temperatura w złożu 850 - 870 stopni C
- stopień wypalenia 96 - 98 %
- skuteczność wiązania siarki 90% (dla ca/s =1,5)
Ciśnieniowe kotły fluidalne
Charakterystyczne cechy kotłów złożem fluidalnym
- mała komora paleniska (objętość czynników gazowych pod zwiększonym ciśnieniem jest mniejsza)
- dostarczane do kotła powietrze jest sprężone do 1 - 2 MPa
Ruch cieczy elastycznej
Rozważania termodynamiki klasycznej dotyczące czynnika termodynamicznego sprowadzały się do analizy tego czynnika przy zmiennych parametrach termodynamicznych, takich jak ciśnienie i temperatura, entalpia, entropia, ciepło, itd. Przy założeniu, że czynnik znajduje się w spoczynku.
W technice najczęściej spotykany przypadek dotyczy cieczy elastycznej (gaz, para, ciecz ściśliwa) jako czynnika termodynamicznego znajdującego się w ruchu, a w szczególności podczas przepływu.
W rzeczywistości ruch ustalony nie występuje w szczególności podczas przepływu gazów, a cząsteczki gazu mają zmienne prędkości i kierunki czasie tał. Wprowadzając do rozważań problemu pojęcie średniej prędkości masowej zastępującej różne wielkości prędkości rzeczywistej oraz różne jej kierunki zakłada się, że ruch jest ruchem stacjonarnym. Masa cieczy elastycznej jest jednakowa dla prędkości średniej i prędkości rzeczywistej zgodnie z równaniem ciągłości strugi.
G=Fw/v = const [kg/s]
Sporządźmy bilans energii dla położonych w nieskończenie bliskiej odległości przekrojów zaznaczonych na rysunku. Entalpia właściwa czynnika w przekroju A wynosi i, jego średnia prędkość - wm, środek tego przekroju leży na wysokości H. W przekroju sąsiadującym wymienione wielkości przyjmują wartości A+Da, wm+dwm, h+dH. Między tymi przekrojami dopływa do czynnika ciepło dq. Między tymi przekrojami czynnik nie wykonuje żadnej pracy zewnętrznej. Bilans energii dla obydwu przekrojów jest następujący
Pomijając człon dH jako znacznie mniejszy od pozostałych składników
dq=di+d((wm^2)/2)
Porównując z równaniem I zasady termodynamiki (drugie równanie I Z.T.)
dq=di-vdp
okazuje się, że praca techniczna (-vdp) zużyta została na przyrost energii kinetycznej.
d((wm^2)/2)=-vdp
Różnica pomiędzy pracą przetłaczania pv potrzebną do wprowadzenia 1 kg czynnika do przekroju A i pracą wytłaczania (p+dp)(v+dv) potrzebnąjego do usunięcia z przekroju A+Da wynosi
pv - (p+dp)(v+dv)=-vdp-pdv
Tylko część (-vdp) została zużyta na zwiększenie energii kinetycznej. Pozostała część (-pdv) zużywa się na deformację, tj. zmianę objętości 1kg czynnika przy przepływie z przekroju A o ciśnieniu p do przekroju (A+dA).
Jeżeli przepływ cieczy odbywa się w kanale izolowanym (omijając tarcie) i nie następuje wymiana ciepła z otoczeniem, dp=0 oraz nie występuje praca tarcie, wówczas równanie różniczkowe przyjmuje postać
dq=di + d((wm^2)/2) -di=d((w^2)/2)
Po rozwiązaniu równania i zmianie granicy całkowania otrzymuje się
I1-i2=((w2^2)-(w1^2))/2 i1+((w1^2)/2)=i2+((w2^2)/2)=ic=const.
Ic=i+((w^2)/2) - entalpia właściwa całkowita, jest to suma entalpii właściwej statycznej i oraz entalpii właściwej dynamicznej ((w^2)/2).
Jeżeli podczas przepływu zachowana zostanie stała entalpia całkowita przepływ taki spełnia warunki przepływu adiabatycznego adiabatycznego nazywa się przepływem izentropowym.
Różniczkowa postać ciągłości strugi wdw=-vdp
Dla przepływu izotropowego wprowadzając zapis entalpii jako kalorycznej funkcji stanu równanie wynikające z I Z.T. można zapisać: di =cpdT
cpT1+((w1^2)/2)=cpT2+((w2^2)/2) cp - ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu
T1+((w1^2)/(2*cp))=T2+((w2^2)/(2*cp))=Tc
Dla małych prędkości w<50 m/s wpływ temperatury dynamicznej pomija się.
Przepływ cieczy elastycznej przy małym spadku ciśnienia. Podstawy pomiarów strumienia przepływu.
Dla małych spadków ciśnienia medium w rurociągu można przyjąć, że objętość właściwa cieczy elastycznej nie ulegnie zmianie. Ciecz także nie rozpręży się podczas przepływu.
V1=v2=const.
Uproszczenie to zastosować można do przypadku, gdy różnica ciśnień nie jest większa niż 10%, p/p0< 1,1.
((w2^2)-(w1^2))/2 = v(p1-p2)
Jeżeli spadek delta p= p1 - p2 nastąpił ze względu na przewężenie rurociągu, wówczas przewężenie to wyrazić można tzw. stosunkiem przewężenia lub stopniem rozwarcia:
M=F2/F1=(d2/d1)^2
Alfa - liczba przepływu uwzględnia jąka m.in. prędkości czynnika przed przewężeniem, stopień rozwarcia m, własności fizyczne czynnika, tarcie czynnika o ścianki rurociągu itp.
Epsilon - liczba ekspansji zależy od rodzaju medium oraz ciśnienia spiętrzenia delta p. dla par i gazów epsilon zależy od wykładnika adiabaty oraz stosunku (delta p/p).
Na podstawie powyższych zależności stosuje się odpowiednie elementy spiętrzające do pomiaru natężenia przepływu (kryzy i dysze).
Pomiar strumienia przepływu za pomocą rurek spiętrzających Pilota i Prandtla.
Wykład 6.V.2008
Wykorzystując równanie Beroulliego
pst + ((ρw^2)/2)=const.=PC
I wykonując pomiar rozkładu ciśnienia statycznego pst i całkowitego pc, czyli ciśnienia dynamicznego obliczyć można prędkość w każdym punkcie pomiaru można ze wzoru:
w=pierw.(2*((pc-pst)/ ρ))=pierw(2*(pd/ρ))
Średnią prędkość w przekroju poprzecznym wyznacza się z zależności
Wśr = (całka(wndF))/F G' = (F*wśr)/v
Teoria podobieństwa
Podobieństwo geometryczne - polega na podobieństwie kształtu obiektu doświadczalnego i obiektu rzeczywistego sprowadzające się do proporcjonalności pewnych wybranych
Podobieństwo hydrodynamiczne - przepływy cieczy elastycznej można porównać z sobą wówczas, jeżeli spełniają one równowagę hydrodynamiczną. Jeżeli dwa układy opisane są parametrami np. gęstości
Podobieństwo cieplne - jeżeli dwa układy spełniają podobieństwo geometryczne i podobieństwo hydrodynamiczne to po spełnieniu stałości stosunków temperatury oraz rodzaju wymiany ciepła w wybranych punktach, układy te spełniać będą warunki podobieństwa cieplnego.
T1/t1'=t2/t2'=t3/t3'=idem qp/qp'=qk/qk'=
Dwa układy będą podobne hydrodynamiczne, gdy stosunek sił bezwładności do sił tarcia występujących podczas przepływu cieczy elastycznej będzie jednakowy, czyli będą jednakowe liczby Reynoldsa.
Re=(w*d)/v
w - prędkość
Dla przepływów, podczas których występuje tarcie stosuje się kryterium oporów hydraulicznych Eulera.
Dla wszystkich przekrojów, przekrojów tym szczególnie przekrojów niekołowych stosuje się pojęcie tzw. średnicy hydraulicznej stanowiącej stosunek powierzchni przekroju do obwodu zwilżonego przez ciecz elastyczną
dn = (4*F)/ Oz
Przepływy medium w rurociągach
Przepływ gazu przez rurociągi ma zazwyczaj charakter burzliwy, prędkość przepływu jest większa od 0,1 m/s. rozpatrując odcinek rurociągu pomiędzy dwoma przekrojami F1 i F2 równanie Bernoulliego zapisać można
(p1 + (w1^2*p1)/s)=(p2+(w2^2*p2)/2) + delta pstr
Jak widać z równania suma energii ciśnienia p oraz energii kinetycznej medium zmniejsza się w przekroju 2 o wielkość pracy potrzebnej na pokonanie oporów przepływu na odcinkach 1-2. Wielkość tej pracy wyrażona jest spadkiem ciśnienia całkowitego delta pstr i nosi nazwę oporów przepływu.
W rurociągach podczas przepływu rozróżnia się:
- opory tarcia -(hydrauliczne) spowodowane tarciem medium o ścianki rurociągu
- opory lokalne -(miejscowe) spowodowane przeszkodami konstrukcyjnymi rurociągu
- opory hydrostatyczne - wynikające z różnicy ciśnień pomiędzy ośrodkami transportu medium.
Opory tarcia
Jednostkowa praca tarcia jest proporcjonalna do współczynnika tarcia λ, długości odcinka rurociągu dx oraz kwadratu prędkości w^2 a odwrotnie proporcjonalny do średnicy hydraulicznej dh rurociągu.
dIf = λ*((w^2dx)/(2*dh))
Współczynnik tarcia λ jest funkcją kryterium Re.
Dla ruchu laminarnego laminarnego rurociągu gładkich hydrauliczne (nierówności) mieszczą się w warstwie przyściennej
λ =64/Re
dla ruchu burzliwego:
- Re <= 80 000 stosuję się wzór Blasiusa λ=0,316 Re^-0,25
- Re - 5 000 - 200 000 wzór amerykański λ= 0,184 R^-0,2
-
Wykład 13.V.2008
Ze względu na zasadę działania wentylatory dzielą się zasadniczo na trzy grupy:
1. odśrodkowe (promieniowe), gdzie kierunek ruchu tłoczonego gazu styczny do obwodu wirnika jest prostopadły do osi wirnika
2. osiowe, kierunek ruchu medium jest równoległy do osi wirnika
3. mieszane, osiowo - promieniowe
4. poprzeczne
Wentylatory odśrodkowe umożliwiają uzyskanie ciśnienia medium do około 5*10^3 Pa, a wentylatory osiowe do około 3*10^3 Pa. W technice najczęściej stosowane są wentylatory odśrodkowe i wentylatory osiowe.
Charakterystyka sieci wentylacyjnej
W celu odpowiedniego doboru sieci rurociągów i wentylatorów konieczna jest znajomość spadku ciśnienia na całej długości sieci. Spadek ciśnienia zależy od oporów tarcia, oporów lokalnych i oporu hydrostatycznego
Δp=λ ((w²ρ)/2)*(I/dn)+∑ξ((w²ρ)/2)+Δp0
Δp0=pk - p0 opór hydrostatyczny występuje wówczas, gdy ciśnienie ośrodka, do którego medium jest wtłaczane jest wyższe od ciśnienia zasysania.
Zmiana punktu pracy wentylatora
Punkt pracy wentylatora A oraz odpowiadające punkty ilości pobranej mocy B oraz sprawności C zmienić można przez:
• zmianę oporu jednostkowego sieci
• zmianę prędkości obrotów wentylatora
• zmianę parametrów geometrycznych wentylatora
Współpraca 2-ch wentylatorów
W przypadku dużego zapotrzebowania np. powietrza do spalania, znacznych wahań wydatku oraz zapewnienia pewnej rezerwy w razie wypadnięcia z ruchu jednego z wentylatorów stosuje się połączenie równoległe, natomiast konieczność zwiększenia ciśnienia tłoczonego powietrza wymaga zastosowania szeregowego połączenia wentylatorów.
Wpływ cieczy elastycznej
W zamkniętym izolowanym (dq=0) zbiorniku znajduje się gaz (ciecz elastyczna) pod stałym ciśnieniem i zerową prędkością liniową w=0.
Podczas wypływu tego gazu zachodzi
cpT+(w^2)/2 = cpT0+ (w0^2)/2
dla w=0 (w0^2)/2=cp(T-T0)=cpT(1-(T0/T))
z równania mayera stanu gazu równania adiabaty
cp = Ri*(x/(x-1)) t=(p*v)/Ri (To/T)=(P0/P)^((x-1)/x)
w0 = √(2*(x/(x-1))*p*v[ 1- (p0/p)^((x-1)/x)]
Wykład 27.V.2008
Czujniki rezystancyjne
Jeśli rezystancja wzrasta z temperaturą to są to czujniki rezystancyjne, a jeśli spada to są to półprzewodniki.
Takie czujniki wykonuje się głównie z metali.
1. platyna
2. miedź
3. nikiel
Rt=R0(1+k(t-t0)) podstawowy warunek na metale do czujników rezystancyjnych
- liniowa charakterystyka
- ciągła charakterystyka
- wysoka temperatura topnienia
Czujniki półprzewodnikowe
Stopy proszków tlenków metali
Zmieniają one swoje charakterystyki z czasem
Czujniki tego typu mogą być czujnikami miniaturowymi
Metody pomiaru temperatury bezstykowe (pirometry)
Wykorzystują prawa promieniowania ciała doskonale czarnego.
Intensywność promieniowania ciała doskonale czarnego:
I=(2hv^3)/((c0^2)*exp(hv/kT) -1)
Prawo Stefana-Boltzmana
E0=C0*(T/100)^4=σ*T^4
Emisyjność monotoniczna ελ=Eλ/E0λ
Emisyjność całkowita ε=E/E0
Pirometry
- radiacyjne
- pasmowe
- monochromatyczne (optyczne)
- dwubarwowe (lub multichromatyczne)
Do każdego pomiaru musimy znać emisyjność.
Trz = (4√(1/ε))*Tcz
Tremostos - kilka termoelementów połączonych na jednej płytce o dużej emisyjności.
Bolometry - termometr rezystancyjny umieszczony w próżniowej banieczce.
Piroelektryczne - wytwarzane na skutek promieniowania. Zjawisko to wymaga modulowania.
Najczulsze detektory to detektory piroelektryczne.
Pirometry pasmowe
Diody
- krzem
- german
Przedziały, w których są zakresy pirometrów fotoelektrycznych są zależne od własności gazów.
Ciało czarne - to emisyjność zależna od długości fali
Ciało szare - to emisyjność nie zależna od długości fali
Pirometry dwubarwowe
Mierzy się stosunek wielkości z pomiarów 2 pirometrów monochromatycznych.
Temperatura ta mierzona przez ten pirometr nazywana jest temperaturą barwową.
Trz=Tb pod warunkiem, że εm=ελz.
Detektory termowizyjne
- pojedyncze
- linijkowe
- matrycowe
- chłodzone
- niechłodzone
- termiczne
- fotonowe
W termowizji są ważne rozdzielczość temperaturowa i rozdzielczość.