Definicja i podział maszyn

Maszyny są to urządzenia służące do przetwarzania jednej postaci energii w inną lub w pracę w celu ułatwienia człowiekowi pracy fizycznej lub umysłowej. Dzięki maszynom praca ludzi jest wielokrotnie wydajniejsza i bardziej ekonomiczna.

Maszyny dzielą się na:

1. maszyny energetyczne

2. maszyny robocze

Silniki są to maszyny pobierające energię z zewnętrznego źródła w celu jej przetworzenia na energię mechaniczną potrzebną do napędu innych maszyn roboczych.

Zależnie od postaci dostarczonej energii silniki dzielą się na:

1. wodne - wykorzystują energię potencjalną wody

• wiatrowe - wykorzystują energię kinetyczną wiatru

• cieplne - wykorzystują energię wewnętrzną :

• otrzymaną w procesie spalania paliw konwencjonalnych

• wyzwoloną wskutek reakcji jądrowej

• wykorzystującą energię promieniowania słonecznego

• eksploatowaną w postaci energii geotermalnej czerpanej z głębi ziemi

• elektryczne.

Silniki cieplne dzielą się na:

1. silniki o spalaniu zewnętrznym do których należą tłokowe silniki parowe i turbiny parowe

2. silniki o spalaniu wewnętrznym

Prądnice wytwarzają z energii mechanicznej energię elektryczną.

Sprężarki przetwarzają energię mechaniczną na energię ciśnienia.

Maszyny robocze są to maszyny pobierające od silników energię mechaniczną w celu przetworzenia jej na pracę użyteczną potrzebną do pokonania oporu tworzyw. Opór ten może być związany ze zmianą kształtu i wymiarów ciała lub jego położenia.

Maszyny transportowe są to maszyny przeznaczone do zmiany położenia ciał i dzielą się na:

1. środki transportu bliskiego

• dźwignice

• przenośniki

2. środki transportu dalekiego

• samochody

• samoloty

• tabor kolejowy

• statki

3. środki transportu materiałów sypkich, cieczy i gazów.

POMPY są to urządzenia służące do podnoszenia cieczy z poziomu niższego na wyższy(zmiany energii potencjalnej grawitacji) lub do przetłaczania cieczy z obszaru o ciśnieniu niższym do obszaru o ciśnieniu wyższym(zmiany energii potencjalnej sprężystości).

Ponieważ pompy są maszynami przepływowymi, to część energii potencjalnej zmienia się w energię kinetyczną, którą zawsze należy brać pod uwagę.

Podstawową zależnością opisującą pracę pomp jest równanie energetyczne ruchu płynów


cz.stat. cz.dynam. cz.położ.

suma ciśnienia statycznego, dynamicznego i położenia jest wartością stałą.

W zależności od sposobu pracy przemieszczania cieczy z przestrzeni ssawnej do przestrzeni tłocznej pompy dzieli się na:

1. przenośnikowe

2. wyporowe

3. wirowe

Pompy przenośnikowe są to urządzenia służące w zasadzie do zwiększenia jedynie energii potencjalnej grawitacji cieczy lub mieszaniem cieczy z ciałami stałymi.

Opis do rysunków(rys.1)

1. Czerpadło pobiera ciecz z dolnego zbiornika i podnosi ją na pewną wysokość zwiększając jej energię potencjalną lecz nie zmieniając ciśnienia i energii kinetycznej. Rozróżnia się czerpadła pojemnikowe, ślimakowe, śrubowe i cięgnowe. Czerpadła pojemnikowe są to koła czerpakowe z umieszczonymi na ich obwodzie pojemnikami napełniającymi się cieczą przy obrocie koła, która następnie wylewa się do umieszczonego wyżej koryta. Pojemniki mogą być również umocowane do łańcucha. Rolę pojemników mogą też pełnić odpowiednio ukształtowane łopatki.

2. Koło czerpakowe

3. Czerpadło ślimakowe - jest to koło z odpowiednio ukształtowanymi kanałami

4. Czerpadło cięgnowe - wykorzystuje lepkość przenoszonej cieczy, rolę cięgna pełnić może np. lina, która podnosi oblegającą ją ciecz zdejmowaną następnie zgarniaczami i kierowaną do zbiornika górnego.

5. Czerpadło śrubowe ma nachylony do poziomu wirnik utworzony przez zwoje nawiniętej nań śrubowo blachy. Obracający się w korycie wirnik przenosi ciecz w porcjach zawartych między sąsiednimi zwojami a ścianami koryta. Czerpadła te są obecnie często stosowane w oczyszczalniach ścieków, zakładach wzbogacania rud oraz przy odwadnianiu.

6. Pneumatyczne przenośniki cieczy pracują na zasadzie bezpośredniego oddziaływania sprężonego powietrza lub pary a czasami spalin na ciecz wypychających ją z komory roboczej do obszaru tłocznego. Cechą ich jest przemienność działania, wskutek czego komory robocze są na przemian ssawne i tłoczne. Czerpadło S zasysa powietrze z komory 2 i wtłacza je do komory 1 wskutek czego do komory 2 ciecz dopływa a z komory 1 jest wytłaczana. Przez automatyczne połączenie zaworów Z₁ i Z₂ można osiągnąć nieprzerwane działanie urządzenia.

7. Powietrzny podnośnik cieczy, tzw. pompa Mamut, działa na zasadzie ruchu słupa cieczy o mniejszej gęstości wypełniającej przewód 3 pod wpływem naporu słupa zasysanej cieczy o większej gęstości wypełniającej studnię. Sprężone powietrze doprowadzone rurociągiem 1 do garnka 2 tworzy z wodą mieszaninę rozrzedzoną. Zaletą urządzenia jest niezawodność działania i mały koszt.

8. Uderzeniowy przenośnik cieczy, tzw. taran hydrauliczny, wykorzystuje do podnoszenia cieczy zjawisko uderzenia hydraulicznego. Woda wypływa ze zbiornika zasilającego 1 kanałem 2 i przepływa przez zawór zwrotny 3 zamykający się przy pewnej wartości strumienia, co wywołuje uderzenie hydrauliczne. Wzrost ciśnienia powoduje otwarcie zaworu tłocznego 4 i przepływ wody do powietrznika 5, kanału tłocznego 6 i zbiornika 7. po wytłoczeniu pewnej dawki cieczy następuje równoczesne zamknięcie zaworu 4 i otwarcie zaworu 3. Pod wpływem ciśnienia powietrza, ciecz jest dalej wtłaczana do zbiornika 7.

9. Strumienica - działa wykorzystując zjawisko spadku ciśnienia wskutek wzrostu prędkości w przewężeniu. Ciecz, para lub gaz będący czynnikiem roboczym, wypływające z dyszy zasilającej 1 rozpręża się do ciśnienia niższego od ciśnienia czynnika transportowanego zasysając go do komory 2 w zwężce 3 i komorze mieszania 4. Następuje przyrost energii kinetycznej czynnika zassanego, zaś w dyfuzorze 5 następuje wzrost ciśnienia obu zmieszanych czynników. Czynnikiem zasysanym może być dowolna ciecz. Ze względu na prostotę budowy, niezawodność pracy i łatwość obsługi strumienice są szeroko stosowane w energetyce, urządzeniach chłodniczych, klimatyzacji, transporcie hydraulicznym, odwadnianiu szybów, ciepłownictwie itp.

10. Elektromagnetyczny przenośnik cieczy pracuje na zasadzie oddziaływania prądu elektrycznego na ciekły metal w zamkniętym kanale rurowym. Przenośniki elektromagnetyczne są stosowane w zakładach metalurgicznych, w reaktorach jądrowych chłodzonych ciekłym sodem itp. Ich zaletą jest brak części mechanicznych i całkowita szczelność. Wadą jest niska sprawność.

POMPY WYPOROWE

Pompy wyporowe są to pompy, których działanie polega na pobraniu określonej dawki cieczy z przestrzeni ssawnej a następnie przetłoczeniu, czyli wyparciu tej dawki do przestrzeni tłocznej za pomocą ruchomego elementu roboczego.

Warunkiem działania pompy tego typu jest szczelne odcięcie przestrzeni ssawnej od tłocznej.

W zależności od rodzaju ruchu elementu roboczego, pompy wyporowe dzielą się na:

1. pompy o ruchu postępowo-zwrotnym organu roboczego. Organem roboczym jest w tym przypadku tłok, nurnik lub przepona(membrana)

2. pompy o ruchu obrotowo-zwrotnym organu roboczego, którym jest tłok skrzydełkowy

3. pompy o ruchu obrotowym organu roboczego (tzw. pompy rotacyjne) którym może być tłok, koło zębate lub wirnik śrubowy

4. pompy o ruchu obiegowym organu roboczego

5. pompy przewodowe.

Pompy o ruchu postępowo-zwrotnym mogą być jedno lub wielo cylindrowe oraz jednostronnego lub wielostronnego działania. Elementem roboczym tych pomp jest tłok, tj. płaski organ talerzowy lub nurnik tj. organ w postaci pełnego walca. Elementy te umieszczone są w cylindrach lub kadłubie. Napędzane są zazwyczaj za pomocą mechanizmu korbowego zamieniającego ruch obrotowy na postępowo zwrotny.

Przedstawione niżej pompy widoczne są na rys. nr 2:

1. pompa tłokowa jednostronnego działania

2. pompa tłokowa dwustronnego działania

3. pompa z tłokiem zaworowym

4. pompa nurnikowa

5. pompa membranowa

6. pompa wielotłoczkowa promieniowa

7. pompa wielotłoczkowa osiowa

l) pompa klapkowa podwójnego działania

Pompy o ruchu obrotowym są pompami, w których organ roboczy oddziela obszar ssawny od obszaru tłocznego, wskutek czego zbędne są zawory sterujące. Organ roboczy takiej pompy w czasie jednostajnego obrotu dookoła swej osi powiększa okresowo przestrzeń ssawną zmniejszając jednocześnie przestrzeń tłoczną. Wskutek tego jednocześnie następuje zasysanie cieczy przez pompę i tłoczenie jej na zewnątrz. Zaletami pomp wyporowych o ruchu obrotowym organu roboczego w porównaniu z innymi pompami wyporowymi są:

• równomierniejsza wydajność

• prostsza konstrukcja takich pomp

• mniejsze gabaryty takich pomp przy tej samej wydajności

• możliwość sprzęgania większości typów takich pomp bezpośrednio z szybkobieżnymi silnikami.

Do pomp wypornościowych rotacyjnych zalicza się:

1. pompy zębate (rys. h)

2. pompy śrubowe jednowirnikowe (rys. i)

3. pompy śrubowe wirnikowe (rys. j)

4. pompy ślimakowe (rys. k)

5. pompy łopatkowe promieniowe (rys. m)

6. pompy krzywkowe jednowirnikowe (rys. n)

7. pompy krzywkowe dwuwirnikowe (rys. o)

8. pompy tarczowe (rys. p)

9. pompy Roodsa

Pompy przewodowe - perystaltyczne, są to pompy w których ciecz przetłaczana jest w elastycznym przewodzie pod wpływem nacisku rolek umieszczonych na obracającym się wirniku. Rozróżnia się pompy z wirnikiem jedno lub wielo ramiennym (rys. s)

POMPY WIROWE

Pompy wirowe są to pompy, których działanie polega na nadaniu cząsteczkom cieczy krętu w wirniku z łopatkami obracającymi się ze stałą prędkością obrotową. Ciecz przepływająca przez wirnik podlega działaniu siły odśrodkowej lub siły wyporu łopatek.

Pompy wirowe dzielą się na:

1. krętne

2. krążeniowe

3. o swobodnym przepływie.

Pompy wirowe krętne to pompy w których organem roboczym jest wirnik łopatkowy osadzony na obracającym się wale powodujący przepływ od strony ssawnej do tłocznej. W czasie przepływu przez wirniki lub zespół wirników wzrasta ciśnienie i energia kinetyczna cieczy, następnie zamieniona częściowo na ciśnienie w elementach odprowadzających ciecz z wirnika.

Pompy wirowe krętne dzielą się na:

1. odśrodkowe jednostrumieniowe (rys. a)

2. odśrodkowe dwustrumieniowe (rys. b)

3. odśrodkowe z wirnikiem kanałowym (rys. c)

4. helikoidalne

5. diagonalne

6. śmigłowe

7. odśrodkowe samozasysające z krążeniem cieczy.

Pompa odśrodkowa zbudowana jest z korpusu w kształcie spirali w którym porusza się osadzony na wale wirnik składający się z łopatek odchylonych w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wirnika.

Warunkiem działania pompy jest wstępne jej zalanie wodą, która wypełni korpus i rurę ssawną.

Pompy helikoidalne (d) charakteryzują się ukośnym przepływem cieczy przez wirnik. Pompy te mają kierownicę bezłopatkową i spiralną lub cylindryczny kanał zbiorczy.

Pompy diagonalne (e) są to pompy o przepływie promieniowo- osiowym z wirnikiem wyposażonym w kilka łopatek. Dalszy przepływ cieczy po wypływie z wirnika odbywa się w kierunku osiowym.

Pompy śmigłowe (f) są to pompy o osiowym przepływie przez wirnik. Wirnik może mieć stałe lub nastawne łopatki. Kierownica łopatkowa może być umieszczona przed lub za wirnikiem.

Pompy odśrodkowe samozasysające (g) mają wirniki podobne do wirników stosowanych w zwykłych pompach odśrodkowych bez samo zasysania. Pompy te mają jednak obudowę o specjalnym kształcie z podwójnym spiralnym kanałem zbiorczym, dzięki czemu po uruchomieniu pompa wysysa powietrze z przewodu ssawnego a następnie już normalnie zasysa i tłoczy ciecz.

Pompa wirowa krążeniowa (h, i) jest pompa, która sama zasysa ciecz. Jest to zaleta, której pozbawione są klasyczne pompy wirowe krętne. W pompach tego typu następuje znaczny przyrost energii cieczy wskutek kilkakrotnego przepłynięcia jej przez kanały międzyłopatkowe wirnika. Pompy te dzielą się na: bocznokanałowe (h) i peryferalne (i).

Pompa o swobodnym przepływie (j) posiada między wirnikiem a kadłubem swobodną przestrzeń umożliwiającą transport hydrauliczny rozdrobnionych ciał stałych i cieczy gęstych lub włóknistych.

MASZYNY SPRĘŻAJĄCE

Maszyna sprężająca jest to maszyna do sprężania i przetłaczania czynników gazowych. Pobiera ona energię od silnika, w który musi być wyposażona. Maszyny sprężające mogą pracować jako samodzielne jednostki lub wchodzić w skład bardzo złożonych urządzeń, takich jak chłodziarki, silniki cieplne, kotły parowe itp.

Wielkości charakteryzujące maszyny sprężające to:

1. wytwarzane ciśnienie

2. wydajność tj. strumień objętości

3. sprawność

4. natężenie hałasu

5. cechy konstrukcyjne i eksploatacyjne.

Ze względu na wartość wytwarzanego przyrostu ciśnienia gazu maszyny sprężające można podzielić na:

1. sprężarki o przyroście ciśnienia 0,2 - 200 MPa

2. dmuchawy o przyroście ciśnienia 15 - 200 kPa

3. wentylatory o przyroście ciśnienia do 15 kPa

4. pompy próżniowe wytwarzające podciśnienie.

W zależności od zasady działania rozróżnia się maszyny sprężające objętościowe i przepływowe.

Sprężarki

W sprężarce tłokowej sprężanie czynnika roboczego następuje na skutek postępowo zwrotnego ruchu tłoka w cylindrze. Tłok jest napędzany silnikiem za pomocą mechanizmu korbowego. W głowicy cylindra znajdują się dwa zawory otwierające się samoczynnie pod wpływem różnicy ciśnień, a zamykające się pod działaniem sprężyn.

W czasie jednego cyklu pracy sprężarki tłok wykonuje dwa suwy, tj. suw ssania i suw sprężania.

Praca potrzebna do izotermicznego sprężania czynnika w sprężarce tłokowej równa jest polu na wykresie.

Konstrukcyjnie rozróżnia się sprężarki jedno i wielostopniowe.

Między poszczególnymi stopniami sprężarki wielostopniowej stosuje się chłodnice w których czynnik jest chłodzony do temperatury początkowej i dopiero wtedy kierowany do kolejnego cylindra. Zmniejsza to pracę oraz ogranicza temperaturę końcową sprężanego czynnika.

W sprężarkach rotacyjnych element roboczy wykonuje ruch obrotowy. Elementem tym może być wirnik wyposażony w łopatki, wirujące tłoki lub śruby. Obracając się elementy te tworzą wraz z obudową szereg komór o zmieniającej się cyklicznie objętości. Po stronie ssawnej objętość tych komór się zwiększa, a po stronie tłocznej zmniejsza, co powoduje zasysanie, sprężanie i wytłaczanie czynnika gazowego.

Wśród wielu konstrukcji sprężarek rotacyjnych najczęściej stosowane są:

1. sprężarki łopatkowe w których wirnik obraca się mimośrodowo w cylindrze

2. sprężarki z wirującym pierścieniem wodnym, których kadłub jest częściowo wypełniony wodą. Ruch obrotowy wirnika powoduje odrzucenie wody na ścianki kadłuba i wytworzenie uszczelniającego pierścienia wodnego. Powierzchnia wewnętrzna tego pierścienia odgrywa rolę cylindra.

3. sprężarki z wirującymi tłokami, w których organem czynnym jest wirnik lub dwa wirniki robocze wyposażone w tłoki w kształtach krzywek. Wirniki roboczy i pomocniczy obracające się w przeciwnych kierunkach napędzane są za pomocą tej samej przekładni zębatej umieszczonej na zewnątrz kadłuba. Kształty tłoków i cylindra są tak dobrane, że podczas obrotu tłoki pozostają w stałym styku z gładzią cylindra.

4. sprężarki śrubowe są to sprężarki w których dwa wirniki w kształcie śrub obracają się w odpowiednio ukształtowanym kadłubie. Wirniki wzajemnie się zazębiają obracając się w przeciwnych kierunkach. Wirnik napędzający może mieć dwa lub cztery zwoje śrubowe.

Sprężarki wirowe dzieli się na

• osiowe

• promieniowe.

Są budowane jako jedno i wielostopniowe. Ilość stopni określa liczba wirujących wieńców łopatkowych.

Sprężarka osiowa składa się z króćca wlotowego (1), kompletu stopni w skład którego wchodzą wirujące wieńce łopatkowe zamocowane na wirniku (5) i nieruchome wieńce łopatkowe (2) zamocowane na kadłubie, dyfuzora (3) oraz króćca wylotowego (4).

Sprężarka promieniowa składa się z następujących elementów: króciec wlotowy (1), koło wirnikowe (2) z łopatkami, dyfuzor bezłopatkowy (3), kolektor zbiorczy (4) i króciec wylotowy (5). Sprężarka ta jest napędzana za pośrednictwem przekładni przyspieszającej (6) i jest wyposażona w pompę oleju (7).

DMUCHAWY

Dmuchawy mają budowę podobną do sprężarek wirowych o 1 do 6 stopniach sprężania. Różnią się od sprężarek tym, że nie stosuje się w nich chłodzenia międzystopniowego sprężanego gazu ze względu na niewielki spręż.

Rozróżnia się dmuchawy:

1. osiowe

2. promieniowe

dmuchawy osiowe przeznaczone są zazwyczaj do pracy przy zmiennych wydajnościach. Posiadają one regulację tej wydajności za pomocą zaworów na rurociągu ssawnym lub za pomocą łopatek przestawnych dyfuzora.

Każdy stopień dmuchawy składa się z wirnika 1 kierownicy łopatkowej 2 przewału 3 i kanału zwrotnego 4. wirnik osadzony na wale składa się z dwóch tarcz połączonych ze sobą za pomocą zakrzywionych łopatek.

WENTYLATORY

Wentylatory są maszynami wirowymi jednostopniowymi.

Dzielą się na:

1. promieniowe

2. osiowe

3. diagonalne.

W zależności od wytwarzanej różnicy ciśnień wentylatory dzielą się na:

1. niskociśnieniowe o ΔP= 0,1 - 1,0 kPa

2. średniociśnieniowe o ΔP= 1,0 - 4,0 kPa

3. wysokociśnieniowe o ΔP= 4,0 - 10 kPa

budowane są też wentylatory, których podstawowym zadaniem nie jest wytworzenie nadciśnienia lecz stosunkowo niewielkiego podciśnienia. Maszyny te nazywają się ssawami.

Zasada działania wentylatora osiowego jest taka sama jak sprężarki osiowej.

Wentylatory tego typu są budowane w dwóch odmianach:

1. z kierownicą umieszczoną przed wirnikiem

2. z kierownicą umieszczoną za wirnikiem

Wentylatory z kierownicą za wirnikiem odznaczają się cichszą pracą.

W zależności od budowy rozróżnia się:

1. wentylatory śmigłowe wyposażone tylko w łopatki bez obudowy, czasem wyposażone w siatkę abezpieczającą

2. wentylatory ścienne i okienne z pierścieniami osłaniającymi

3. wentylatory kanałowe przeznaczone do wbudowania w kanały.

Wentylatory pierścieniowe budową przypominają pompę odśrodkową. Większe wentylatory wyposażone są w urządzenia regulacyjne. Wentylatory te używane są w przemyśle, szczególnie w górnictwie i energetyce do przetłaczania gazów na duże odległości.

Wentylatory diagonalne stanowią typ pośredni pomiędzy wentylatorami promieniowymi i osiowymi.

Wentylatory diagonalne charakteryzują się dużą sprawnością i małą hałaśliwością.

POMPY PRÓŻNIOWE

W technice próżnią nazywa się obszar wypełniony gazem o ciśnieniu niższym od atmosferycznego.

Im niższe jest ciśnienie tym próżnia jest wyższa.


procent próżni

P- ciśnienie [Pa]

Rozróżnia się następujące rodzaje próżni:

1. techniczna P = 101325 - 2300 Pa

2. pośrednia P = 2300 - 600 Pa

3. niska P = 600 - 0,1 Pa

4. wysoka P = 0,1 - 10^-4 Pa

5. bardzo wysoka P = 10^-4 - 10^-7 Pa

6. kosmiczna P = 10^-7 - 10^-11 Pa

Pompy próżniowe są to maszyny służące do usuwania gazów z zamkniętych przestrzeni.

Ze względu na ciśnienie jakie może panować na wylocie z pompy rozróżnia się:

• pompy pracujące przy ciśnieniu atmosferycznym

• pompy wymagające uzyskania próżni wstępnej.

Ze względu na zasadę działania pompy próżniowe dzielą się na:

1. pompy mechaniczne wyporowe

• suche

• mokre

2. pompy strumieniowe

3. pompy molekularne

4. pompy dyfuzyjne.

W instalacjach z suchymi pompami próżniowymi wilgoć z gazów usuwa się przed pompą w kondensatorach, a dla niskiej próżni przez wymrożenie lub absorpcję.

W pompach próżniowych mokrych ciecz powstała z pary może służyć jako ciecz uszczelniająca.

Pompy wyporowe stosuje się najczęściej do uzyskania próżni wstępnej. Są to:

1. pompy mimośrodowe

2. pompy dwułopatkowe

3. pompy z pierścieniem wodnym

4. pompy z wirującymi tłokami systemu Rootsa.

Pompy strumieniowe działają na zasadzie przejmowania przez cząsteczki gazu energii kinetycznej strumienia wody lub pary wodnej.

W pompie molekularnej gaz przemieszcza się na skutek tarcia jego cząsteczek o powierzchnię wirnika obracającego się z dużą prędkością, ok. 20tys. obr/min.

W pompie pokazanej na rysunku między króćcami 3 i 4 znajduje się kanał 5 o szerokości zaledwie 0,01 - 0,03mm. Podczas obrotu wirnika w rozrzedzonym gazie, cząsteczki gazu uderzają o jego powierzchnię i nabierają dodatkowej prędkości w kierunku obrotów, wywołując tym samym różnicę ciśnień P_n - P₃.

Do wytworzenia wysokich i bardzo wysokich próżni służą dyfuzyjne pompy rtęciowe lub olejowe. Tłoczenie gazu odbywa się w nich przez przenoszenie energii uderzeniowej strumienia z dysz. Dzięki przechodzeniu cząsteczek gazowych do strumienia pary na skutek dyfuzji wytwarza się różnica ciśnień.

Silniki cieplne są to maszyny energetyczne, których zadaniem jest przetwarzanie energii cieplnej na pracę mechaniczną.

Rozróżnia się silniki cieplne o spalaniu zewnętrznym i wewnętrznym. Silniki o spalaniu wew. są to tłokowe silniki parowe i turbiny parowe.

W silnikach tych czynnikiem roboczym jest para wodna wytwarzana w kotłach parowych, lub wymiennikach ciepła reaktorów jądrowych.

Spalanie paliwa odbywa się poza silnikiem w palenisku kotła parowego.

Silniki o spalaniu wew. Są to silniki w których czynnikiem roboczym jest gaz zwany spalinami powstałymi w wyniku spalania paliwa wew. silnika.

Turbina parowa jest silnikiem cieplnym wirnikowym. W turbinie parowej zachodzi podwójna przemiana energii. W wyniku rozprężania wysokociśnieniowej pary do dużej prędkości następuje zamiana energii cieplnej na energie kinetyczną strumienia pary a następnie energia kinetyczna jest zamieniana na pracę mechaniczną obracającego się wirnika turbiny.

Podstawowymi elementami turbiny są:

1. nieruchome łopatki kierownicze, tworzące dysze,

2. związane z wirnikiem łopatki wirujące, tworzące wieńce łopatkowe,

Zespół złożony z wieńca łopatek kierowniczych i wieńca łopatek wirujących zwany jest stopniem turbiny a stopnie łącznie tworzą układ łopatkowy turbiny.

Działanie najprostszej jednokadłubowej, wielostopniowej turbiny jest następujące: para przegrzana o ciśnieniu do 25 MPa dopływa z kotła rurociągiem 3, dostaje się do turbiny przez zawór główny 1.

Całkowicie otwarty w czasie normalnej pracy następnie kierowana jest do zaworów regulacyjnych 2 sterowanych regulatorem prędkości obrotowej.

Zawory regulacyjne są połączone z komorami dyszowymi 16 u wylotu, których zamocowane są nieruchome łopatki kierownicze pierwszego stopnia turbiny 13; na wylocie z turbiny paruje ciśnienie znacznie niższe od atmosferycznego ok. 3500 Pa.

Podciśnienie to wytwarzane jest przez połączone z turbiną urządzenie kondensacyjne złożone z pompy próżniowej i chłodnicy.

Duża różnica ciśnień miedzy wlotem i wylotem turbiny umożliwia duże rozprężenie pary. Zachodzi ono stopniowo w kolejnych stopniach turbiny.

W nieruchomych kanałach kierownic poszczególnych stopni para uzyskuje odp. energie kinetyczną dzięki której następnie wykonuje pracę w wieńcach wirujących. Po przepłynięciu przez wszystkie stopnie rozprężona para opuszcza turbinę prze wylot 17 który jest połączony ze skraplaczem.

Gł. Zadaniem turbin porowych jest napęd prądnic.

Siłownie cieplne są to zespoły urządzeń których zadaniem jest przetwarzanie energii cieplnej pochodzącej z energii chem. Paliwa lub energii jądrowej z przemian materiałów rozszczepialnych na energię mech. Energia ta jest następnie przetwarzana na elektryczną. Wielkość wytw. Na świecie energii elekt. pochodzi z turbozespołów parowych tj. turbin i zw. z nimi prądnic.

Zespół ten wraz z ukł. urz. pomocniczych stanowi elektrownię cieplną. Jeżeli elektrownia oprócz energii elektrycznej dostarcza również ciepła do procesów technologicznych lub do ogrzewania to nazywa się elektrociepłownią.

Elektrownie cieplne paliwowe

Najprostszy schemat elektrowni cieplnej przedstawia się następująco:

Pompa P tłoczy wodę do kotła K, gdzie w wyniku doprowadzenia ciepła q₁ otrzymanego ze spalania paliwa zostaje zamieniona na parę przegrzaną. W wyniku rozprężania tej pary w turbinie T zostaje przekazana na wał praca L_t przekształcana następnie w generatorze G na energię elektryczną P_el. Rozprężona w turbinie para już jako para mokra(wilgotna) skraplana jest w skraplaczu S w wyniku odebrania jej przez wodę chłodzącą ciepła q₂ rozpraszanego później do otoczenia. Sprawność energetyczna takiej elektrowni dochodzi do 40%.

Ponieważ brak jest technicznych możliwości efektywnego wykorzystania energii ogromnych ilości wody o temperaturze 20 - 40⁰C, energia ta jest tracona. Zagospodarowanie dużej części tej energii umożliwiają elektrociepłownie.

Elektrownia jądrowa jest to elektrownia cieplna, w której źródłem ciepła jest energia rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich uzyskana w reaktorze jądrowym.

Współczesne elektrownie jądrowe na ogół są wyposażone w turbiny kondensacyjne, a kocioł zastąpiony jest przez reaktor jądrowy i wytwornicę pary. Energia cieplna wyzwolona w reaktorze jako skutek reakcji jądrowej jest równa różnicy energii wiązania jąder pierwiastków otrzymanych w wyniku reakcji i energii wiązania jąder ciężkich. Energia ta jest znacznie większa niż energia powstająca podczas spalania tradycyjnych paliw. Z 1kg stosowanego dziś w reaktorach najpopularniejszego paliwa jądrowego, tj. uranu 235, można wyzwolić energię odpowiadającą spalaniu 10 tys. kg węgla.

W chwili obecnej istnieje wiele różnych typów konstrukcyjnych reaktorów jądrowych. Jednak w praktyce przemysłowej stosuje się głównie tzw. reaktory ciśnieniowe PWR.

Schemat ideowy elektrowni z reaktorem PWR jest następujący:

Ciepło wywiązujące się w rdzeniu reaktora 1 jest odbierane przez omywającą go wodę czyli chłodziwo, które krąży w obiegu zamkniętym I obejmującym reaktor rurociągami pompy obiegowej 2 i wymiennik ciepła 3 zwany wytwornicą pary. Obieg ten nazywa się obiegiem pierwotnym.

Para wytworzona w wytwornicy 3 napędza turbinę parową 5 a po skropleniu się w skraplaczu 7 i podgrzaniu w układzie regeneracji 9 wraca tłoczona przez pompę zasilającą 8 do wytwornicy pary. Obieg ten nazywa się obiegiem wtórnym II .

W obiegu pierwotnym panuje wysokie ciśnienie rzędu 15 MPa , dzięki czemu nie następuje wrzenie wody podgrzewanej w rdzeniu do ok. 300⁰C. W obiegu pierwotnym krąży więc czynnik jedno fazowy. Stałe ciśnienie w tym obiegu utrzymuje stabilizator ciśnienia 4. w wytwornicy pary otrzymuje się parę nasyconą o ciśnieniu 4,5 - 6,5 MPa. Parametry pary przed turbiną są tu znacznie niższe niż w elektrowniach paliwowych, co obniża ich sprawność do ok. 30%.

SILNIKI SPALINOWE

Silniki spalinowe dzielą się na trzy podstawowe grupy:

1. silniki spalinowe tłokowe o postępowo zwrotnym lub krążącym ruchu tłoka

2. silniki turbinowe czyli turbiny spalinowe o obrotowym ruchu organu czynnego, którym jest wirnik

3. silniki odrzutowe działające na zasadzie reakcji dynamicznej strumienia spalin uchodzących z silnika.

Silniki spalinowe tłokowe są to maszyny energetyczne przetwarzające energię cieplną doprowadzaną w postaci paliwa ciekłego lub gazowego na energię mechaniczną. Przemiany termodynamiczne towarzyszące temu przetwarzaniu zachodzą w tzw. Przestrzeni roboczej silnika, której objętość jest zmienna. Silnik tłokowy ma co najmniej jeden tłok stanowiący ruchome ograniczenie przestrzeni zajmowanej przez czynnik roboczy. Tłok wykonuje ruch postępowy lub krążący i służy do przenoszenia sił. Praca użyteczna takiego silnika polega na przesunięciu tłoka pod wpływem nacisku czynnika roboczego. Czynnikiem tym są spaliny uzyskane w wyniku spalania paliwa. Dzięki zastosowaniu mechanizmu korbowego, tłok przesuwając się powoduje obrót wału korbowego, z którego odbierana jest moc użyteczna silnika.

Silniki spalinowe krążące stanowią odmianę silników tłokowych. Ich cechą charakterystyczną jest cykliczna zmiana objętości przestrzeni roboczej w wyniku obrotowego ruchu w cylindrze organu roboczego, nazywanego tłokiem obrotowym.

Silnik taki jest zbudowany z cylindra o przekroju poprzecznym trochoidalnym, w którym porusza się ruchem okrężnym tłok o przekroju trójkąta i bokach krzywoliniowych, którego wierzchołki w każdej chwili stykają się z cylindrem. Dzięki temu między cylindrem a tłokiem powstają jednocześnie trzy komory, które zmieniają swoją objętość. Każda z nich podczas pełnego obrotu tłoka dwukrotnie przyjmuje maksymalną i minimalną wartość objętości. Krążący tłok poprzez przekładnię jest połączony z wałem.

Silniki turbinowe

Turbinowy silnik spalinowy ma co najmniej jeden wirnik napędzany strumieniem gazu o dużej energii kinetycznej. Moc użyteczna jest odbierana z wału głównego silnika. W silnikach tych może ponadto występować tzw. Siła ciągu, tj. reakcja wypływających z dużą prędkością spalin. Siła ciągu może być wykorzystana do napędu samolotu lub pojazdu mechanicznego na tzw. poduszce powietrznej.

Silniki odrzutowe

W silnikach odrzutowych wykorzystywana jest wyłącznie siła ciągu, natomiast nie odbiera się mocy użytecznej z wału silnika.

Rozróżnia się:

1. silniki przepływowe(przelotowe)

2. silniki rakietowe.

Silniki przepływowe potrzebny do spalania tlen pobierają z powietrza przepływającego przez silnik w czasie pracy. Dzielą się na:

1. strumieniowe

2. pulsacyjne

3. turboodrzutowe.

Silnik strumieniowy składa się z dyfuzora 1, komory spalania 2 i dyszy wylotowej 3. Niezbędne do pracy silnika sprężone powietrze uzyskuje się w dyfuzorze w czasie ruchu silnika.

Silnik pulsacyjny ma w przedniej części zamykającą przelot przegrodę zaworową 4. doprowadzane powietrze i paliwo tworzą mieszankę palną zapalaną od świecy. Spaliny wypływają z dyszy a w końcowym okresie wypływu powstaje w komorze spalania podciśnienie, powodujące otwarcie się zaworów, przez które wpływa do silnika nowa porcja powietrza. Następnie proces się powtarza.

W silniku turboodrzutowym powietrze po wstępnym sprężeniu w dyfuzorze 1 i dalszym sprężaniu w sprężarce 2 dopływa do komory spalania 3 zasilanej ciekłym rozpylonym paliwem. Po spaleniu, spaliny przepływają przez turbinę osiową 4. rozprężające się w niej częściowo spaliny, wykonują pracę przekazywaną do silnika. Po spaleniu spaliny przepływają przez turbiną osiową. Dalsze rozprężanie zachodzi w dyszy 5, co powoduje wzrost prędkości a w konsekwencji powstanie siły ciągu.

W silnikach rakietowych znajdują się nie tylko zbiorniki z paliwem, ale również z tlenem. Dzięki temu mogą one pracować w kosmosie. Silniki rakietowe dzieli się na:

Silnik rakietowy na paliwo stałe ma kształt cylindra 1, z jednej strony zamkniętego z drugiej zakończonego dyszą 2. w jego wnętrzu znajduje się ładunek stały 3 będący mieszaniną paliwa i utleniacza. Po zapaleniu się ładunku za pomocą układu zapłonowego 4 powstają duże ilości gazów, które wypływając z dyszy z dużą prędkością umożliwiają osiągnięcie bardzo dużej siły ciągu. Kształt i powierzchnia spalania mogą być różnie uformowane, co pozwala na projektowanie dynamiki silnika.

Silniki rakietowe na paliwo ciekłe mają wiele rozwiązań konstrukcyjnych. Najczęściej posiadają układ dwu składnikowy z osobnymi zbiornikami na paliwo i utleniacz 1zabezpieczonymi membranami 2. zasilanie może być ciśnieniowe lub pompowe. Przy zasilaniu ciśnieniowym źródłem sprężonego gazu jest butla powietrzna 3 z regulatorem ciśnienia 4. mieszanka paliwowo-powietrzna spala się w komorze spalania 5 i wypływa z dużą prędkością z dyszy 6.

Kotły parowe

Definicja kotła parowego.

Kocioł parowy jest to naczynie ciśnieniowe, którego zadaniem jest wytwarzanie pary wodnej o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego. Para ta jest używana na zewnątrz kotła, jako czynnik roboczy w turbinach parowych oraz jako czynnik grzewczy w wielu procesach technologicznych oraz gospodarce komunalnej.

Energię cieplną potrzebną do wytworzenia pary w kotle, otrzymuje się w procesie spalania paliwa w palenisku. Gorące gazy spalinowe opuszczając palenisko płyną wzdłuż tzw. powierzchni ogrzewalnej kotła, której oddają ciepło, ogrzewając wodę i powodując jej parowanie. Otrzymana w ten sposób para nasycona jest następnie przegrzewana.

Wytwarzanie pary w kotle składa się z trzech głównych procesów:

• spalanie paliwa,

• wymiany ciepła,

• parowania wody (zmiana stanu skupienia i przegrzewania pary).

Kocioł jest stale zasilany wodą, paliwem i powietrzem. Produktem głównym kotła jest para wodna o określonych parametrach. Produktami ubocznymi, które należy usunąć są spaliny i żużel. Kotły parowe wytwarzają głównie parę przegrzaną o ciśnieniu 0,02 ÷ 35 MPa i temperaturze 200 ÷ 650ºC.

Zależnie od ilości wytwarzanej pary, produkowane są kotły o różnej wielkości, od małych o różnej konstrukcji i wydajności 50kg/h, aż do bardzo dużych o skomplikowanej budowie i wydajności 4000 t/h.

Budowa kotła parowego.

Urządzenie kotłowe zwane kotłem parowym składa się z szeregu zespołów:

• paleniska, w którym spala się paliwo,

• parownika wytwarzającego parę nasyconą,

• przegrzewacza pary, w którym wytwarza się suchy gaz H₂O,

• podgrzewacza wody, w którym podgrzewa się doprowadzaną z zewnątrz wodę za pomocą ciepła wypływających z kotła gorących spalin,

• armatury, w skład w który wchodzą: - zawory, - wodowskazy, itp.,

• konstrukcji nośnej i zakotwienia wraz ze schodami, podestami, pomostami,

• obmurowania i izolacji

• osprzętu: - drzwiczek, - klap, - pomieszczeń, - podpór,

• aparatury kontrolno-pomiarowej i urządzeń automatyki,

• urządzeń do wytwarzania ciągu,

• urządzeń do czyszczenia spalin.

Działanie kotła parowego.

Zmielony w młynach pył paliwowy wdmuchiwany jest z powietrzem za pomocą palników 1, do komory paleniskowej 2. Ściany komory paleniskowej wyłożone są rurami 3, tworzącymi tzw ekrany. Rury te połączone są u dołu z komorami zbiorczymi 4, a u góry z walczakiem 5. Woda z walczaka jest doprowadzana do komór zbiorczych rurami nieogrzewanymi 6 nazywanymi rurami opadowymi. W komorze paleniskowej płomień i spaliny o wysokiej temperaturze, przekazują ciepło rurom ekranującym, głównie przez promieniowanie. Taki typ kotła nazywa się opromieniowanym.

W wyniku ogrzewania wody w rurach ekranujących powstają pęcherzyki pary. Mieszanina parowo - wodna rurach tych ma mniejszą objętość, niż w rurach opadowych. W związku z tym powstaje siła naturalnego wyporu i woda w rurach 6 opada, a mieszanina parowo - wodna w rurach wznoszących 3 płynie w górę do walczaka, gdzie następuje rozdzielenie pary i wody. Woda z walczaka ponownie wpływa do rur opadowych. Krążenie wody jest samoczynne, jest to więc kocioł z naturalnym obiegiem wody.

Rury wznoszące opadowe, komory i walczak - tworzą parownik. Wytworzona w parowniku para nasycona przepływa z walczaka do przegrzewacza 7, składającego się z komór 8 i wężownic 9. Przepływające spaliny ogrzewają wężownicę i przegrzewają parę. Spaliny na wylocie z komory paleniskowej mają wysoką temperaturę ok. 1000ºC. Po przejściu spalin przez przegrzewacz ich temperatura wynosi jeszcze 600÷700ºC. Dalsze odbieranie ciepła spalinom następuje w drugim ciągu kotła, w którym spaliny płyną w dół. Jest tu umieszczony podgrzewacz wody 10, podobny do przegrzewacza pary. Pompa zasilająca tłoczy wodę przez podgrzewacz do walczaka. Za podgrzewaczem wody jest umieszczony podgrzewacz powietrza 11, za którym temperatura spalin wynosi tylko 120 ÷ 180ºC. Podgrzanie powietrza poprawia proces spalania i podwyższa temperaturę w komorze paleniskowej. Z kotła spaliny płyną kanałem 13, do urządzeń oczyszczających 14, skąd wentylatorem sztucznego ciągu (ssawa), tłoczy je do komina. Kotły wodno-rurkowe dużej wydajności mają wymiary :

• wysokość 40 ÷ 130 m,

• szerokość 6 ÷ 40 m,

• głębokość 10 ÷ 20 m.

Do podwieszenia walczaka rur podgrzewaczy, przegrzewaczy, itp., niezbędna jest stalowa konstrukcja nośna. Wymagane jest obmurowanie kotła i izolacji cieplnej.

Paleniska kotłowe.

W paleniskach kotłowych można spalać różnego rodzaju paliwa stałe, ciekłe i gazowe - naturalne i sztuczne. Przystosowanie kotła do spalania do danego rodzaju paliwa, wymaga zastosowania paleniska o odpowiedniej konstrukcji. Do opalania kotłów stosuje się głównie paliwa gorszej jakości oraz odpady. W Polsce paliwem są: gorsze gatunki węgla kamiennego i węgiel brunatny.

Zadaniem paleniska jest zupełne i całkowite spalenie paliwa z doprowadzonym powietrzem. Konstrukcja paleniska zależy od rodzaju paliwa i sposobu jego spalania oraz parametrów pary, wydajności i typu kotła.

Paleniska dzielą się na trzy grupy:

• warstwowe (rusztowe) do spalania paliw stałych,

• komorowe do spalania gazów, olejów i pyłów węglowych,

• fluidalne do spalania szczególnych zanieczyszczeń paliw stałych.

W palenisku warstwowym, warstwa paliwa spala się na ruszcie. Powietrze potrzebne do spalania paliwa napływa od dołu przez szczeliny w ruszcie i przepływa przez warstwę płonącego paliwa.

Paleniska warstwowe dzielą się na:

• paleniska z rusztem płaskim, zmechanizowanym narzutem paliwa,

• paleniska z rusztem taśmowym.

Paleniska komorowe dzielą się na:

• pyłowe, stosowane w Polsce,

• olejowe,

• gazowe.

Pył jest wytwarzany w młynowniach. Przygotowanie pyłu polega na:

• rozdrobnieniu większych brył węgla na kawałki 30÷40mm w łamaczach i kruszarkach,

• suszeniu węgla w suszarkach lub bezpośrednio w młynie za pomocą gorącego powietrza i spalin z kotła,

• mieleniu węgla na pył w specjalnych młynach.

Gotowy pył węglowy składa się z cząstek 80÷200µm i wilgotności 5%. Pył węglowy spalany z powietrzem pierwotnym, płynie rurociągami jak ciecz.

W palenisku komorowym, drobne cząstki paliwa zostają rozpylone w strumieniu powietrza wtórnego. Bardzo duża powierzchnia cząstek paliwa, zapewnia właściwy dostęp powietrza i szybki przebieg procesu spalania.

Paleniska fluidalne wykorzystują zjawisko fluidyzacji, polegające na zawieszeniu rozdrobnionego ciała stałego w płynącym do góry strumieniu gazu. Stosując odpowiednie wymiary ziaren ciała stałego, otrzymuje się intensywne mieszanie co w połączeniu z bardzo rozwiniętą powierzchnią ciała, stwarza doskonałe warunki do przenikania ciepła i ruchu masy.

Cząstki ciała stałego w stanie fluidalnym, cyrkulują w warstwie na podobieństwo wrzącej cieczy.

Parowniki - czyli kotły właściwe ze względu na to czy spaliny omywają powierzchnie ogrzewaną parownika po stronie wewnętrznej czy zewnętrznej dzielą się na

1. ogniorurowe inaczej płomieniubkowe lub płomienicowe wyposażone w rury przez które przepływają spaliny a zewnątrz omywane wodą.

2. Wodnorurowe inaczej opłonkowe wyposażone w rury przez które przepływa woda, natomiast zewnątrz gazy spalinowe.

Charakterystyczną cechą kotłów wodnorurkowych jest naturalny obieg wody i duża liczba rur.

Typy kotłów parowych:

Istnieje szereg różnych kryteriów podziału kotłów

1. Ze względu na ciśnienie wytwarzanej pary,

1. niskoprężne o ciśnieniu pary do 0,17 MPa,

2. wysokoprężne powyżej 0,17 MPa.

2. Ze względu na konstrukcje paleniska jak omówiono poprzednio.

3. Ze względu na konstrukcje parownika.

4. Ze względu na sposób wymiany ciepła.

1. konwekcyjne gdy ciepło w parowniku jest przejmowane całkowicie na drodze konwekcji,

2. opromieniowane gdy ciepło przejmowane jest powierzchnie ekranów, prawie całkowicie przez promieniowanie,

3. opromieniowano - konwekcyjne gdy oprócz powierzchni opromieniowanej kocioł ma jeszcze pęczek konwekcyjny parownika.

5. Ze względu na obieg wody.

1. z obiegiem naturalnym w którym ruch wody następuje na skutek różnicy gęstości wody i mieszaniny parowo-wodnej,

2. z obiegiem wspomaganym w których przepływ wody w rurach opadowych wspomaga pompa,

3. z obiegiem wymuszanym w których przepływ wymusza pompa,

4. przepływowe zbudowane wyłącznie z wężownic i rur o bardzo dużej długości bez walczaka w których woda nie krąży w parowniku lecz jest jednorazowo przetłaczana przez układ ciśnieniowy.

Specyficzną coraz bardziej rozpowszechniającą się konstrukcją kotłów są kotły fluidalne posiadające szereg zalet.

1. Możliwość wykorzystania jako paliwa mułów popłucznych z instalacji wzbogacania węgla.

2. Proste przygotowanie paliwa do spalania oraz proste doprowadzenie paliwa do komory.

3. Znaczna dochodząca do 80% redukcja emisji SO₂ do atmosfery przez doprowadzenie do złoża związków wiążących siarkę.

4. Niska emisja NO_X z uwagi na niską temperaturę złoża.

5. Niska emisja węglowodorów.

6. Wysoka sprawność spalania ze względu na mieszanie turbulentne i długi czas przebywania cząstek w złożu cyrkulacyjnym.

7. Temperatura spalania nie przekracza temperatury mięknięcia popiołu zawartego w paliwie co powoduje niewielkie zabrudzenie powierzchni kotłowych.

W układach szeregu dużych pieców przemysłowych wypływają z przestrzeni piecowych olbrzymie strumienie spalin o wysokiej temperaturze. Powoduje to powstanie strat ciepła oraz pogarsza efektywność ekonomiczną procesów wytwarzania. Aby odzyskać energię zawartą w spalinach. W kanałach spalinowych układów piecowych instaluje się bez paleniskowe kotły odzysknicowe do wytwarzania pary technologicznej i grzewczej.

---