VS_OESiN_ToplotniStroji

Breda Kegl

Osnove energetskih strojev in naprav

Toplotni stroji

Maribor, 2010 1

Tekočine • snovi, ki se deformirajo že pod vplivom najmanjših strižnih sil • plini + kapljevine • 𝜌 = 𝜌 𝑇,𝑝 • zakoni o ohranitvi mase, gibalne količine, energije • srednja hitrost v prerezu

Mehanika tekočin in termodinamika

2


Prvi glavni zakon termodinamike za odprt sistem (ustaljene razmere)

Δ𝑄

Δ𝑊𝑡

𝑊𝑝2 𝑊𝑘2 𝑈2 𝑝𝑝 2

𝐻 = 𝑈 + 𝑝𝑝

𝑊𝑝1 𝑊𝑘1 𝑈1 𝑝𝑝 1

Parni kotel 𝑊𝑝1 = 𝑊p2 𝑊𝑘1 = 𝑊k2 Δ𝑊𝑡= 0 Δ𝑄 = 𝐻2− H1

Plinska parna turbina 𝑊𝑝1 = 𝑊𝑝2 𝑊𝑘1 = 𝑊k2 Δ𝑄 = 0 Δ𝑊𝑡= 𝐻1− H2

Vodna črpalka 𝑊𝑝1 = 𝑊𝑝2 𝑊𝑘1 = 𝑊k2 Δ𝑄 = 0 U1 = U2 Δ𝑊𝑡= 𝑝 𝑝1− p2

Šoba 𝑊𝑝1 =

𝑊𝑝2 Δ𝑄= 0, 𝑊𝑝1 = 0 𝑊𝑘1 = 𝐻1−H2 Dušenje Δ𝑄= 0, 𝑊𝑝1 = 0 𝑊𝑝1 =

𝑊p2 𝑊𝑘1 = 𝑊𝑘2 𝐻1 = H2

3


Prvi glavni zakon termodinamike za zaprt sistem

𝑈1+Δ𝑄= 𝑈2+ Δ𝑊𝑡

V zaprtem sistemu masa ne more prestopati mej sistema, le energija.

Drugi glavni zakon termodinamike za zaprt sistem

𝑄𝑑𝑑𝑑𝑑 c

b

d

𝑄𝑑𝑑𝑑𝑑

a

𝑝

𝑝 Krožni proces

V krožnem procesu lahko le del toplote pretvorimo v delo. Vzroki za nepovračljivost: • trenje • prenos toplote • dušenje • mešanje

4

Pretvorba toplote v mehanično delo



toplejši toplotni rezervoar

hladnejši toplotni rezervoar

𝐴𝐴 = 𝑄𝑑𝑑𝑑𝑑 − 𝑄𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐴𝐴 toplotni

stroj

𝑇1

𝑇2

5

V toplotni stroj vstopa snov, ki jo imenujemo delovna snov (zrak, voda, mešanica goriva in zraka). Delovna snov prejme toploto od toplotnega rezervoarja z visoko temperaturo, v stroju opravi delo in odda nekaj toplote toplotnemu rezervoarju z nizko temperaturo.

Pretvorba toplote v mehanično delo

toplotni rezervoar

𝐴𝐴 = 𝑄𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐴𝐴

𝑄𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑇1

toplotni stroj

6

2. zakon termodinamike: Vse toplote ne moremo nikoli v celoti pretvoriti v delo.

Δ𝑊𝑡= ∫ 𝑝𝑑𝑑𝑝21 Δ𝑄= ∫ 𝑇𝑑𝑑𝑇2

1

p

V s

T 1 2

1 2 Δ𝑊𝑡 Δ𝑄

Volumsko delo in toplota, entropija

Termodinamika

7

Carnotova krožna sprememba

𝑝

𝑝

𝑐𝑐

𝑑𝑑

𝑎𝑎

𝑏𝑏



𝐴𝐴 𝑇1

𝑇2

𝜂𝜂𝐶𝐶 =𝑇1 − 𝑇2

𝑇1= 1 −

𝑇2

𝑇1

s

T

b a

c d T1

T2

8

Carnotova krožna sprememba

9

𝑝

𝑝

𝑐𝑐

𝑑𝑑

𝑎𝑎

𝑏𝑏



𝐴𝐴

2,0 tlak 𝑝𝑎𝑎

200 temperatura 𝑇2

5,0

300

tlak 𝑝𝑐𝑐

temperatura 𝑇1

4,0

300

tlak 𝑝𝑑𝑑

temperatura 𝑇1

3,0 tlak 𝑝𝑏𝑏

200 temperatura 𝑇2

𝑝𝑏𝑏 𝑝𝑐𝑐

𝑄𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝑇1)

𝑝𝑐𝑐 𝑝𝑑𝑑

𝑝𝑑𝑑 𝑝𝑎𝑎

𝑝𝑏𝑏 𝑝𝑎𝑎

𝑄𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝑇2)

izotermna ekspanzija

izentropna ekspanzija

izentropna kompresija

izotermna kompresija

Motor Stirling in krožna sprememba

premeščevalnik

delovni bat

10

c

b d

a

𝑝



𝑝

ekspanzija

kompresija

Krožna sprememba v motorju Stirling

c

b d

a

𝑝



𝑝

11

Izkoristek

𝑻𝑻𝒂𝒂 𝑻𝑻𝒃𝒃 𝑻𝑻𝒄𝒄 𝑻𝑻𝒅𝒅 Izkoristek 𝜼𝜼 Otto 300 K 700 K 3000 K 1400K 0,52 Dizel 300 K 900 K 3000 K 1200 K 0,69 Stirling 300 K 300 K 3000 K 3000 K 0,90 𝑻𝑻𝒂𝒂 𝑻𝑻𝒃𝒃 𝑻𝑻𝒄𝒄 𝑻𝑻𝒅𝒅 Izkoristek 𝜼𝜼 Otto 300 K 500 K 1000 K 700K 0,20 Dizel 300 K 700 K 1000 K 600 K 0,28 Stirling 300 K 300 K 1000 K 1000 K 0,70

Stirling Motor z notranjim zgorevanjem

12

ZML SML

izpuh

polnjenje

kompresija

zgorevanje (dovod toplote)

ekspanzija

IVO

IVZ

PVO PVZ

b

c 𝑝

𝑝

c

b d

a

𝑝



𝑝

ekspanzija

kompresija

Izkoristek

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

373 378 383 388 393 398 403 408 413 418 423

Izko

riste

k (

%)

Maksimalna temperatura krožne spremembe (K)

100 K

50 K

10 K

5K

1 K

Temperaturnarazlika

Stirling

13

Toplotne obremenitve

Stirling

160–220 oC 80–100 oC

polnjenje

2000–2400 oC

250–450 oC

700–900 oC 30–60 oC

izpuh

100–150 oC

250 oC

Motor z notranjim zgorevanjem

14

Motor Stirling – Motor z notranjim zgorevanjem

Področje delovanja Velika temperaturna razlika

in visoke maksimalne temperature delovne snovi v krožni spremembi

Majhna temperaturna razlika in nizke maksimalne temperature

delovne snovi v krožni spremembi

Motor Motor z

notranjim zgorevanjem

Motor Stirling Motor z

notranjim zgorevanjem

Motor Stirling

Toplotni izkoristek o + x + Mehanična

obremenitev o o x +

Toplotna obremenitev o o x +

Material o − x + Cena o − x +

Zagon motorja o − x + Prilagodljivost spremembam

delovanja o − x +

Delovna snov o − x + Vir toplote o + x +

Škodljive emisije o + x + 15

Motor Stirling

16

Motor Stirling

delilna ravnina

ojnica premeščevalnika

10 mm

topla osnovna ploskev

plašč

komora

hladna osnovna ploskev

premeščevalnik

vodilo

batnica premeščevalnika

topla zgornja plošča

hladna spodnja plošča

držalo za stekleni valj

tesnilno področje

tesnilno področje

zgornja površina

φ 120 mm

φ 100 mm

20 mm

stekleni valj

grafitni bat

ojnica bata

delilna ravnina

os za ročični mehanizem bata

vijak za pritrditev osi

os za ročični mehanizem premeščevalnika vijak za pritrditev osi

ležajno ohišje steber za ležajno ohišje

vztrajnik vijak za pritrditev vztrajnika

glavna gred

vodilo

držalo za steber

vijak za pritrditev

stebra

podlaga

10 mm

puša

kroglični ležaj na ojnici bata

glavna kroglična

ležaja

17

Temperatura

zgornje plošče: 325 K

spodnje plošče: 301 K

Analiza delovanja izdelanega motorja Stirling

%4,7=sη18

Toplota Električna energija

Tok energije skozi elektrarno in v prenosu do uporabnikov

Proizvodnja elektrike: parni, plinski procesi v termoelektrarnah,

vodne elektrarne, vetrne in sončne in jedrske elektrarne

19

Termoelektrarne parna plinska

1 – kotel 2 – turbina 3 – generator 4 – kondenzator

1 – kompresor 2 – zgorevalna komora 3 – turbina 4 – generator

S fosilnimi gorivi v parnem kotlu uparimo vodo. Para v turbini ekspandira in proizvede delo ter poganja generator električne energije. Energetsko izrabljena para kondenzira v kondenzatorju.

Zrak iz okolice vstopa v kompresor in nato z visokim tlakom v zgorevalno komoro, kjer gorivo zgoreva. Vroči dimni plini preidejo v turbino, v njej ekspandirajo in se sprostijo v okolico. Turbina poganja generator električne energije in kompresor. 20

Termoelektrarne Plinsko - parna termoelektrarna

1 – kompresor 2 – zgorevalna komora 3 – plinska turbina 4 – generator električne energije 5 – uparjalnik 6 – parna turbina 7 – hladilni stolp 8 – črpalka

21

Delovanje termoelektrarne

G G

POLNJENJE HLADILNEGA SISTEMA VKLOP HLADILNEGA SISTEMA POLNJENJE SISTEMA KONDENZATORJA POLNJENJE ZAGONSKE POSODE – GLAVNI KONDENZAT POLNJENJE KOTLA – NAPAJALNI SISTEM ZAKURITEV KOTLA – EF, VLEKI, PODPIHI IN PRIŽIG OGNJA PREGREVANJE IN UPARJANJE NAPAJALNE VODE V KOTLU KALUŽENJE KOTLA PREGREVANJE SVEŽE PARE IN OBTAKANJE V ZAGONSKO POSODO VZPOSTAVITEV VAKUUMA V KONDENZATORJU PRELIVANJE IZ ZAGONSKE POSODE V KONDENZATOR – POVIŠAN TLAK REGULACIJA TEMPARATURE PARE - VBRIZGI PREGREVANJE PAROVODA NAPUŠČANJE TURBINE - PREGREVANJE PRIČETEK DELOVANJE NAGREVALNIKOV KONDENZATA SINHRONIZACIJA – PRIČETEK ODDAJANJA ELEKTRIČNE ENERGIJE V OMREŽJE PRENEHANJE OBTAKANJA – VSA PARA NA TURBINO PRENEHANJE PRELIVANJA – TLAK V ZAGONSKI POSODI NORMALEN

VZDRŽEVANJE TLAKA ZAGONSKE POSODE – POLNILNI VENTIL

22


G G

h

K 1´´

3

3

7

7

6

6

2

2

4

4

5

5

8

8

1

1´

TERMODINAMIČNI PROCES V TERMOELEKTRARNI

1 - 2

dvig tlaka napajalne vode s črpalko za kondenzat od tlaka v kondenzatorju do tlaka v rezervoarju napajalne vode;

s = konst. 1 W 2 > 0, 1 Q 2 = 0

2 - 3

regenerativno gretje napajalne vode v nizkotlačnih grelnikih;

p = konst. 2 W 3 = 0, 2 Q 3 > 0

3 - 4

dvig tlaka napajalne vode s kotlovsko napajalno črpalko od tlaka v rezervoarju napajalne vode do tlaka sveže pare;

s = konst. 3 W 4 > 0, 3 Q 4 = 0

4 - 5

dogrevanje napajalne vode v ekonomaizerju;

p = konst. 4 W 5 = 0, 4 Q 5 > 0

5 - 6

uparjanje napajalne vode v parnem kotlu;

p = konst. 5 W 6 = 0, 5 Q 6 > 0

6 - 7

pregrevanje pare v parnem kotlu;

p = konst. 6 W 7 = 0, 6 Q 7 > 0

7 - 8

ekspanzija sveže pare v visokotlačnem in nizkotlačnem delu turbine od tlaka sveže pare do podtlaka (vakuuma)v kondenzatorju; s = konst. 7W8 < 0, 7 Q 8 = 0

8 - 1

kondenzacija pare v kondenzatorju.

p = konst. in T = konst. 8 W 1 = 0, 8 Q 1 < 0

23


G G

h

K 1´´

3

3

7

7

6

6

2

2

4

4

5

5

8

8

1

1´

TERMODINAMIČNI PROCES V TERMOELEKTRARNI

Qdov m

Qodv m

Wo m

Termični izkoristek (idealnega) krožnega procesa

parne turbine:

mQm

W

dov

0

Tu =η

ηTu – termični izkoristek krožnega procesa parne turbine;

W0 – dobljeno delo krožnega procesa;

Wkon – vloženo delo kondenzatne črpalke;

Wnap – vloženo delo napajalne črpalke

Qdov – dovedena toplota;

Termični izkoristek parnega procesa:

k

GT

PΦ

η =

ηT – termični izkoristek parnega procesa;

Ф k – toplotna moč kotla;

PG – električna moč na generatorju.

Wnap m

Wkon m

Qgor m

Qnag m

24

PARNA ELEKTRARNA Idealni Rankinov krožni proces

25

1-2 izentropna ekspanzija v turbini 2-3 izobarna (izotermna) kondenzacija pare v kondenzatorju 3-4 izentropna kompresija vode v črpalki 4-1 izobaren dovod toplote

Črpalka tlači vodo pod visokim tlakom v kotel – voda upari – para ekspandira v turbini – toplotna energija pare se pretvarja v mehanično delo (za pogon električnega generatorja, črpalke …), v kondenzatorju para kondenzira.

𝜂𝜂𝑡 = 1 − 𝑇�𝑜𝑜𝑜

𝑇�𝑜𝑜𝑜

PARNA ELEKTRARNA Ukrepi za povišanje termodinamičnega izkoristka

Rankinovega procesa

26

PARNA ELEKTRARNA Ukrepi za povišanje termodinamičnega izkoristka

Rankinovega procesa

27

• znižanje p v kondenzatorju • povečanje T pare na vstopu v

turbino • povečanje p na vstopu v turbino • regenerativno gretje napajalne vode

• ponovno pregrevanje pare

• odprto gretje z neposrednim stikom • grelnik zaprtega tipa s kaskadnim

povratnim tokom kondenzata • grelnik zaprtega tipa s

prečrpavanjem kondenzata v napajalno vodo

kondenzator

turbina

kotel

črpalka

PARNA ELEKTRARNA Vpliv tlaka v kondenzatorju na izkoristek

Rankinovega procesa

28

tlaka v kondenzatorju: • specifično delo turbine ( Δ𝐻 v T) • 𝜂𝜂𝑡 (je omejeno):

• T hladilnega medija: T okolice, A prenosnikov

• velike dimenzije zadnjih turbinskih stopenj in kondenzatorja (zaradi velike specifične prostornine pare)

• poškodbe lopatic, znižanje izentropskega izkoristka (zaradi večje vlažnosti na izstopu iz T)

PARNA ELEKTRARNA Vpliv temperature pare na vstopu v turbino na

izkoristek Rankinovega procesa

29

T na vstopu v turbino: • Δ𝐻 v turbini • 𝜂𝜂𝑡 • vlažnosti na izstopu iz turbine

Omejitev T na vstopu v turbino: • T max = 565 – 600 oC (trdnost materialov)

PARNA ELEKTRARNA Vpliv tlaka pare na vstopu v turbino na

izkoristek Rankinovega procesa

30

p na vstopu v turbino: • T dovoda toplote • 𝜂𝜂𝑡 (pri nespremenjeni T odvoda)

Omejitev p na vstopu v turbino: • vlažnost pare na izstopu iz T

p na vstopu v turbino … T sveže pare

PARNA ELEKTRARNA Povečanje temperature in tlaka sveže pare na

vstopu v turbino na izkoristek Rankinovega procesa

31

suhost pare

PARNA ELEKTRARNA

32

Regenerativno gretje kondenzata v Rankinovem ciklusu z zasičeno paro

(2-3*): stopničasta preobrazba (T=konst, s=konst)

PARNA ELEKTRARNA

33

Odprto gretje z neposrednim stikom

Tok pare se meša izobarno z napajalno vodo: napajalna voda se greje do temperature vretja pri tlaku mešanja Pravilno delovanje grelnikov je pogojeno z masnim pretokom pare, ki v grelniku odda uparjalno toploto in s segreto napajalno vodo izteka pri temperaturi vretja.

Črpalka za vsako stopnjo, velikih dimenzij, visok hrup, visoki stroški servisa in obratovanja! V elektrarnah na fosilna goriva!

PARNA ELEKTRARNA

34

Grelnik zaprtega tipa s kaskadnim povratnim tokom kondenzata

Voda teče skozi prenosnika, para odvzeta turbini pa skozi okrov in obteka cevi – prenos toplote s pare na vodo, para kondenzira in skozi nižje stopnje gretja odteka v kondenzator.

Napajalna voda teče v ceveh – zadošča le ena črpalka za kondenzatorjem!

Najpogostejši!

PARNA ELEKTRARNA

35

Grelnik zaprtega tipa s prečrpavanjem kondenzata v napajalno vodo

Odvzeti tok pare se po kondenzaciji ne duši na nižji tlak in postopoma vrača v kondenzator, ampak se s črpalko stiska na delovni tlak in meša z napajalno vodo.

Poleg glavne črpalke, mora biti za vsako stopnjo gretja še ena črpalka - majhne v primerjavi z odprtim tipom.

PARNA ELEKTRARNA

36

Ukrepi za povišanje termodinamičnega izkoristka Rankinovega procesa – ponovno pregrevanje pare

• ponovno pregrevanje pare

Ponovno pregrevanje pare – višja srednja temperatura dovoda toplote. Paro po delni ekspanziji v turbini vodimo v kotel in jo pregrejemo.

PARNA ELEKTRARNA

37

Parni kotel – potek procesov • najdražja naprava • naloga: s toploto dimnih

plinov upari (posledica zgorevanja v kurišču PK) in pregreje paro na predpisano T

T=230-260oC

1

2

Tzasičenja

3

3

voda začne uparjati

∆ρvode

voda

voda

para

4

5

6

7

8

9

ekspandira

10 11 v kondenzator

T=1400oC

Produkti zgorevanja oddajo toploto vodi v ceveh dvižnih vodov, pari v pregrevalniku, napajalni vodi v ekonomizerju ter se ohladijo na 300oC. Nato vstopajo v pregrevalnik zraka, od koder jih ventilator odsesa v dimnik pri T=150oC – ne pride do kondenzacije vodne pare v dimnih plinih in nastanka korozivnih kislin.

PARNA ELEKTRARNA

38

Parni kotel – postopki ločevanja pare

• pri 𝑣 ≤ 1ms

zapuščanja vode se mehurčki pare ločijo po naravni poti

• ločevanje je pogojeno z ∆𝜌 • ni primeren za visoke tlake in

velike pretoke

• ovire (preusmeritev toka in ojačanje gravitacijskega ločevanja – ločitev večjega dela pare in vode) in sita (sušenje – odstranitev zadnjih kapljic)

• dvofazni tok se ob pomoči vodilnih lopatic zavrti v ciklonih, kjer se voda zaradi večje teže nabira na stenah in odteka v boben, para pa odteka skoz fina sita v pregrevalnik pare

• primeren za visoke tlake

PARNA ELEKTRARNA Kurišče – sistem kurjenja na premogov prah

• Premog iz zalogovnika se meša z dimnimi plini iz kurišča - toplota dimnih plinov osuši premog do te mere, da prične razpadati.

• Premog nato vstopa v radialni ventilator, katerega lopatice ga razbijejo v prah (95% delcev ima premer manjši od 1 mm) in ga pomešanega s primarnim zrakom in dimnimi plini potiska v ploščati gorilnik (vstopajoč sekundarni zrak izboljša zgorevanje) in naprej v kurišče.

• Prednost: hitrejše zgorevanje in enostavnejša, bolj fleksibilna regulacija ter manjši optimalni razmernik zrak gorivo (manjše izgube skozi dimnik).

• Toplotni tok, ki se sprošča pri zgorevanju se prenaša v posameznih sektorjih kotla na delovni medij - vodo in nazadnje, preden zapusti kotel, še na zgorevalni zrak.

• V dimnik vstopajo ohlajeni dimni plini, ki pa s seboj odnašajo toplotni tok, saj je njihova temperatura še vedno višja od temperature okolice, kar predstavlja izgubo. 39

PARNA ELEKTRARNA

• so najpogostejši cevni prenosniki toplote: prenos toplote na zunanji strani cevi - površinska kondenzacija mokre pare, na notranji strani cevi, po katerih kroži hladilni medij - prisilna konvekcija

• zgradba: jeklena lupina z zbiralniki hladilne vode ob straneh, hladilna voda vstopa v gornji desni zbiralnik, teče po ceveh v zbiralnik na nasprotni strani, kjer se usmeri v spodnji snop cevi in se vrača na desno stran, v spodnji zbiralnik od koder nadaljuje pot proti hladilnemu stolpu, cevi so med seboj povezane s podpornimi ploščami, katerih osnovna naloga je povečanje togosti in preprečitev vibracij cevi zaradi prečnega pretoka pare, kondenzat se zbira v lovilnem bazenu na dnu kondenzatorja, ki mora biti dovolj velik, da lahko uduši morebitna nihanja pretoka

• velike dimenzije - skupna površina prenosnikov v elektrarnah največjih moči (1500 MW) presega 100000 m2, pri okvirnih zunanjih merah (DxŠxV = 25m x 20m x 15m), premer cevi 25mm, dolžina 25m, material cevi: zlitine Cu90Ni10 ali nerjavnega jekla

Površinski kondenzator – zgradba, delovanje

40

PARNA ELEKTRARNA

• najpogostejši • uporaba: za površinske izvedbe kondenzatorja, ko se para v kondenzatorju hladi preko sten hladilnih

cevi po katerih se pretaka hladilna voda, kvaliteta hladilne vode je lahko zato precej nižja, zato se je mogoče brez večjih vplivov na ekonomičnost sprijazniti tudi z večjimi izgubami hladilne vode zaradi izhlapevanja (ker se hladilna voda hladi ob neposrednem stiku z okoliškim zrakom), ogreto vodo, ki prihaja iz kondenzatorja vbrizgavamo v zračni tok v spodnjem delu hladilnega stolpa, z razprševanjem dosežemo veliko kontaktno površino in izboljšamo prestop toplote z vodnih kapljic na zrak

• izboljšave: finejše razprševanje

Odprt obtočni hladilni sistem

Hladilni stolp – TE Šoštanj

41

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Idealni Braytonov krožni proces – delovanje

Delovanje plinsko turbinskega postroja izhaja iz plinskega krožnega procesa (Braytonov ciklus): • kompresor sesa zrak iz okolice in ga stiska v gorilniku • v gorilniku zgoreva gorivo z zrakom in rezultat so produkti zgorevanja visoke temperature, ki

ekspandirajo v turbini • toplotna energija produktov zgorevanja se v turbini pretvarja v mehansko delo, ki služi za

pogon kompresorja in priključenih agregatov, preostalo delo – neto razlika pa se porabi za pogon generatorja, ladijskega vijaka, letalske elise ali ventilatorja letalskega potisnika

• opisani sistem imenuje plinsko turbinski postroj (PTP), v praksi pa je udomačen tudi izraz plinska turbina.

42


43


• Termodinamični izkoristek narašča z večanjem stopnje kompresije π. • Pri obravnavanju realnega ciklusa pa moramo upoštevati, da je temperatura na vstopu

v turbino T3 omejena. Torej sta v praksi robna pogoja T1 (Tok) in T3 (Tmax). • Med obema izotermama pa lahko sedaj poiščemo Braytonov krožni proces, ki oklepa

največjo površino, torej proizvaja največje neto specifično delo.

Termodinamični izkoristek

44

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Idealni Braytonov krožni proces – odvisnost

termodinamičnega izkoristka od stopnje kompresije

45

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Realni Braytonov krožni proces – delovanje

Nepovračljivosti, ki spremljajo realni ciklus, se pojavljajo v vseh štirih fazah obratovanja. Pri tem pa imajo odločilno vlogo predvsem med kompresijo v kompresorju in ekspanzijo v turbini. Prve povečujejo potrebno delo za pogon kompresorja.

Izentropski izkoristek kompresorja:

Izentropski izkoristek turbine:

46

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Realni Braytonov krožni proces – odvisnost

termodinamičnega izkoristka od stopnje kompresije

Potek termodinamičnega izkoristka v odvisnosti od π pri danem razmerju temperatur T3/T1 ima maksimalno vrednost pri nekem πopt, ki pa se razlikuje od stopnje kompresije pri kateri je največje specifično delo. Zato je v praksi potrebno najti kompromisno rešitev (dimenzije – izkoristek).

47

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Realni Braytonov krožni proces

Preostale nepovračljivosti so povezane s padcem tlaka na sesalni strani, v gorilniku, prenosnikih toplote in v izpuhu: • posledica teh je povečanje stopnje kompresije kompresorja in zmanjšanje stopnje ekspanzije

v turbini • to poveča potrebno delo kompresorja in zmanjša delo turbine in neto delo ciklusa • dodatne izgube so še posledica trenja v ležajih, v gorilniku zaradi prenosa toplote na okolico in

nepopolnega zgorevanja, odvzema zraka za hlajenje turbinskih lopatic in ne nazadnje odvzema energije za pogon pomožnih agregatov

48

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Primerjava Brayton - Rankin krožni proces

49

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Ukrepi za izboljšanje izkoristka - regeneracija

Regeneracija je izmenjava toplote znotraj ciklusa. V Braytonovem ciklusu je temperatura izpušnih plinov T4 pogosto višja od temperature T2 za kompresorjem. Torej je izpušne pline mogoče uporabiti za regenerativno gretje komprimiranega zraka pred vstopom v gorilnik. Pri tem ostane neto delo ciklusa nespremenjeno (tlačne izgube v prenosniku toplote so majhne) dovedena toplota (poraba goriva) pa se zaradi višje vstopne temperature v gorilnik zniža, kar poveča termični izkoristek procesa. Komprimiran zrak se lahko regenerativno segreje največ do temperature T4. Učinkovitost regeneracije pa je nižja, tako da se zrak segreje le do neke temperature T2‘

50

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Ukrepi za izboljšanje izkoristka - regeneracija

Primer povečanja izkoristka z uvedbo regeneracije v odvisnosti od stopnje kompresije in vstopne temperature v turbino načelno prikazuje diagram: • regeneracija učinkovit ukrep le pri nižjih stopnjah kompresije, t.j. vse dokler velja T4>T2. • mejna stopnja kompresije πa za katero je izkoristek z regeneracijo nižji kot brez nje

(negativna regeneracija), je tem višja, čim višja je temperatura na vstopu v turbino.

51

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Ukrepi za izboljšanje izkoristka – vmesno hlajenje

komprimiranega zraka in ekspanzija z vmesnim gretjem

• Vmesno hlajenje zraka je lahko z zrakom še pogosteje pa z vodo. Vmesno hlajenje zraka samo po sebi ne izboljša izkoristka ampak poveča le neto delo PTP-ja (hkrati se poveča tudi dovedena toplota).

• Izkoristek se izboljša šele v kombinaciji z regeneracijo, ki ima pozitiven učinek že pri nižjih stopnjah kompresije (primerjava temperatur Ty in Tx enostavnega ciklusa (1–x–3–y) ter temperatur Ty in T2'' ciklusa z vmesnim hlajenjem (1–2''–3–y )

52

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Kombiniran plinsko-parni postroj

• povečanje izkoristka je združeno s povečanjem specifičnega dela

• regenerativni del Braytonovega ciklusa nadomesti kotel parnega postrojenja, tako da vroči plini, ki zapuščajo PTP grejejo paro v kotelskih prenosnikih toplote in se ohladijo na nižje temperature kot pri regeneraciji

• povprečna temperatura odvoda toplote je pri tem nižja kot pri Braytnovem ciklusa, medtem ko je povprečna temperatura dovoda toplote precej višja kot pri Rankinovem ciklusu.

• termični izkoristek procesa je višji (tudi nad 50 %) ob hkratnem povečanju specifičnega dela procesa, ki ga ne omejuje nizka stopnja kompresije π.

• neto moč parne turbine je precej višja od moči PTP-ja, zato je v primeru kombiniranega procesa posebna pozornost posvečena parnemu ciklusu, ki se zato izvaja z vsemi ukrepi za izboljšanje termičnega izkoristka 53

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Kombiniran plinsko-parni postroj

• visoka temperatura izpušnih plinov na vstopu v dimnik (izpušnih plinov ne moremo uporabiti za predgrevanje zraka pred gorilnikom, napajalna voda je zaradi regenerativnega gretja visoke temperature in tudi ne more ohladiti izpušnih plinov

• dva uparjalnika – za znižanje temperature izpušnih plinov

• turbinski del je pri tem sestavljen iz visokotlačnega in nizkotlačnega: para visokega tlaka ekspandira najprej v visokotlačni turbini, nato pa se združi s paro iz nizkotlačnega sistema in ekspandira še v nizkotlačni turbini.

• T – H (potek temperature v odvisnosti od entalpije): linija 5 – 6' – 6 prikazuje toplotno stanje izpušnih plinov. V primeru procesa samo z visokotlačnim uparjalnikom (10' – 14 – 15 – 16 – 17), se izpušni plini ohladijo le do T6‘. Z dodatnim nizkotlačnim uparjalnikom (10 – 11 – 12 – 13) pa je temperatura izpušnih plinov T6 torej nižja. Pri tem se napajalna voda najprej ogreje do T11, nato je del vstopi v nizkotlačni uparjalnik, medtem ko se drugi del stisne na višji tlak in greje naprej do T15 in šele takrat vstopi v visokotlačni uparjalnik. 54

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Delovanje gorilnika PTP

Konvencionalni gorilnik PTP-ja lahko razdelimo na več odsekov: difuzor, vrtinčnik zraka, primarna cona zgorevanja, vmesna cona in cona redčenja. • V difuzorju se hitrost zniža in tok zraka se razdeli v primarni zrak (15 do 20 %), ki vstopa v

primarno cono in sekundarni zrak (80 do 85%), ki obteka notranji plašč in skozi odprtine v njem vteka v področje vmesne cone in cone redčenja.

• Zmanjšanje hitrosti v primarni coni zmanjša tlačne izgube in nevarnost ugašanja plamena (odnašanje plamena, kadar je hitrost dotoka reaktantov višja od hitrosti zgorevanja).

• Zgorevanje v primarni coni poteka pri stehiometrijskih pogojih, zaradi česar se lahko tvorijo večje količine NOx, ki jih znižujemo z ustreznimi ukrepi.

• Zrak, ki vstopa v vmesno cono in cono redčenja zagotovi dogorevanje produktov nepopolnega zgorevanja (CO in HC) in znižanje temperature produktov zgorevanja na oz. pod mejo, ki jo dopušča material lopatic turbine. 55

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Delovanje letalskega potisnika

• Potisniki povečujejo kinetično energijo zračnega toka, ki vanje priteka • Posledica tega pospeševanja je reakcijska sila, ki deluje na potisnik v smeri nasprotni pospešku

zračnega toka. • To silo največkrat uporabljamo za pogon letal in od tod tudi ime »reaktivna« letala. • Pospeševanje zračnega toka dosežemo v šobi, ki jo postavimo za turbino PTP-ja • Turbina porablja le del razpoložljivega entalpijskega padca, ki je potreben za pogon kompresorja in

nujnih agregatov (tlačilka za gorivo, mazalno olje, …). • Zato je tlak pred šobo višji od tlaka okolice, plini v šobi ekspandirajo, njihova hitrost pa se poveča.

56

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Osnovni deli PTP

57

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Kompresor

58

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Zgorevalne komore

59

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Razmere v turbinskem motorju

60

PLINSKO TURBINSKI POSTROJ Turboventilatorski motor

61

Documents

VS_OESiN_ToplotniStroji