esn 2 2007 - studentski.net
Post on 10-Nov-2021
8 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
ENERGETSKI STROJI
Uvod
Pregled teoretičnih osnov
Hidrostatika
Dinamika tekočin
Termodinamika
Podobnostni zakoni
Volumetrični stroji
Turbinski stroji
Energetske naprave
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
TERMODINAMIKA
Zakon o ohranitvi energije
Krožni procesi
Delo, moč in izkoristek
Tok tekočine skozi šobe
Prenos toplote
Goriva in zgorevanje
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Zakon o ohranitvi energijetermodinamski sistemi
okolica
sistemsnov
energija
A
odprti
okolica
sistem
snovenergija
B
energijsko odprti
okolica
sistemsnov
energija
C
zaprti
energija, ki prehaja mejo sistema – prehodna energija: mehansko delo in toplota
Izoliran sistem: vsota energij (eksergij, anergij) je konstantnaSistem je omejen s stenami (prehod mase in energij)Sistem je obdan z okolico, s katero izmenjuje maso in energijoDelo W in toplote Q delujeta na meji sistema
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Zakon o ohranitvi energijesistem in okolica – mehansko delo in toplota
sistem
okolica
toplota
razlika med delom in toplotose odrazi samo na okolici!
delovanje na meji sistema
mehansko delo
sistem
okolica
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Zakon o ohranitvi energijeenergijska bilanca splošne preobrazbe sistema
2 21 2
1 1 1 1 12 2 2 2 2 122 2 tv vU p V m m g H Q U p V m m g H W+ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + = + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ +
notranja energija poljubne oblike
tlačna energija (polnilno in praznilno delo)
kinetična energija
goedetska potencialna energija
toplota
tehnično delo
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Zakon o ohranitvi energijeposebni primeri
2 21 2
1 1 1 1 12 2 2 2 2 122 2 tv vU p V m m g H Q U p V m m g H W+ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + = + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ +
Bernoullijeva enačba:
nestisljiva tekočina brez trenja
adiabatni tok: brez dovoda in odvoda toplote
brez pridobljenega ali porabljenega (tehničnega) dela
2
22
221
21
11 22Hgm
vmVpHgm
vmVp ⋅⋅+⋅+⋅=⋅⋅+⋅+⋅
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Zakon o ohranitvi energijeposebni primeri
2 21 2
1 1 1 1 12 2 2 2 2 122 2 tv vU p V m m g H Q U p V m m g H W+ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + = + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ +
opravljanje tehničnega dela iz notranje energije (stacionarna preobrazba iz mirujočega stanja):
( ) ( )1112221212 VpUVpUWQ t ⋅+−⋅+=−
( )121212 hhmWQ t −⋅=−
Energijo odprtega sistema:poveča dovedena toplotazmanjša iz sistema pridobljeno delo
ENTALPIJA SNOVIV KONČNEM STANJU
ENTALPIJA SNOVIV ZAČETNEM STANJU
Entalpija je veličina stanja!
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Zakon o ohranitvi energijeposebni primeri
2 21 2
1 1 1 1 12 2 2 2 2 122 2 tv vU p V m m g H Q U p V m m g H W+ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + = + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ +
delo enkratne ekspanzije (absolutno delo)
polnilno delo
praznilno delo
22111212 VpVpWW tu ⋅+⋅−=Absolutno delo
Tehnično delo, zaprt sistem:
12121212 0 UUWQW tt −=−⇒=
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Zakon o ohranitvi energijepolnilno in praznilno delo
masa
masa
energijamasa
masa
energija energija
A turbinski stroj B volumenski stroj C volumenski stroj
neprekinjeno polnjenjein praznjenje
periodično polnjenjein praznjenje
brez polnjenjenjain praznjenja
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Krožni procesidesni krožni procesi – toplotni stroji
tem
pera
tura
entropija
prenos toplotez vročega telesana delovno snov
prenos toplotez delovne snovina hladno telo
krožniproces
toplo telo
hladno telo (okolica)
pridobljeno delo
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Krožni procesilevi krožni procesi – hladilni stroji
tem
pera
tura
entropija
toplo telo
hladno telo
prenos toplotez delovne snovi
na vroče telo
prenos toplotes hladnega telesana delovno snov
vloženo delo
krožniproces
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Krožni procesiprimerjalni krožni procesi
Pogoste predpostavke:- idealni plin- povračljive preobrazbe
Periodično delujoči stroji (volumenski toplotni stroji)- vse preobrazbe se izvedejo v enem samem stroju- uporaba diagrama p – v
Zvezno delujoči (turbinski) stroji (toplotno postrojenje)- posamezne preobrazbe se izvedejo v ločenem stroju- povezovanje strojev v postroje in postrojenja- uporaba diagramov: T – s (idelani plin)
h – s (realni plin)
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Krožni procesiprimerjalni krožni procesi
v
p
s
T
12
43
12
43
vp
s
T
12
4
3
1
2
4
3
v
p
s
T
12
43
1
24
3
Carnot Joule Stirling
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Krožni procesiprimerjalni krožni procesi
Otto Diesel Clausius – Rankine
v
p
s
T
12
4
3
1
2
4
3
vp
s
T
1
2
43
1
2
4
3
v
p
s
T
1
2
4
3
1
2
4
3
x = 1
x =
0x
= 0 x
1=
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Mollierov h-s diagramprednosti za tehniško uporabo
pvhsTq dddd ⋅−=⋅=
1. glavni stavek termodinamike
qhsTp ddd0d ==⇒=
hpvq dd0d =⇒=
izobarni dovod toplote
adiabatna delovan preobrazba (kompresija, ekspanzija)
Pri konstantnem tlaku dovedena (odvedena) toplota je enakarazliki entalpij snovi, ki ji doploto dovajamo (odvajamo).
Ob adiabati pridobljeno ali porabljeno tehnično delo je enakoentalpijski razliki snovi, ki je podvržena preobrazbi.
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Primer: parni krožni proces
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Tehnično delo preobrazbe: ∫ ⋅=2
1
dp
pt pvW
V / m3
p /
Pa
s = konst.
1
2p2
p1
V2V1
mWt
s / kJ/(kg.K )-1h
/
kJ/k
g
1
2p 2
p1mWt
Krožni procesidelo
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Delo krožnega procesa:
V krožnem procesu pridobljeno tehnično delo (ekspanzije), zmanjšano za porabljeno tehnično delo (kompresije)
tKtE WWW −=
Moč krožnega procesa:
Wt
WP &==d
d
Krožni procesidelo, moč
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Učinkovitost pretvorbe energije v krožnem procesu
KROŽNI PROCES
doQ
W
odQ
izgW
Nepopolnost narave preobrazbe:omejenost s temperaturo dovodain odvoda toplote
Nepopolnost strojev in naprav
Krožni procesiizkoristek
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Izkoristek: merilo za učinkovitost preobrazbe
IZKORISTEK = IZKORIŠČENA ENERGIJA (MOČ)
VLOŽENA ENERGIJA (MOČ)
POGONSKI STROJ: PRIDOBLJENO DELO JE MANJŠE OD TEORETIČNEGA
DELOVNI STROJ: PORABLJENO DELO JE VEČJE OD TEORETIČNEGA
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Termični izkoristek krožnega procesa
TOPLOTNI KROŽNI PROCESI – PRETVORBA TOPLOTE V MEHANSKO DELO
iGo
th
Go
thc Hm
PQP
⋅==η
upošteva neopolnost narave preobrazbe pretežni del nepovračljivosti enostavnih krožnih procesov
Pth ... prosta moč krožnega procesa pri povračljivih preobrazbah
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Notranji (indicirani) izkoristek
th
ii P
P=η
Pi ... prosta moč krožnega procesa pri dejanskih (politropnih) preobrazbahali teoretična moč (na gredi) stroja
upošteva neopolnost kompresij in ekspanzij v strojih(nepopolnost prenosa mehanske energije s fluida na gred)stiskanje kapljevin in ekspanzija plinov (par ugodna)
i
thi P
P=η
pogonski stroj: delovni stroj:
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Mehanski izkoristek
i
mm P
P=η
Pm ... dejanska prosta moč krožnega procesaali dejanska moč na gredi stroja
upošteva neopolnost prenosa mehanske moči gredi(ležaji, tesnila,...)
m
im P
P=η
pogonski stroj: delovni stroj:
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Dejanski (efektivni izkoristek)
∏==j
jQP ηη
do
me
produkt izkoristkov vseh pretvorb – od začetnega do končnega stanja
upošteva uspešnost narave pretvorbe in pretvorb v posameznih strojih in napravah
različne definicije za vsak posamičen primer
∏==i
iPP ηη
m
the
pogonski stroj: delovni stroj:
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Izkoristek celotne pretvorbe
ηt ηi ηm
PmPiPth
Qdo
Hidravlični pogonski stroj
Toplotni pogonski stroj
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Primeri: PRETVORBA ENERGIJE V TERMOELEKTRARNI
ηK ηt ηi ηm ηG ηLR
kote
l
leža
ji, te
snila
turb
ina
krož
ni p
roce
s
gene
rato
r
last
na ra
ba
z go
rivom
dov
eden
ito
plot
ni to
k
moč
na
prag
uel
ektra
rne
izgube
{ {{ {{
LRGmitKe
E
G
G
m
m
T
T
Tid
Tid
K
K
Ge
ηηηηηηη
η
⋅⋅⋅⋅⋅=
⋅⋅⋅⋅⋅=PP
PP
PP
PP
WQ
321
&
&
&
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Carnotov krožni procesPrincip optimiranja krožnih procesov
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Carnotiziranje (optimiranje) poljubnega krožnega procesa
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
1
2
3
4
entropija
tem
pera
tura
4
3
2
1
=
Tmdo
1 2Q 3 4Q
Primer: ponovno pregrevanje pare
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Primer: Joulov plinski proces – vmesno hlajenje kompresije, sekvenčno zgorevanje (dovod toplote), regeneracija toplote
entropija
tem
pera
tura
Tmdo
Tmod
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Tok tekočine skozi šobeTok plina skozi kanal: energijska enačba
122
22
222
121
21
111
2
2
tWHgmvmVpU
QHgmvmVpU
+⋅⋅+⋅+⋅+
=+⋅⋅+⋅+⋅+
22
22
222
21
111vmVpUvmVpU ⋅+⋅+=⋅+⋅+
Izentropni tok brez opravljanja dela:
22
22
2
21
1vhvh +=+
Totalna entalpija se ohranja:
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Tok tekočine skozi šobe
v2
p 1 /
ρ
1
2
v 1 /
22
v 2 / 2
2
v1
1 2
p1 p2
ρ =
kons
t.
gH
.
=ρp
p 2 / ρ
p 2to
t / ρ
h 1
h 2
h 2tot
s
h1
2
v 1 /
22
v 2 / 22
kapljevinaplin
h1 h2
plin
kapl
jevi
na
ρ1
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
HITROST IZTEKANJA PLINAPospeševanje toka skozi konfuzor(primer šoba v vodilniku parne turbinske stopnje)
( )21212 2 hhvv −⋅+=
poenostavitev:
za nestisljive tekočine:(primer šoba Peltonove turbine)
( )21222
21 2 hhvvv −⋅=⇒<<
ρρρρ 21
2 221
ppv −⋅=⇒==
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Iztekanje idealnega plina
izentropna ekspanzija:
( ) ( )21212 22 TTchhv p −⋅⋅=−⋅=
RpT⋅
=ρ
.δδ
konstpp T
hc=
=
enačba stanja idealnega plina:
κκ 1
1
2
1
2
−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
pp
TT
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Iztekanje idealnega plina
gostota masnega toka skozi šobo:
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⋅⋅
−⋅=
−κ
κ
ρκκ
1
1
2
1
12 1
12
pppv
Avm ⋅⋅= 22ρ&
kontinuitetna enačba:
2 1
1 1 1 11 1
2 21
m p pp pA p p
κκ κκρ ρ
κ
+⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ ⋅ Ψ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥− ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
&
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅
−=
+κ
κκ
κκ
1
1
2
2
1
2
1 pp
ppΨ
Pretočna funkcija
Ničle pretočne funkcije:
1 ; 0
0 ; 0
1
2
1
2
==
==
ppΨ
ppΨ p2 = 0
p2 = p1
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Maksimum pretočne funkcije:
112 1
max +⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+=
−
κκ
κκκ
Ψ
0
1
2
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂
∂
ppΨ
1
kr1
2
12 −
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ κκ
κpp
Kritično (Lavalovo) tlačno razmerje:
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Iztekanje idealnega plina
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,2 0,4 0,6 0,8 1,00
κ = 1,1351,2001,3001,4001,667ψ
p p1 kr
p p1
v2v1
1 2
p1 p2
ρ =
kons
t.
h1 h2
plin
kapl
jevi
na
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Iztekanje idealnega plina
Vrsta plina κ (p1/p2)kr Ψmax
enoatomni plin 1,667 0,487 0,514
dvoatomni plin(zrak)
1,400 0,528 0,484
triatomni plin(pregreta para)
1,300 0,546 0,472
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Kontinuitetna enačba
.2 11 konstpΨAm =⋅⋅⋅⋅= ρ&
Konvergentna šoba: 0dd
<lA
Amin
0dd
maxkr1
2
1
2 >⇒<⇒⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛<⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛lAΨΨ
pp
pp
kr1
2
1
2⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛>⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛pp
pp
Na najožjem preseku konvergentne šobe ne more vladati manjši tlak kot je kritični (Lavalov)
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Zvočna hitrost
2kr TRv ⋅⋅= κ
Kritično (Lavalovo) tlačno razmerje
kr1
2
1
2⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛pp
pp
Zvočna hitrost je veličina stanja, saj je odvisna od lokalnega stanja (T2) in od plina (κ, R)
Machovo število
hitrost zvocna lokalnahitrost lokalnaMa
kr
==vv
Na najožjem preseku konvergentne šobe hitrost ne more biti večja od zvočne (Lavalove) hitrosti
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
p1
p p2 kr =
2
1
> pam
p v konst.. = κ
v = 1/ρ
p1 pretvorba v kinetočno energijo
izgube
p p2 kr =
pam
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Konvergentno-divergentna šoba:
0dd
maxkr1
2
1
2 >⇒<⇒⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛<⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛lAΨΨ
pp
pp
p1
p p2 am=
21
pkr <
p v konst.. = κ
v = 1/ρ
p1 podkritično področje
pkr
p p2 am =
nadkritično področje
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Razmere v nadzvočni šobi, p1 = 10 bar
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
00 0,5 1,0 1,5
0 500 1000
p2p1 kr
= 0,528 (κ = 1,4)
1ρ1
8 10 12 14
p /
bar
PODKRITIČNOPODROČJE
NADKRITIČNOPODROČJE
Am /
cm2
kg/s
1/ m /kgρ / 3
v / m/s
Am
v v = kr
v < vkr
v > vkr1/ρ
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Tlačne razmere v Lavalovi šobi
1
p/p
kr1
1 2 O
00 1x/L
A
B
C
Č
D
E
F
Gp
/p1
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Krivulje Fanno
22
tot 2
12 2v mh h h
Aρ⎛ ⎞= + = + ⋅⎜ ⎟⋅ ⎝ ⎠
&
s / (kJ/(kg . K))
h /
(kJ/
kg)
A B C
C
B
A
htot 1/r
h
Δh
v=
/22
podzvočno območje
nadzvočno območje
/2
v2 kr
mA
.
2mA
.
1>
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Labirintno tesnenje
22
tot 2
12 2v mh h h
Aρ⎛ ⎞= + = + ⋅⎜ ⎟⋅ ⎝ ⎠
&
s / (kJ/((kg . K))
h /
(kJ/
kg)
1tot 2tot 3tot
1 2 3
2tot 3tot
12
3
htot . = konst
krivulja Fanno
p2
p1
1tot
Energetski stroji
UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo
Prenos toplote
Prevod toplote : Fourierjev zakonKonvekcija in konvektivni prestop toploteSevanjePrehod toplote
top related