Kalorikus gépek: segédlet az előadásokhoz. BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék. KALORIKUS GÉPEK Segédlet az elıadásokhoz 2009 BUDAPEST

EE Ka ner lor ge iku tik s g ai G ép ek épek :s eg és R éd let ends az ze elő rek ad ás Tans ok ho zék z Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar

Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

KALORIKUS GÉPEK

BM

Segédlet az elıadásokhoz

2009 BUDAPEST

Tartalomjegyzék

BM

EE Ka ner lor ge iku tik s g ai G ép ek épek :s eg és R éd let ends az ze elő rek ad ás Tans ok ho zék z

Bevezetés .............................................................................................................................................3 Tüzeléstechnika..................................................................................................................................12 Kazánok .............................................................................................................................................30 Turbinák .............................................................................................................................................56 Belsı égéső motorok..........................................................................................................................90 Mesterséges hőtés ............................................................................................................................123

2

Bevezetés


Kalorikus gépek → Hıerıgépek és tüzelıberendezések Mivel foglalkozunk? -

termodinamikai körfolyamatok illetve munkafolyamatok megvalósításával

-

valóságos folyamatokkal és azok megvalósítási korlátaival

Miért foglalkozunk hıerıgépekkel? -

mert az élet majd minden területén megtalálhatók:

hőtıgép, boiler, autó, repülıgép, villamos erımő

-

mert környezetbarát megvalósítása mindannyiunk érdeke -

kis CO2 kibocsátás → jó hatásfok

-

megújuló energiaforrások

BM

biomassza (gáz, növényolaj, alkoholok, szilárd anyagok)

3

Hıerıgéppel szemben támasztott követelmények


1. ár → elvégzendı feladathoz mennyire kihasznált a befektetett összeg megtérülési ideje

2. üzemeltetés költsége -

fajlagos tüzelıanyag felhasználás

-

fajlagos energiaigény

3. üzemeltetés igényessége -

megbízhatóság

-

karbantartási igény

4. élettartam

5. éves kihasználtság

alaperımő → legjobb hatásfok

-

csúcserımő → kis beruházási költség, gyors terhelhetıség

-

kazán → részterhelésen rosszabb hatásfok!

BM

-

4

Gızgép


Hıerıgépek /történelmi sorrendben/

1690 1698 1712 1765 … 1900

Denis Papin (F) Thomas Savery (GB) Thomas Newcomen ηt≈1% James Watt (skót) ηt≈2% ηt≈17%

Gızturbina Kr. e. 1. sz Alexandriai Heron 1690 Denis Papin (F) 1883 Carl de Laval (S) 1884 Charles Parsons (GB) 1890 … 1999÷2002

ηt≈40÷43% (47%)

Gázturbina

∼1600 1791 1903 1905 1936 1938

Leonardo da Vinci John Barber Armengan testvérek (F) Hans Holzwarth Brown Boveri cég Jendrassik György

ηt≈2,9%

ipari gázturbina ηt≈21% axiális kompresszor η≈80% ηt≈38÷39%

BM

2000

5

Etienne Lenoir gázmotor, szikragy. Nicolaus August Otto szénpor Gottlieb Daimler benzin Rudolf Diesel Carnot körfolyamat Bánki Donát – Csonka János porlasztó Felix Wankel forgódugattyú

Hőtéstechnika Kr. e. 460÷377 1755 1834 1860

Hippokrates W. Cullen (skót) J. Perkins (USA) E. Carre (F)


Belsı égéső motor 1860 1876 1885 1892 1893 1956

BM

jéggel hőtés mesterséges jég elıállítása elsı kompresszoros hőtıgép abszorpciós hőtıberendezés

6


Carnot körfolyamat

- munkaközeg ideális gáz - hımérséklethatár adott q T ⋅ (s − s ) T η t = 1 − el = 1 − 1 2 1 = 1 − 1 q be T2 ⋅ (s 2 − s1 ) T2

Gız-víz munkaközegre – Clausius-Rankine körfolyamat

BM

q be = h3 − h 2 q el = h 4 − h1 q h −h η t = 1 − el = 1 − 4 1 h3 − h 2 q be

7

Belsıégéső motor körfolyamatai


A határok itt nem hımérséklethatárok, hanem térfogathatárok. Térfogathatár adott – Otto motor

q be = q 23 = u3 − u 2 = c v ⋅ (T3 − T2 ) q el = q 41 = u4 − u1 = c v ⋅ (T4 − T1 )

T  T1 ⋅  4 − 1 T −T 1  T1  = 1− ηt = 1 − 4 1 = 1 − κ −1 T3 − T2  T3    v 1 T2 ⋅  − 1    T2   v2 

Izentrópikus állapotváltozáskor p ⋅ v κ = áll. ill. T ⋅ v κ −1 = áll. κ −1

κ −1

v  T1  v 2  T =   =  3  = 4 T2  v1  T3  v4  v2 = ε kompresszióviszony v1 1 η t = 1 − κ −1

ε

κ = 1,4 levegıre κ = 1,3 CO2 κ = 1,2 etán

BM

Valóságos motorban az égéstermék és a magas hımérséklet miatt κ csökken → ηt is kisebb

8

Diesel motor 1

ε κ −1

 ρκ −1  ⋅  (ρ nem sőrőség !)  κ ⋅ ( ρ − 1) 


ηt = 1 −

ε = 10 az Otto jobb mint a Diesel ε > 14 a Diesel jobb ρ = 2 esetén

BM

Gázturbina (Joule - körfolyamat)

9

Motornál 1

ε

κ −1

ε térfogathatár!


ηt = 1 − Gázturbinánál

ηt = 1 −

1

κ −1 π κ

π nyomáshatár!

Melyik jobb?

Bontsuk elemi Carnot körfolyamatokra! T ηt = 1 − 1 T2

T1 nı, ezért η csökken! T2

BM

A baloldali csak középen jó hatásfokú, a széleken

10


Hőtıgép körfolyamat

BM

q be = q 0 = h1 − h 4 q el = h 2 − h3 w = h 2 − h1 Fajlagos hőtıteljesítmény: q ε= 0 w

11

Tüzeléstechnika


Tüzelıanyagok tulajdonságai

Kazánok és tüzelıberendezésekhez - gáz (földgáz (CH4)) - olaj (kıolaj lepárlás) - szén (kıszén, barnaszén, lignit) - hulladék Belsı égéső motorokhoz - benzin - dieselolaj - metanol - metilészter (repceolaj) - biogáz Gázturbinákhoz - gáz - tüzelıolaj - kerozin

BM

Tüzelıanyag alkotók C, H, S, O, nedvesség, hamu Égéshı É Főtıérték F=É-mH2O·r

12

Biomassza (szilárd)


- tüzeléstechnikai jellemzıi (~CO2 semleges folyamat) víztartalom főtıérték

hamutartalom

hamulágyulási pont

- fizikai – mechanikai jellemzıi

darabosság (méret, geometria)

méreteloszlás, apró méretek aránya rétegsőrőség

16 % feletti nedvességtartalom

biológiai folyamatok kiváltója lehet, főtıérték csökken,

öngyulladásra hajlamos

Főtıérték (vízmentes tömegre vonatkoztatva) 16,5-19,0 MJ/kg

Fa tüzelıanyag főtıéréke átlagban ~ 9 %-kal nagyobb, mint a szalma és főfélék főtıértéke Hamu

- faféléknél 2,5 – 5 %

BM

- szalma, gabona szár és főféléknél 4 – 12 % (15-20 %)

13

Egyéb szilárd tüzelıanyagok:

- olajpala, olajhomok


- biomassza - fa (egyesek ide sorolják)

Olajpala összetétele:

- hamu

40 – 60 %

- illó

15 – 30 %

- Főtıérték

5 – 19

MJ kg

-a hı 80 – 85 %-a az illó égésébıl szabadul fel

- a hamu SiO2, CaO;

a hamulágyulás és az olvadás hımérséklete közel van egymáshoz, ezért jelentıs a tőztéri elsalakosodás.

Biomassza (szilárd):

- valamennyi szerves eredető anyag (C –tartalmú)

- energianövények pl.: Miscanthus, akác, főfélék, nyárfa - aratási maradványok pl.: szalma, erdei fahulladék - olajnövények héja, préselt pogácsa

BM

Szárazanyag összetétel:

14

-C

45 - 50 %

-H

5–7%

-O

40 – 45 %

Folyékony tüzelıanyagok - könnyő benzin


- kıolaj → desztillátumok (fosszilis)

- nehéz benzin - petróleum - gázolaj - pakura

- megújuló folyékony tüzelıanyagok: - növényi olaj: - repce - napraforgó - mogyoró stb. - alkoholok: - etanol (C2H5OH) (keményítı, cukor, cellulóz tartalmú növények) pl.:

C6 H 12 O6 → 2C 2 H 5OH + 2CO2 cukor etanol szén – dioxid 100 kg 51 kg 49 kg

- metanol (CH3OH) (fa elgázosítással)

pl.: szintézisgázból (CO/H2 keverék) CO + 2H2 → CH3OH + hı (katalizátor mellett 50 – 60 bar, 230 – 260 °C-on) jellemzıi:

- mérgezı és korrozív

MJ ) kg - 10 °C alatt hideg indítás nem megy, - benzinhez maximum 15 %-ban keverik

BM

- alacsony főtıérték (19,7

15

Folyékony tüzelıanyagok


- felmelegített állati zsiradék

BM

Folyékony tüzelıanyag tulajdonságai - sőrőség - viszkozitás - dermedéspont - folyóssági pont (2÷4 °C-al a dermedéspont felett - zavarodási pont → parafin kiválik, szőrık eltömıdnek - lobbanáspont I. tőzveszélyességi osztály lobbanás pont < 21°C (benzin) II. tőzveszélyességi osztály lobbanás pont < 55°C (diesel) III. tőzveszélyességi osztály lobbanás pont < 100°C (főtıolaj) - Conradson szám - vanádium, kén, hamu tartalom - víz, mechanikai szennyezıdés

16

Folyékony tüzelıanyagok


Tüzelı és főtıolajok TH 5/20

BM

TM FM

H – háztartási T – tüzelı számláló: lefejtési hımérséklet nevezı: égı üzemi hımérséklet M – kénmentes F – főtıolaj

17

Szilárd tüzelıanyagok


 kJ  Főtıérték    kg  14 600 változó a meddı aránya miatt 22 – 28 000 30 – 33 000

Tüzelıanyag

fa tızeg ~ 104 éves lignit ~ 10 4 – 105 éves barnaszén ~ 106 éves kıszén ~3·106 – 5·106 éves

Kıszén:

- zsíros szén (fekete szén) - sovány szén (antracit)

Mesterségesen elıállított szenek:

- koksz

F = 28 – 30.000

BM

Szilárd tüzelıanyagok összetétele - Tiszta szénre vonatkoztatva -

18

kJ kg

kJ/kg; kJ/m3

Égéshı (É)


Egységnyi tömegő vagy térfogatú tüzelıanyag tökéletes elégése során felszabaduló hı, az égésterméket visszahőtve a kiindulási hımérsékletre a H2O folyékony állapotban van. Főtıérték (F) kJ/kg; kJ/m3 Egységnyi tömegő vagy térfogatú tüzelıanyag tökéletes elégése során felszabaduló hı, az égésterméket visszahőtve a kiindulási hımérsékletre a H2O gız állapotban van. É= F+r

9H + w 100

r= 2500 kJ/kg illetve 2000 kJ/m3 (0°C) w= tüzelıanyag víztartalma %-ban H= tüzelıanyag Hidrogén tartalma %-ban

Németül: BRENNWERT HEIZWERT

BM

Angolul: Higher Heating Value (HHV) Lower Heating Value (LHV)

19

20


BM

Tüzeléstechnika


Minıségbiztosítás

Tüzelıanyagok jellemzıi:

É - Égéshı F - Főtıérték

összetétele:

C, H, S, N, O, nedvesség, hamu ( NO2 , CO2 , CO, CxHy, SO2 )

Alapvetı reakciók: -

kémiailag kötött energia hıvé alakul → exoterm reakciók C + O2 = CO2 + hı 1

BM

1 H 2 + O2 = H 2 O + hı 2 2 S + O2 = SO2 + hı 3

21

Reakcióegyenletek moltömegekkel felírva =

44 kg CO2

1 kg

=

3,67 kg


12 kg C + 32 kg O2 + 2,67 kg

+ 34,12 MJ

2 kg H2 + 16 kg ½ O2 =

18 kg H2O

1 kg

=

9 kg H2O + 143 MJ

32 kg S + 32 kg O2

=

64 kg SO2

1 kg S + 1 kg O2

=

2 kg SO2

+ 8 kg

+ 9,09 MJ

kg

kg

kg

Elméleti oxigénszükséglet:

 kg  O2 min   = 2,67 ⋅ C + 8 ⋅ H 2 + 1⋅ S − O2  kg  Elméleti levegıszükséglet:

 kg  O L0   = 4,29 ⋅ O2 min L0 = 2 min 0,233  kg   kg  L0   = 11,5 ⋅ C + 34,32 ⋅ H 2 + 4,29 ⋅ S + 4,29 ⋅ O2  kg  1 = 4,76 0,21

BM

 m3  L0   = 4,76 ⋅ O2 min  kg 

22

1 = 4,29 0,233


Légfeleslegtényezı: L λ= L0 L – valóságos levegımennyiség L0 – elméleti levegımennyiség

Légfeleslegtényezı meghatározása méréssel: /száraz levegı, térfogatmérés/ Égéstermék CO2 tartalmát mérve CO2 max  CO  V λ = 1 +  2 max − 1 ⋅ 0 ≈  CO2 mért  L0 CO2 mért Égéstermék O2 tartalmát mérve 21  O2  V0 λ = 1+  ⋅ ≈   21 − O2  L0 21 − O2 V0 - szilárd tüzelıanyag esetén L0 folyékony tüzelıanyag esetén

0,93÷0,96

gáz tüzelıanyag esetén

0,9÷0,93

0,97÷0,99

Légfelesleg szokásos értékei:

BM

földgáz tüzelıolaj szénpor szén, mech. rostély

λ 1,05÷1,1 1,1÷1,2 1,1÷1,3 1,3÷1,5

23


Tökéletes égéskor keletkezı elméleti füstgázmennyiség  kg  V0    kg  Égéshez szükséges valóságos fajlagos levegımennyiség  kg  L   kg  Égéskor keletkezı valóságos füstgáz mennyiség  kg  V = V0 + [λ − 1]⋅ L0    kg  L0 2,383 [m3/m3] 9,559 [m3/m3] 5,509 [m3/kg] 10,53 [m3/kg]

V0 1,881 [m3/m3] 8,46 [m3/m3] 6,503 [m3/kg] 9,915 [m3/kg]

BM

Tüzelıanyag H2 CH4 barnaszén főtıolaj

24

CO2max 11,75 [m3/m3] 19,67 [m3/kg] 15,82 [m3/kg]

Égés fizikai jellemzıi m Λ   s


Lángterjedési sebesség:

Gyulladási határok:

Minimális gyulladási energia:

E = V ⋅ ρ k ⋅ c p ⋅ (Tláng − Tkez det i ) τ

E = ∫ U ⋅ I dτ

BM

0

25


Elméleti égési hımérséklet

Tüzelıberendezés elvi rajza

Energiamérleg: .

.

mé ⋅ hé = m tü ⋅ htü + m l ⋅ hl

Égéstermék entalpiája:

hé = V ⋅ c pé ⋅ (Té − T0 ) ;

ahol

T0=273 K

Tüzelıanyag entalpiája

htü = F + c p tü ⋅ (Ttü − T0 ) Égéslevegı entalpiája hl = L ⋅ c pl ⋅ (Tl − T0 )

Elméleti égési hımérséklet Té =

hé + T0 V ⋅ c pé

F + c ptü ⋅ (Ttü − T0 ) + L ⋅ c pl (Tl − T0 ) + T0 [V0 + (λ − 1) ⋅ L0 ] ⋅ c pé

BM

Té = Tad = Telm =

26

Elméleti és valóságos égési hımérséklet Tüzelıanyag Földgáz Főtıolaj Barnaszén Kıszén

Telm [°C] 2000 2000 1500 2300

[kJ/kg] 36000 40000 20000 30000

Tval [°C] 1200 – 1600 1200 – 1500 1000 – 1200 1200 – 1500


F

ROSIN és FEHLING : cpé adott hımérséklettartományban gyakorlatilag független a tüzelıanyag fajtájától

Disszociáció

kJ mol

⇔ CO +

H2O + 252,2

kJ mol

⇔ H2 +

1 O2 2

1 O2 2

BM

CO2 + 275,2

27

Koromképzıdés


Gáztüzelésnél C – C kötés szakad fel pl.:

metán

CH4 → 2 H2 +

C

Koromképzıdési tényezı:

Megadja, hogy a tüzelıanyag összes karbon tartalmából hány % válik ki korom formájában.

pl.:

metánnál:

1000 °C – on

5%

600 °C – on

30 %

500 °C – on

50 % ez a tényezı

Képzıdési mechanizmusok:

2CO

↔

CO2

+

C

CO

+

H2

↔

H2O

CH4

↔

2H2

+

C

fordított Boudouard reakció

+

C

fordított vízgáz reakció

Befolyásoló tényezı:

- Tüzelıanyag fajtája (nagy C/H-val hajlamos)

- láng típus (elıkevert, diffúziós)

BM

- láng hımérséklet, oxigén kínálat minél kisebb, annál inkább keletkezik.

28

Koromképzıdés elkerülése:


- gyors keveredés - gyors hımérsékletnövekedés

- elıkevert (kinetikus) lángnál intenzív elıkeveredés → alig keletkezik

Segíti a korom képzıdését:

- levegıhiány

- alacsony hımérsékletnövekedés

- diffúziós lángnál a tüzelıanyagban gazdag magban keletkezik

- láng hőtött felülettel érintkezı részén van koromkiválás

Korom csak gázfázison keresztül jön létre!

Koromszemcse mérete ~ 0,025 µm = 250Ǻ C6H; C8H

BM

Felépítése:

29

Kazánok


Anyag és energia mérleg gızkazánokban

Tüzelés fajlagos jellemzıi L0 V0

kg kg

kg kg

λ=

elméleti fajlagos levegıszükséglet;

elméleti fajlagos füstgázmennyiség;

L légfeleslegtényezı. L0

Energiamérleg: Tömegmérleg:

Qɺ be = Qɺ el

mɺ be = mɺ el

→ mɺ tv = mɺ thg

Vízoldali hıfelvétel: Qɺ hasznos = mɺ thg ⋅ ( hthg − htv ) + p ⋅ mɺ thg ⋅ ( h′ − htv ) leiszapoláskor p – leiszapolás tömeghányad;

BM

Tüzeléssel bevitt hıáram: Qɺ tü .a. = B ⋅ F Qɺ tü .a. = Qɺ hasznos + ∑ Qɺ veszt

30

Kazán hatásfok


Direkt hatásfok

Qɺ

ηk = hasznos Qɺ tü .a .

mérendı:

 kg  mthg   pthg , tthg s ↓ hthg  kJ kg  

ptv , ttv htv  kJ kg  

 Bɺ  kgs  , F  kJ kg 

Indirekt hatásfok:

ηk = 1 − ∑ɺ

Qɺ veszt

BM

Qtü .a.

31

Veszteségek


2 fı csoportba sorolhatók: - tüzelési - főtıfelületi

Tüzelési veszteségek: minden, ami éghetı, de nem égett el, pl.: CO , C x H y , salakéghetı gázéghetı:

Qɺ gáz elégetlen = Bɺ ⋅ F ⋅ν gáz elégetlen

ν gáz elégetlen =

[ CO]

(

V [ CO ]F + [ H 2 ]F 2 + ⋯ CO

H

)

F CO koncentráció a füstgázban

salakéghetı:

ν salakégh

s ⋅ e′ ⋅ F S = Bɺ ⋅ F

BM

 kg  s   idıegység alatt kihordott salaktömeg;  s   kg  e′   salakéghetı tartalma.  kg 

32

Veszteségek


Főtıfelületi veszteségek: Legnagyobb a füstgáz hıvesztesége → korrózióveszély miatt nem hőthetı le a környezeti hımérsékletre Füstgáz hıveszteség:

Qɺ fg = Bɺ gk ⋅ (V ⋅ c pfg ⋅ t fgki − λ ⋅ L0 ⋅ c pl ⋅ tl )

↓

elımelegített levegı V = V0 + ( λ − 1) ⋅ L0

Bɺ gk = Bɺ ⋅ (1 −ν szilárd elégetlen )

ν szilárd elégetlen : olajtüzelésnél ≈ 0 széntüzelésnél 1 − 4% Qɺ

ν fg = ɺ fg Q

tü .a .

Falveszteség: meleg falfelület hıleadása a környezetnek Qɺ fal = α külsı ⋅ A ⋅ ( t fal − tkörnyezet ) Qɺ fal W qɺ fal = → 100 − 200 2 A m −0,3 ɺ ɺ ν fal hıveszt = 0, 0113 ⋅ Qhasznos Qhasznos [ MW ] -ban

ηk = 1 − ∑ν

BM

Ezzel az indirekt hatásfok:

33

Kisteljesítményő kazánok közvetlen hatásfokszámítása Tüzelési hatásfok:


ηtü. = 1 − q fg

q fg → füstgázzal távozó hı vesztesége Sieqert közelítı számítása szerint t −t q fg = f ⋅ fg lev [ %] CO 2 f – függ a tüzelıanyag összetételétıl, kismértékben λ -tól és t fg -tól.

CO 2 – mért száraz füstgáz CO 2 tartalom [ %] -ban. f

0,59

Füstgáz + ventilátor

0,46

Füstgáz ventilátor nélkül

0,42

Folyékonygáz

0,35

BM

Tüzelıolaj

34

Gızfejlesztık


Fıbb típusok:

- nagyvízterő kazán (lángcsöves, füstcsöves) - vízcsöves kazán - természetes cirkulációjú kazán - kényszer cirkulációs kazán - kényszerátáramlású kazán

Nagyvízterő kazán gızteljesítmény gıznyomás

∼9MW-ig ∼18MW-ig

BM

egy lángcsıvel két lángcsıvel

10÷12 t/h, max 25 t/h ∼20 bar, max 25 bar

35


Nagyvízterő kazán

- kis gızteljesítmény 10÷12 t/h - mérsékelt gıznyomás ∼20 bar - elınye: a gızelvétel ingadozását bizonyos határok között képes kompenzálni (nagy rugalmasságú) ha a gızelvétel megnı ⇒ a nyomás lecsökken és a sraffozott területnek megfelelı hımennyiség szabadul fel, késıbb a szabályozás visszaállítja az eredeti helyzetet

BM

Vízcsöves, dobos kazán természetes cirkulációval

Felületek:

36


Elgızölögtetés tartályban (pool boiling) Forrási folyamat szakaszai: - csendes forrás - buborékos forrás - áramlásos forrás

BM

qkrit C → C ′ hirtelen t fal hımérsékletnövekedés

37


Természetes cirkulációjú kazán

ρv – közeg sőrősége az ejtıcsıben ρk – közeg sőrősége az emelıcsıben h – emelıcsı túlemelése a dob vízszintje felett

BM

∆p = H ⋅ g ⋅ (ρ v − ρ k ) − h ⋅ g ⋅ ρ K Cirkuláció jellemzıje → keringési szám ɺ m K= K K ≅ 5 ÷ 50 nagyobb nyomásra K értéke csökken mg

38

Természetes cirkulációjú kazán /folytatás/


Kazándob a fix pont, itt telített gız/víz állapot uralkodik vízleválasztó biztosítja, hogy a túlhevítıbe csak száraz telített gız távozzék. A kazánban a p nyomás növelésével a cirkulációs körben ρv-ρk csökken, ezért a cirkuláció fenntartásához H magasságot növelni kell. Ezzel viszont nı az anyagköltség. A p nyomás növelésével a dob méret csökken. p⋅d s= 2 ⋅ σ meg

/kazán formula/

Keringési szám természetes cirkuláció esetén: K=5÷50

E kazántípus elınye: csekély részterhelésen is mőködik, ezért nem lépnek fel terhelésfüggı hőtési problémák.

BM

Figyelem! Instacioner üzemben (pl. hirtelen megnövekvı gızelvétel miatti nyomáscsökkenés) az ejtıcsövekben gızképzıdés léphet fel, ami termikus károk okozója lehet. Célszerő 3 bar/min-nél nagyobb nyomásváltozási sebességet elkerülni.

39


BM Forrás függıleges csıben áramló közegnél

40


A nyomás növelésével az emelıcsıben a gızbuborékok térfogata csökken, ezzel csökken a sőrőségkülönbség az ejtıcsı és az emelıcsı között. Ilyenkor ⇒ kényszercirkuláció. Vízcsöves, dobos kazán kényszercirkulációval

- itt a szivattyú állítja elı a megfelelı nyomáskülönbséget. - különben u.a. mint elıbb

Kényszerátáramlású

BM

- nagynyomású rendszer (dobot már nem lehet beépíteni) - a nyomás csak nagyon szők tartományban változhat, hiszen más nyomáshoz más nagyságú hıcserélı felületek tartoznak

41


Kényszercirkulációs kazán / La Mont – kazán/ 1 – tápvíz-elımelegítı 2 – elgızölögtetı 3 – túlhevítı 4 – kazándob 5 – tápszivattyú 6 – keringtetı szivattyú

Keringési szám K=3÷5 Keringtetı szivattyú ∆p=3÷4 bar teljesítmény igény ∼ 0,6 kW/t gız

BM

Természetes cirkulációval szembeni elınye, hogy a kazán geometriai kialakításában megnı a szabadságfok. pl.: csıátmérı megválasztásában, áramlási irány megválasztásában, dob elhelyezésében

42

Kényszerátáramlású kazán


1 – tápvíz-elımelegítı 2 – elgızölögtetı 3 – túlhevítı 4 – vízleválasztó 5 – tápszivattyú a → irány fix pont vándorol b → irány fix pont a vízleválasztó helye

A 3/1 és 3/2 túlhevítı között a gızhımérséklet szabályozásához vízbefecskendezést alkalmaznak.

BM

Jellemzıi: - viszonylag nagy áramlási sebesség a jó falhőtés érdekében → α hıátadási tényezı növelése - rögzített átfolyási keresztmetszet miatt korlátozott a párhuzamosan kapcsolható csövek száma, ezért a tőztérben a csövek spirálban vannak beépítve

43

44


BM

Hıátvitel kazánokban


Lehetséges módok: 1. Hıvezetés útján (hıterjedés anyagon belül) 2. Hıátadás útján Egyik anyagból egy másik halmazállapotú anyagba Pl: gázból → szilárd fal gızbıl → szilárd fal ill. megfordítva 3. Sugárzás útján Lángból főtıfelületek felé Pl.: hıátadás kazánban síkfal esetén

Füstgázból a fal felé átadott hı

W  qɺ1 = α1 ⋅ (T1 − T f 1 )  2  m 

Falon vezetéssel átadott hı

qɺ2 =

λ W  ⋅ (T f 1 − T f 2 )  2  δ m 

Falból a gıznek átadott hı

W  qɺ3 = α 2 ⋅ (T f 2 − T2 )  2  m 

állandósult esetben qɺ = qɺ1 = qɺ2 = qɺ3

qɺ =

T1 − T2

δ 1 + + α1 λ α 2 1

= k ⋅ (T1 − T2 )

BM

Qɺ = A ⋅ qɺ [W ] hıáram A  m 2  felületen

45

Kazánoknál

1 1 1 ≈ + k α1 α 2


Marad

δ a másik két taghoz viszonyítva elhanyagolható λ

Általában α 2 (gız ill. vízoldali) > α1 W α 2 = 1000 ÷ 10000 2 áramló hideg víznél m K W α 2 < 15000 2 forrásban lévı víznél m K levegı illetve gáz esetén W α1 = 10 ÷ 100 2 kényszerített áramlásnál mK W α1 = 5 ÷ 20 2 szabad áramlásnál m K Ha α 2 nagy → T f 2 − T2 kicsi, túl nagy falhımérsékletek elkerülhetık. Ha a falfelület egyik oldalára vízkı, a másik oldalára salak vagy korom rakódik, akkor

k=

1

1

α1

+∑ i

δi 1 + λi α 2

 W   m 2 K 

BM

Minél vastagabb (δ ) és minél kisebb hıvezetési tényezıjő az anyag ( λ ) , annál rosszabb → k csökken.

46

Hısugárzás Lángsugárzás Gázsugárzás


-

Hısugárzás tartománya 0,35 ÷ 10 µ m Lángsugárzással átadott hı A besugárzott felületen

BM

 T  4  T f  4  ɺ QS = A ⋅ c f ⋅ ε eff ⋅  l  −     100   100    W  c f = 108 ⋅ σ = 5, 67  2 4  m K 

47

[W ]


Gázsugárzás CO 2 , H 2 O

Szelektív sugárzás 2, 4 − 3, 0 µ m CO 2 4, 0 − 4,8 µ m 12,5 − 16, 4 µ m 1, 7 − 2, 0 µ m H 2 O 2, 2 − 3, 0 µ m 12 − 30 µ m Nem I λ spektrális sugárzásintenzitással számolunk, hanem a teljes hullámhosszra átlagolt szürke testnek feltételezett ε értékekkel: ε gáz = 1 − e − n , ahol n = f p, s, ϕH 2O , ϕCO2

(

)

p – össznyomás ~ált. atm. V s = 4 ⋅ – egyenértékő rétegvastagság A V – gáztérfogat A – gáz által érintett falfelület ϕ H2O , ϕCO2 – térfogatarány

ϕH O = 2

m3 H 2 O gız m3 tü.a.

ϕCO =

BM

2

m3 CO 2 m3 tü.a.

48


Tőztér méretezése

Tüzeléssel bevitt hı

Qɺ tü .a. = Bɺ ⋅ F + L ⋅ c pl ⋅ (Tlev − Tki )

Sugárzással átadott hı

Qɺ S = A ⋅ c f ⋅ ε eff

 Tláng 4  T f 4  ⋅   −    100   100  

 W  c f = 108 ⋅ σ = 5, 67  2 4  m K 

Hımérleg:

Qɺ1 = Qɺ tü .a . − Qɺ S

Füstgázzal elvitt hı

Qɺ1 = Bɺ ⋅V ⋅ c pfg ⋅ Tki

Qɺ Q1 = 1− S Qtü .a. Qɺ tü .a.

µ

→ relatív hıfelvételi tényezı

Qɺ1 = (1 − µ ) ⋅ Qɺ tü .a.

Bɺ ⋅V ⋅ c pfg ⋅ Tki = (1 − µ ) ⋅ Bɺ ⋅ F

Tki = (1 − µ ) ⋅

ahol

BM

F = Telm V ⋅ c pfg Tki = 1 − µ → Tki = Telm ⋅ (1 − µ ) Telm

49

F V ⋅ c pfg

Kazán fajlagos jellemzıi


Fajlagos térfogati hıterhelés

Qɺ tü .a .  kW  Vtü .  m3  kW rostélytüzeléső gızkazán 230 − 580 3 m kW szénportüzelés 110 − 190 3 m kW olaj-, gáztüzelés 440 − 550 3 m MW repülıgép gázturbinája 10 − 15 3 m qV =

• • • •

Fajlagos keresztmetszeti hıterhelés

qk =

Qɺ tü .a .  kW  Ak  m2 

qA =

Qɺ tü .a.  kW  At  m 2 

Tőztérfelület fajlagos hıterhelés

• • •

kW m2 kW nagyvízterő kazán 300 2 m kW 500 − 600 2 -nél szúróláng lép fel m

szénportüzelés ∼ 100

BM

At – a tőztér palástfelülete

50

Terhelési tényezı


Qɺ S A Qɺ V q β = A = ɺ t = S ⋅ ɺ tü. qV Qtü .a . At Qtü .a. Vtü .

Formatényezı

f =

β=

At Vtü .

1 ⋅µ → µ = β ⋅ f f Tki = 1− β ⋅ f Telm

BM

Ha nagyobb hıteljesítményő kazánt akarunk építeni → Qɺ tü .a. -t kell növelni → növelni kell Vtü . -t, de akkor csökken f . Ha f csökken → β -t kell növelni, hogy Tki ≈ áll. maradjon.

51


BM

Hımérsékletek alakulása a főtıfelületek mentén

52


Vízbefecskendezés szerepe

 T  4  T f  4    QS = áll ⋅ A ⋅  l  −   100   100   Bɺ csökken, QS = f (Tl ) mivel Tl ≈ áll , ezért QS ≈ áll ɺ g csökken → Tg nı m

besugárzott túlhevítı

ɺ g , akkor csökken Bɺ , csökken V fg , ha csökken m

csökken w fg , csökken α

konvektív túlhevítı

∆t → 0 eléréséhez vízbefecskendezés

BM

sorba kapcsolt túlhevítık

53


Vízbefecskendezés /folytatás/

Energiamérleg

(mɺ

thg

)

ɺ bef ⋅ h1 + m ɺ bef ⋅ htv = m ɺ thg ⋅ h 2 −m

h1 − h 2 h1 − htv Miért a két túlhevítı közé érdemes a befecskendezést tenni?

BM

ɺ bef = m ɺ thg m

54


Szerkezeti anyagok fejlıdése

BM

Kritikus felületek - Elgızölögtetı - Nagynyomású túlhevítı - Nagynyomású túlhevítı győjtıkamra

55

Turbinák


Fúvókából kilépı közeg sebessége

Áramlástanból ismert gázok kiömlése tartályból:

κ −1   κ   2κ p  c1 = ⋅ RT0 ⋅ 1 −      p0   κ −1  

Átbocsátott gızáram / A keresztmetszeten/

κ −1   κ   A⋅c 1 2κ p  mɺ = = A⋅ ⋅ ⋅ RT0 ⋅ 1 −      p0   v v κ −1  

↓ p0 v0 ↓

A⋅

v0 v

←

v02 v0

↓

1

v0  p  κ =  v  p0 

BM

1 κ −1    p κ   p κ  p κ  mɺ = A ⋅   ⋅ ⋅ 1−   ⋅ 2⋅ 0   p v0 κ −1  p0    0    Ψ p mɺ = A ⋅ Ψ ⋅ 2 ⋅ 0 v0

56

A Ψ összefüggés más alakban:


κ +1 2   κ     κ  p p κ  Ψ= ⋅   −  κ − 1  p0   p0    

Ψ = 0 , ha

p p = 0 , illetve ha =1 p0 p0

κ

Ψ max

ezzel

→

dΨ p  2  κ −1 = 0 helyen → itt =  p0  κ + 1   p d   p0 

1

BM

Ψ max

κ  2  κ −1 =  ⋅ κ + 1 a kritikus nyomásviszonynál.  κ +1

57


Mire jó ezt tudni? • Azonos nyomásviszonynál, és így azonos Ψ mellett a kifolyó mennyiség adott közeg esetén csak a kezdeti állapottól függ:

mɺ = A ⋅ Ψ ⋅ 2 ⋅

•

p0 v0

A kritikus nyomásviszony csak a közeg κ -tól függ:

 p   = 0, 528  p0  kr .  p Túlhevített gızre κ = 1,3   = 0, 546  p0 kr . Levegıre κ = 1, 4

Száraz telített gızre

Nedves gızre

•

 p   = 0, 577  p0 kr .

κ = 1,135

κ = 1, 035 + 0,1⋅ x

A kritikus sebesség

ckrit

κ −1    pκ  2 ⋅κ  = ⋅ p0 v0 ⋅ 1 −     p0   κ −1 krit  

κ −1 κ

és

 p 2   =  p0 krit κ + 1

ezzel

ckrit =

2 ⋅κ ⋅ p0 v0 κ +1

BM

Az egyszerő szőkülı fúvókában a legszőkebb keresztmetszetben ennél nagyobb sebesség nem léphet fel.

58


 p Egyszerő szőkőlı fúvókában   -nél Ψ max érhetı el.  p0 krit

A görbe bal ága vízszintes, c = áll. marad

Laval fúvókánál felírható a folytonosság alapján

A ⋅ Ψ = Akrit ⋅ Ψ max = áll.

Ψ A AC = max = Akrit Ψ AB

Tehát egy bıvülı toldatot kapunk.

BM

1. ábra

59

Vákuumba történı kiömlésnél


κ −1    pκ  2 ⋅κ  ⋅ p v ⋅ 1−   c1 = κ − 1 0 0   p0    

→ c1 = c1max

p=0

c1max =

2 ⋅κ ⋅ p0 v0 κ −1

továbbá, mivel

ckrit =

2 ⋅κ ⋅ p0 v0 ezért κ +1

c1max κ +1 = κ −1 ckrit

( ha

p = 0!)

c1max = 2, 45 ckrit c Túlhevített gızre 1max = 2, 77 ckrit

Levegıre

BM

A Laval fúvókából kilépı közeg sebessége tehát kb. 2,5-szerese lehet a hangsebességnek.

60


A fúvóka gızturbinában általában egyszerő szőkülı fúvóka. A kilépı keresztmetszet nem merıleges az áramlásra:

pkrit nyomásig ( M < 1) , a kilépı sebesség iránya ∼ α1

ha p < pkrit ( M > 1) ,a közeg a fúvóka mögött tovább expandál, ami sugáreltérést okoz.

BM

ha α1 nı, c1 csökken.

61


Turbinafokozat

Egyszerősített energiaegyenlet

h0 +

c02 c2 = h1 + 1iz 2 2

c12iz − c02 h0 − h1 = ∆hiz = 2

BM

c1iz = 2 ⋅ ∆hiz + c02

62

Turbina szabályozás


1. Fojtásos szabályozás 2. Mennyiségi szabályozás Fojtásos szabályozás

BM

Mennyiségi szabályozás

63


Utolsó fokozat lapátsora

l 1 1 ∼ ÷ D 3 4 FC = m ⋅ r ⋅ ω 2 m = A⋅ ρ ⋅l D r= 2 u2 u2 2 r ⋅ω = = r D2

u2 FC = 2 ⋅ A ⋅ ρ ⋅ l ⋅ D 2 tehát FC ∼ u

Hosszú lapát mentén a sebességi háromszög alakulása

BM

u=

64

D ⋅π ⋅ n 60

m  s 


Vízfékezési veszteség

w1 forgólapát hátába ütközik csökkenti Fu -t.

Kilépési veszteség – utolsó fokozatnál

c2 min = u ⋅ sin β 2 Kilépési veszteség c2 δ ki = 2 2 u 2 ⋅ sin 2 β 2 δ ki min = 2 ahol c2 ⊥ w2

BM

 m3  m m ɺ ha V   csökken, akkor w2   csökken, vagyis c2   is csökken. Ha Vɺ = 0 → c2 = u s s  s 

65


Axiális erı egy fokozatra

Fax = mɺ ⋅ ( c1 sin α1 − c2 sin α 2 ) + D ⋅ π ⋅ l ⋅ ( p1 − p2 )

c1a

c2 a

Kiegyenlítı dob által létrehozott kiegyenlítı erı ( DD2 − Db2 ) ⋅ π ⋅ p FD = ( kerékszekrény − pki ) 4 Tömszelence

BM

 m3  Expanzió: v   nı  kg  A ⋅ w  kg  mɺ = v  s 

66

Fokozatcsoport

mɺ tömegáramának p1 , p2 nyomásoknak


T1 hımérsékletnek összefüggı értékeit a fokozatcsoportra számított entalpiaváltozáskor kapjuk mɺ → p1 , p2 , T1 megváltozott értékek mɺ ′ → p1′, p2′ , T1′

eredeti értékek

2 2 2  mɺ ′  ( p1′ − p2′ ) ⋅ T1 =   ( p12 − p22 ) ⋅ T1′  mɺ 

Stodola összefüggés

ha p1 >> p 2 , p1′ >> p′2 és T1′ ∼ T1 akkor,

ez kondenzációs turbinára jellemzı, ahol p2 ≈ 0

BM

mɺ ′ p1′ = mɺ p1

67


Szabályozó fokozattal rendelkezı turbina nyomáslefolyása

mɺ ′ kicsi → p1′ kicsi legyen ez a tervezési állapot jelentısen nı az utolsó fokozat terhelése

BM

1 szelep nyitva 2 szelep nyitva 3 szelep nyitva

68


BM

Fokozatcsoport nyomáslefolyása az ellennyomás változásával

69


Nyomáslefolyás turbinafokozatok közötti megcsapolás esetén

BM

Ha mɺ cs megcsapolási tömegáramot növeljük, akkor a megcsapolás elıtti fokozatok terhelése nı. Vigyázat → lapáttörési veszély!

70

Turbina veszteségei


Mechanikai Áramlástani - Profilveszteség η ′,η ′′

1 Lapáthossz veszteség = f   l  - Parcialitási veszteség - Kötözı vagy rezgéscsillapító huzal okozta veszteség - Lapátvég leélezési veszteség - Hosszú lapátok legyezısége okozta veszteség Tárcsasúrlódási és ventilációs veszteség Résveszteség Vízfékezési veszteség Kilépési veszteség

-

BM

-

71

Akciós -


Akciós és reakciós turbinák összehasonlítása

Nagyobb átmérıjő, de kevesebb fokozatú, rövidebb forgórész hossz Nem érzékeny a radiális rések nagyságára Munkaigényesebb a forgórész és lapátozás; nagyobb felszerszámozást igényel Forgórész tömege a gızzel öblített felületéhez képest kicsi → forgórész gyorsabban melegszik, mint a ház terhelésváltozáskor!

BM

Reakciós - Kisebb átmérıjő, hosszabb, sokfokozatú, általában többházas kivitel - Radiális hézagra érzékeny - Hosszabb lapátok esetén hatásfok jó, profil szerepe kisebb, mint akciósnál - Forgórész és ház melegedése hasonló - Terhelésváltozás, indulás rövidebb idı alatt végrehajtható

72


Gázturbina munkafolyamat

K – kompresszor T – turbina

Hasznos teljesítmény ( Ph )

Ph = PT − PK

Turbina teljesítménye

  1 PT = mɺ ⋅ ∆h34 = mɺ ⋅ c pg ⋅ (T3 − T4 ) = mɺ ⋅ c pg ⋅ T3 ⋅ 1 − T  3  T 4 

T3  p3  =  T4  p4  p3 =δ p4

κ g −1 κg

     

 κ g −1    κg  1      → PT = mɺ ⋅ c pg ⋅ T3 ⋅ 1 −    δ        

BM

Tehát PT = f ( mɺ , T3 , δ )

73

Kompresszor teljesítményfelvétele


T  PK = mɺ ⋅ ∆h21 = mɺ ⋅ c pl ⋅ (T2 − T1 ) = mɺ ⋅ c pl ⋅ T1 ⋅  2 − 1  T1  T2  p2  =  T1  p1  p2 =π p1

κ l −1 κl

   κκl −1   ɺ  → PK = m ⋅ c pl ⋅ T1 ⋅  π l − 1     

Tehát PK = f ( mɺ , T1 , π )

Hıbevezetés

Qɺ be = mɺ ⋅ ∆h32 = mɺ ⋅ c pl ⋅ (T3 − T2 )

Ideális munkafolyamat termikus hatásfoka

P 1 ηt = ɺ h = 1 −   Qbe π 

κ −1 κ

BM

Tehát ηt = f (π , κ )

74

π =δ

c pl = c pg

κl = κ g


Hatásfok alakulása a nyomásviszony függvényében

Hasznos teljesítmény a nyomásviszony függvényében

κ −1   κ  κ −1  1   Ph = c p ⋅ T3 ⋅ 1 −    − c p ⋅ T1 ⋅  π κ − 1  π      

∂Ph = 0 helyen keressük Popt -ot ∂π

BM

 1  c p ⋅ T3 ⋅  2κ −1  − c p ⋅ T1 = 0  κ  π 

75

κ

→

π opt

 T  2(κ −1) = 3   T1 

Fıbb veszteségek – ideálistól való eltérés

Kompresszió

ηadK

Expanzió

c ⋅ (T − T ) ∆h = iz = pl 20 1 ∆h c pl ⋅ ( T2 − T1 )

ηadT =

c ⋅ (T − T ) ∆h = pg 3 4 ∆h iz c pg ⋅ (T3 − T40 )

κ g −1   κg 1     PT = mɺ ⋅ c pg ⋅ T3 ⋅ 1 −   ⋅η   δ   adT  

 κ −1  1 PK = mɺ ⋅ c pl ⋅ T1 ⋅  π κ − 1 ⋅   ηadK

BM

1.

Kompresszió, expanzió nem izentrópikus Súrlódás miatti veszteségek Mechanikai veszteség Közegjellemzık változása (a hımérséklet és összetétel miatt)


1. 2. 3. 4.

76

2. Súrlódás miatti nyomásveszteségek p1 p0 p′ σ tüz = 3 p3 p σ ki = 0 p4

kompresszor belépésnél (szőrı, hangtompító)


σ be =

p3 = p2 hıcserélı, tüzelıtér

turbina után (kémény, hangtompító)

σ be ⋅ σ tüz ⋅ σ ki ⋅ π = δ

3. Mechanikai veszteség (tengelysúrlódás + segédberendezések energiaigénye)

BM

4. Közegjellemzı változása

77


BM

Munkafolyamat veszteségekkel

78

Hatásfokjavítás lehetıségei


a.) növelni kell T3 hımérsékletet (anyag, hőtés) b.) csökkenteni kell T1 hımérsékletet c.) turbinából kilépı nagyhımérséklető közeg hıjét hasznosítani kell

BM

a.) T3 növelés – lapáthőtés

79

c.) hıcserélı alkalmazása P


ηt = ɺ h Q

be

Qɺ be = mɺ ⋅ c p ⋅ ( T3 − T4 ) hıcserélıs esetben: Qɺ be = mɺ ⋅ c p ⋅ ( T3 − T2′ )

mɺ ⋅ c p ⋅ (T3 − T2′ ) < mɺ ⋅ c p ⋅ (T3 − T2 ) tehát a hatásfok nı

Hıcserélı hatásfoka

c p ⋅ ( T2′ − T2 ) c p ⋅ ( T4 − T2 )

-

rekuperatív hıcserélınél 0, 4 ÷ 0, 7 regeneratív hıcserélınél (forgó) 0, 7 ÷ 0,9

BM

ηhıcs =

80

Gázturbina kapcsolások


Egyszerő gázturbina, nyitott munkafolyamat

K – kompresszor T – turbina M – indítómotor

Nyitott munkafolyamat hıcserélıvel

H – hıcserélı K – kompresszor T – turbina M – indítómotor

Nyitott munkafolyamat: Környezetbıl levegıt szív a kompresszor Környezetbe égésterméket bocsát ki a turbina

BM

Nyitott: nincs fizikai kapcsolat a levegı be és az égéstermék ki között.

81


Zárt munkafolyamat

K1 – kisnyomású kompresszor; K 2 – nagynyomású kompresszor; T1 – nagynyomású turbina; T2 – kisnyomású turbina;

BM

H1 – hıcserélı; H 2 – közbensı újrahevítı; M – motor (indító)

82

Jelentıs összhatásfok-javulás érhetı el kombinált ciklusú munkafolyamatokkal


Carnot körfolyamat jobb megközelítése!

BM

veszteség 5 − 1 közötti hı

83


BM

Kombinált ciklusú (gáz-gızturbina) kapcsolások

84


Hıhasznosító kazán

-

BM

Kényszer cirkulációs

85

Helyigény nem korlát Egyszerő Beépített by-pass rugalmasságot növeli

Kombinált munkafolyamat Pgázt + Pgızt Qɺ


Folyamat hatásfok: ηö =

be

Gázturbina hatásfok: η gázt =

Pgázt Qɺ be

P Gızturbina hatásfok: η gızt = ɺ gızt Qel ⋅ ε

Gızkörfolyamatba belépı hı = Qɺ el ⋅ ε = Qɺ gız be

ε < 1 kihasználási tényezı

Qɺ el = Qɺ be − Pgázt = Qɺ be ⋅ (1 − η gázt )

Qɺ gız be = Qɺ el ⋅ ε = Qɺ be ⋅ ε ⋅ (1 − η gázt )

Pgızt = η gızt ⋅ Qɺ gız be = η gızt ⋅ Qɺ be ⋅ ε ⋅ (1 − η gázt ) Pgázt + η gızt ⋅ Qɺ be ⋅ ε ⋅ (1 − η gázt ) ηö = Qɺ be

  

ηö = η gázt ⋅ 1 +

Példa:

 η gızt ⋅ ε − η gızt ⋅ ε   η gázt 

BM

η gızt = 0,3   η gázt = 0,3  → ηö = 0, 47 ε = 0,8 

86


Tüzelıtér

2 ∆p veszt ∼ w lev

1 w lev ∼ -re csökken 5 de Λ -hoz képest túl nagy

lángstabilizálás

tüzelıtér nyomásvesztesége

BM

∆p = ∆phideg + ∆pmeleg

↓ hidraulikai veszteség

T  ∆pmeleg = 0,5 ⋅ ρ ⋅ w2 ⋅  ki − 1  Tbe  87


Csöves tüzelıtér

MW m3 MW Győrős tüzelıtér térfogati hıterhelése 100 − 150 3 m

BM

Csöves tüzelıtér térfogati hıterhelése 20 − 30

88


Turbinalapátok élettartama

Lapát anyagok Ni bázisú 80% Ni, 20% Cr ↓ Ni egy részét: kobalt milobdén wolfram

BM

Kerámia anyagok - Szilikonnitrid Si3 N 4 - Szilikonkarbid SiC

89

Belsı égéső motorok


Elméleti munkafolyamat

Vl = lökettérfogat Vk = kompresszió térfogat

Kompresszió viszony: V +V ε= l k Vk

V = áll. → szikragyújtású motor [Ottó] p = áll. → kompressziógyújtású motor [Diesel] részben V = áll. + részben p = áll. → Seiliger motor

BM

Hıközlés

90

Valóságos motor munkafolyamat


Lényeges eltérések az ideális munkafolyamattól: a.) Mindig friss töltetet kell a hengertérbe juttatni a munkát végzett égéstermék helyére → van tehát töltéscsere munkafolyamat, ami csökkenti a hasznos munkafolyamatot; → lehet visszamaradt égéstermék a hengerben; → töltéscsere a szelepeken keresztül veszteséget okoz.

b.) A kompresszió és expanzió nem adiabatikus: Van hıcsere a közeg és a fal között.

c.) Égés véges sebességő – nagysága függ λ -tól, Re számtól, keverék hımérsékletétıl → égés tehát nem tud V = áll. -n végbemenni.

BM

d.) Égés alatt van hıleadás → reakciók egy része „befagyott” ( H 2 , CO, CH < 5% )

91


e.) Égés alatt – nagy nyomáson – az égéstérbıl a dugattyú és persely között gázcsere lép fel → csökken az égéstérben a nyomás, és így a kinyerhetı munka.

BM

f.) Súrlódási veszteségek Dieselnél nagyobb → nagyobb ε → erısebb dugattyúgyőrők

92


A valóságos munkafolyamat (veszteségek figyelembevételével)

BM

SZNY – szívószelep nyit SZZ – szívószelep zár KNY – kipufogószelep nyit KZ – kipufogószelep zár ÉK – égés kezdete

93

Motor mindenkori teljesítményét a friss töltet m tömege korlátozza ph ⋅ Vl ( p0 − ∆p ) ⋅ Vl = R ⋅ Th R ⋅ (T0 + ∆T )


A töltet tömege:

m=

Az elméleti töltet: környezeti állapotú közeggel töltve fel a hengert. p ⋅V melm = 0 l R ⋅ T0

A töltési fok: p T m λt = = h⋅ 0 melm Th p0 négyütemő motornál: λt ≈ 0, 7 ÷ 0,9

λt növelési lehetıségei:

több szívószelep alkalmazása kis szelep ellenállás ∆p csökkentése: szívócsatorna kis ellenállása

-

∆T csökkentése: szívócsı ne a „meleg” részeknél legyen

-

gyors szelepzárás: dinamikus töltés kihasználása

BM

-

94

Motorok fıbb jellemzıi


Teljesítmény: P0 – elméleti teljesítmény:

- veszteség mentes áramlás - nincs gázváltási munkafolyamat - tökéletes égés stb. - ideális gáz;

Pi – indikált teljesítmény: a motor hengerterében mérhetı teljesítmény; Pe – effektív teljesítmény: a motor tengelyén mérhetı teljesítmény;

Középnyomás: a munkafolyamat alatt a dugattyúra ható képzeletbeli átlagolt nyomás. W = pk ⋅ Vl W pk = Vl ez a lökettérfogatra vonatkoztatott munka → munkasőrőség

pi = indikált középnyomás;

BM

pe = effektív középnyomás: 4 ütemő Ottó motornál 10-12 4 ütemő Diesel motornál 8-9 feltöltött 14-20

95


Motor fıbb jellemzıi (folytatás) Fajlagos tüzelıanyagfogyasztás Bɺ  g  kg g b=  Bɺ ; tömegáram;  P  kW h  h h Szikragyújtású motor: b = 260 − 285

g kW h

Kompressziógyújtású motor: b = 190 − 250

g kW h

Hatásfok: P  kJ  η= ɺ Qɺ   tüzelıanyaggal bevitt hı Q h ɺ ɺ Q = B⋅F Szikragyújtású motor: η ≅ 0,3 − 0, 35 Kompressziógyújtású motor: η ≅ 0,35 − 0, 45

BM

Mechanikai hatásfok: P Pe ηm = e = , Pi Pe + Pv ahol Pv a veszteség teljesítmény.

96


BM

Indikátor diagramm p −ϕ

97


Keverékképzés Szikragyújtású motorban Külsı keverékképzés: - karburátor - befecskendezés szívócsıbe

Belsı keverékképzés: - befecskendezés az égéstérbe (hengerbe) Karburátor: elemi porlasztó (Bánki-Csonka találmánya)

cl =

2

ρl

∆p , ahol ∆p = p0 − pT

Levegı tömegáram: mɺ l = µT ⋅ AT ⋅ cl ⋅ ρl = µT ⋅ AT ⋅ 2 ρl ⋅ ∆p

BM

Tüzelıanyag tömegárama: mɺ t = µ f ⋅ Af ⋅ ct ⋅ ρt = µ f ⋅ Af ⋅ 2 ρt ⋅ ∆p

98

Fúvóka szőkítési tényezı tényezı ( µ f ) a Re szám függvényében ct ⋅ d

EE Ka ner lor ge iku tik s g ai G ép ek épek :s eg és R éd let ends az ze elő rek ad ás Tans ok ho zék z Re =

ν

fúvóka ∅ d = 1 ÷ 2 [ mm ] m ct = 1 ÷ 6   s

 m2    s 

ν = ( 0, 7 ÷ 1, 0 ) ⋅10−6 

Re szám a lamináris-turbulens határán van 32 ⋅ ct ⋅ l ⋅ν ⋅ ρt • lamináris esetben ∆p = d2 ρ ⋅ c2 • turbulens esetben ∆p = t t 2 ∆pt = ∆p − ρt ⋅ g ⋅ h h ≈ 10 mm a szórócsı túlemelése Levegı/tüzelıanyag arány: 1

1

  2  µT AT ∆p ⋅  =  ∆ − ⋅ ⋅ p g h ρ t    µ f Af

1

1

  ρl  2  2 ∆p  ⋅   ⋅     ρt   ∆p − ρt ⋅ g ⋅ h 

BM

mɺ l µT AT ⋅ ( 2 ⋅ ρl ) 2 = mɺ t µ A ⋅ 2 ⋅ ρ 12 f f ( t)

99


Elemi porlasztó hátrányai: - kis terhelésen elszegényedik a keverék - tranzienseket nem képes követni gyorsítás, indítás és felmelegítés - magasságváltozásból adódó nyomásváltozást nem tudja követni: levegı sőrőség csökken, a keverék dúsul! A hátrányok kiküszöbölésére

kiegyenlítı fúvóka

gyorsító fúvóka

BM

üresjárati fúvóka

100


Befecskendezés közvetett – szívócsıbe közvetlen – hengertérbe Közvetett befecskendezés

Befecskendezés: - Kezdete: gyújtáselosztó vezérli; - Idıtartama: ρszívócsı , nmotor , tlevegı adataiból - Korrekciót végez: hidegindítás; felmelegítés; nmax esetén.

BM

Befecskendezés elınye: - Jobb hengertöltés; - Szívócsı optimális töltésre alakítható; - Kopogási határ nagyobb ε felé tolódik → minden henger azonos keverékminıséget kap; - Hengert a párolgó tüzelıanyag hőti; - Kisebb fajlagos tüzelıanyag fogyasztás.

101

Közvetlen befecskendezés /benzin/


1 – elektronikus vezérlı egység 2 – levegı tömegáram mérı hımérsékletérzékelıvel 3 – fojtás 4 – szívónyomás érzékelı 5 – tüzelıanyag tartály 6 – adagolószivattyú 7 – nagynyomású szivattyú 8 – nyomásvezérelt szelep 9 – nyomásérzékelı 10 – füstgáz visszavezetı szelep 11 – λ szonda 12 – NOx katalizátor

-

-

BM

-

feltétele – komplex motorvezérlés Tüzelıanyagot tetszıleges idıpontban a tárolóval ellátott nagynyomású befecskendezı rendszer révén lehet befecskendezni. Elektromágneses nagynyomású befecskendezı szelepen keresztül közvetlenül a hengerbe lehet befecskendezni. A levegıáram a fojtással állítható. Különösen dinamikus üzemben fontos a füstgáz visszavezetés pontos beállítása→ ezért szükséges a szívóvezetékben a nyomás mérése.

102

Közetlen befecskendezés mőködése


Kis terhelésen • Erısen rétegzett hengertöltet és nagy légfelesleg a kis tüzelıanyag fogyasztás érdekében; • Röviddel a gyújtás idıpontja elıtti befecskendezéssel az égéstérbe – ideális esetben – két zóna alakul ki: 1. Égıképes tüzelıanyag/levegı keverék a gyertya körül; 2. A fenti körül levegı-égéstermék szigetelı réteg. Eredmény: fojtás nélküli üzem, égéstér falazat felé csökkent hıleadás (szigetelı levegı/égéstermék réteg)

BM

Növekvı terhelésen A keverék tüzelıanyagban dúsul → koromképzıdési veszély, ezért: • Homogén hengertöltet; Befecskendezés már a szívási ütemben → levegı/tüzelıanyag jó átkeveredése; • Beszívott levegıtömegáram – nyomatékigény szerint – fojtóretesszel állítható be; • A szükséges tüzelıanyagot a levegı mennyiségébıl számítja és λ -szondán keresztül korrigálja.

103


A motorvezérlésének két jellegzetes tartománya van: a.) réteges üzem (kis terhelés); b.) homogén üzem (nagy terhelés).

Motorvezérléssel szembeni követelmények:

1. Befecskendezési idıpont az üzemi pontnak megfelelıen kell: - Késıi befecskendezést (kompresszió végén) megvalósítani; - Korai befecskendezést (szívóütem) megvalósítani.

BM

2. Beszívott levegıtömeg beállítása független kell, legyen a gázpedálállástól, hogy - Kis terhelésen fojtás nélküli üzem lehessen; - Nagyterhelésen a megfelelı fojtásállítás lehessen. Elınyök: - Csökken a tüzelıanyag fogyasztás; - Nagyobb motorteljesítmény.

104


BM

λ -szonda: O2 érzékelı Zr O2 kerámiából készül.

105

Motor fıbb jellemzıinek összefoglalása

d = furat ( mm )


l = hajtórúd hossz ( mm )

s = löket ( mm )

ϕ = forgattyú szögelfordulás a Fhp-tól

Lökettérfogat d 2π ⋅ s cm3  Vl = 4 Vk − legkisebb térfogat (kompresszió térfogat)

Hengertérfogat Vh = Vl + Vk

Kompresszióviszony V ε= h Vk Nyomaték M = F ⋅k

(fékpadon k karon mért F erı)

Effektív teljesítmény Pe = 2 π n ⋅ M

Indukált középnyomás Pi pi = Vl ⋅ n ⋅ i i = 2 : 4 ütemő i = 1 : 2 ütemő

Indukált hatásfok P ηi = ɺ i → F = főtıérték B⋅F

 kJ   kg   

Effektív hatásfok P ηeff = ɺ e B⋅F

BM

Fajlagos középfogyasztás Bɺ 1 be = = Pe F ⋅ηeff

106

Égés Otto motorokban


Égéstér – lehetıleg gömb alakú: egyenletes lángterjedés

Égési sebesség 20 ÷ 30

m s

Rendellenes égés - öngyulladás - kopogás

BM

Öngyulladás: - nagy hımérséklető helyrıl indul ki; Pl.: lerakódások: korom, koksz. - teljesítmény csökken, a motor rángat.

107


Kopogás Az érzékelhetı zaj, a „kopogás” nem mechanikai, hanem égési zaj. Szikragyújtás után az égés kezdeti szakasza normális: m végés = 20 ÷ 30 s A közben kifejlıdı másodlagos gócok maguktól begyulladnak, m égési sebességük végés = 300 ÷ 600 s

A leválasztott jel frekvenciája f ≅ 6 ÷ 7 kHz

Befolyásoló tényezık: - Égéstér alakja; - Kompresszióviszony; - Elıgyújtás; - Légfelesleg; - Beszívott levegı hımérséklet; - Oktánszám.

BM

Kerülendı, mert megnı a mechanikai (dugattyú győrők) és hıigénybevétel.

108

Kompressziógyújtású motor (Diesel)


ε = 14 ÷ 22

nmax = 1800 ÷ 2200

fordulat

nmax = 3000 ÷ 3500

fordulat

perc

perc

( 200 ÷ 400kW ) ( 50 ÷ 90kW )

Diesel olaj fıbb tulajdonságai: - illékonyképesség; - viszkozitás ( 40°C -on 2,5 - 5 cSt ) -

cetán szám ( 50 ÷ 55 ) - gyulladási késedelemre jellemzı; - cetán (100 ) jól gyullad; -

alfa-metil-naftalin ( 0 ) .

BM

Gyulladási késedelem: az az idı, ami a tüzelıanyag elpárolgása, levegıvel való keveredése és az égés megkezdése között eltelik (τ∼0,001s) Értéke változik: - A tüzelıanyag tulajdonságával; - A cseppmérettel; - A keveredés módjával; - A hımérséklettel.

109


Gyulladási késedelem

BM

Minél nagyobb a gyulladási késedelem, annál zajosabb lesz az égés → ez az ú.n. Diesel-kopogás, indulásnál és kisterhelésen jellemzı.

110

Keverékképzés


Elemei: - Adagoló szivattyú; (ciklusonkénti tüzelıanyag adagot biztosítja); - Porlasztó - Cseppekre bontás; - Behatolási mélység; - Égéstér egyenletes kitöltés.

Cseppeknek a töltet levegıvel maximálisan el kell keveredni – elpárologni – elégni; mindezt nagyon rövid idı alatt. Kompresszió Véghımérséklet: ≈ 600°C ; Hidegindításnál: < 400°C – izzítógyertya. Porlasztási nyomás:

≈ 300 bar elıkamrásnál, ≈ 1000 − 1200 bar common rail rendszernél.

BM

Koromképzıdés veszélye: ha több a befecskendezett tüzelıanyag, mint O2 ehhez rendelkezésre áll, akkor a H -tartalom elég, és fekete füst (korom) jön ki a motorból, ezért korlátozni kell a maximális tüzelıanyag adagot.

111


BM

Sugár behatolás elvi ábrája

112

részleges szállítás

üresjárat


maximális szállítás

BM

Mennyiségszabályozás elvi vázlata (Bosch adagoló)

113


Különbözı kialakítású égésterek közvetlen befecskendezéső motorokban

BM

a.) félgömb alakú égéstér; b.) lapos csésze alakú égéstér; d c.) toroid alakú égéstér ≈ 4 h d d.) mély toroid alakú égéstér ≈ 2 h

114

Örvénykamrás eljárás


Elıkamrás eljárás

Közvetlen befecskendezés

M-eljárás

BM

Tüzelıanyag befecskendezési eljárások

115


M-eljárás

Égés mechanizmusa: 1. tüzelıanyag felkenése a falra; 2. elpárolgás (kevés levegı); 3. tüzelıanyag és levegı jó keveredése; 4. idegen gyújtás ( 5% ) öngyulladás elıtt; 5. égés

BM

λ ≈ 1, 2 -ig le lehet menni. Párolgás a tüzelıanyag minıségétıl kevésbé függ, ezért „mindenevı” motornak is hívják. Lágy eljárás → tüzelıanyag egyenletesen párolog és ég el.

116

Égéstér kialakítások osztatlan égéstér – közvetlen befecskendezés osztott égéstér – közvetett befecskendezés


-

Osztatlan égéstér - kialakítása a dugattyúban - porlasztótipust kell hozzá illeszteni

Osztott égéstér - elıkamra, Térfogata a kompressziótérfogat 20-50%-a. - örvénykamra

BM

Diesel motor új generáció (elektronikus vezérlés)

117


BM

Turbótöltı felépítése

118


Turbo feltöltés

-

üresen járó gázturbina

-

tüzelıtér helyén a motor

Töltési fok m λt = val melm

p ⋅V p ⋅V melm = 0 l mval = v v R ⋅ T0 R ⋅ Tv

λt =

pv ⋅ Vv R ⋅ T0 p T V ⋅ = v⋅ 0⋅ v R ⋅ Tv p0 ⋅ Vl p0 Tv Vl

pv = π feltöltési nyomásviszony; p0 Vv = Vl + Vk = a lökettérfogat + kompressziótérfogat = Vhenger ; Tv a kompresszió véghımérséklete;

1  Tv

λt = f 

  , ezért fontos a visszahőtés; 

BM

Visszahőtı lehet: Levegı-víz tvh ≅ 60 + 15°C Levegı-levegı tvh ≅ t0 + 20°C

119


Állandósult állapotban PK = PT nK = nT ɺK =m ɺ T (tüzelıanyaggal több) m Feltöltés növeli a hatásfokot: 1. növeli az effektív középnyomást 2. nagy levegı/tüzelıanyag arány és nagy középnyomás miatt növeli az indikált hatásfokot 3. nagy levegı/tüzelıanyag arány miatt kipufogógáz hımérséklete csökken 4. kipufogógáz energiája hajtja a töltıt, amely energia különben elveszne

BM

Feltöltés korlátai, hogy a feltöltéssel nı: - a munkafolyamat nyomásszintje - hımérsékletszintje - kibocsátott NOX (visszahőtés!) - hıterhelés - mechanikai terhelés

120


Feltöltött motornál a motorjellemzık alakulása

BM

A nyomatéknövekedés egyrészt ηeff növekedés miatt, másrészt a tüzelıanyag adag ( d ) dózis növelése miatt.

121

122


BM

Mesterséges hőtés


Alkalmazás:

BM

- Táplálkozás: mezıgazdasági (málna, kukorica) hőtılánc, hőtıházak - Klimatizálás - Ipar: vegyipar, gyógyszeripar - Egyéb

123

Hıszivattyúnál Fajlagos főtıteljesítmény Qɺ f ε H .Sz . = E


Hőtıberendezésnél Fajlagos hőtıteljesítmény Qɺ ε H . B. = 0i E

Alkalmazott hőtıberendezések osztályozása: A befektetett energia alapján - Mechanikai munka; - Hıenergia; - Közvetlen villamos energia;

A hőtıközeg alapján: - Légnemő: a hőtıközeg halmazállapota változata; - Gıznemő: a hőtıközeg halmazállapota változik a hőtı-körfolyamatban;

A hőtendı közegbıl történı hıfelvétel során a hőtıközeg elpárolog (folyadék → gız). A hıleadás kondenzációval történik (gız → folyadék).

BM

A mechanikai munkát igénylı folyamatokat megvalósító hőtıberendezések az ún. kompresszoros hőtıberendezések. Az alkalmazott hőtıközeg gıznemő.

124

Kompresszoros hőtıkörfolyamat


Carnot körfolyamat

Adott hımérséklethatárok között a lehetséges legkedvezıbb fajlagos hőtıteljesítményt nyújtó hőtıfolyamatok egyike.

Ideális gáz 1 − 2 izentrópikus kompresszió; 2 − 3 izotermikus hıleadás; 3 − 4 izentrópikus expanzió; 4 − 1 izotermikus hıfelvétel;

A Carnot hőtıkörfolyamat gyakorlati megközelítése: Gıznemő hőtıközeg p0 ↑ Izotermikus hıfelvétel: elpárolgás; t h → t 0 < t h Izotermikus hıleadás: kondenzáció. t a → t 0 > t a ↓ p

t h Hőtendı közeg hımérséklete; t a Atmoszférikus közeg hımérséklete;

BM

t 0 Elpárolgási hımérséklet; t Kondenzációs hımérséklet;

125


Carnot-hőtıfolyamat; hőtıközeg gıznemő; q0 Fajlagos hőtıteljesítmény; w T0 εC = T − T0

εC =

BM

Gyakorlati megvalósítása: - Az elpárologtatóban teljes elpárolgás (mechanikus kompresszor) - Az expanziósgép helyett fojtószelep h = áll. :

126

BM


Összehasonlító hőtıkörfolyamat Eltér a Carnot-hőtıfolyamattól. A berendezési elemekben fellépı veszteségeket figyelmen kívül hagyjuk.

127

A hőtıközeg 1 kg -ja által felvett hımennyiség az elpárologtatóban q 0  kJ   kg   


q 0 = h1 − h4

A hőtıfolyamat fenntartásához szükséges bevezetendı fajlagos munka w  kJ  w = h2 − h1    kg  A hőtıközeg 1 kg -ja által leadott hımennyiség a kondenzátorban q q = h2 − h3

 kJ   kg   

A fajlagos hőtıteljesítmény ε = Egy adott Qɺ mɺ = 0i q0

q0 w

Qɺ 0i [kW ] hőtési igényhez a hőtıközeg tömegárama mɺ

 kg   sec 

A kompresszor által forgalmazandó térfogatáram Vɺk

Vɺk = mɺ ⋅ v1

 m3   m3  , ahol v 1     hőtıközeg fajtérfogata (1) -nél.  sec   kg 

Elméleti teljesítményfelvétel P P = mɺ ⋅ w [kW ]

A kondenzátor hıteljesítménye Qɺ Qɺ = mɺ ⋅ q [kW ]

εC > ε

BM

Mert: Reális a hőtıközeg; A hıleadás bizonyos része nem izotermikus; Hasznos munkavégzés nélküli expanzió, fojtás miatt.

128

Carnot-hőtıfolyamat fajlagos hőtıteljesítményének alakulása t 0 és t függvényében

BM


T0 T − T0 T0 - elpárolgási hımérséklet T - kondenzációs hımérséklet

εC =

129

Eszményi és valóságos dugattyús kompresszor:


A kompresszoros hőtıfolyamatot megvalósító berendezések kompresszora az esetek túlnyomó többségében dugattyús kompresszor.

V0 Káros tér; VL Lökettérfogat; Vh Hengertérfogat; p hsz Hengerben uralkodó nyomás szívásnál; p hny Hengerben uralkodó nyomás kitolásnál;

Valós: - káros tere van V0 - szívásnál, kitolásnál nyomásesés van; → kompresszor fala; - hıcsere van: hőtıközeg ←

BM

Eszményi: - nincs káros tere; - szívásnál, kitolásnál nincs nyomásesés; - hıcsere nincs;

130

η i Indikált hatásfok


w wi w Elméleti fajlagos munkaszükséglet; wi Indikált fajlagos munkaszükséglet;

ηi =

1  h2i = h1 + w ⋅  − 1 ηi  t 2i > t 2

λ Szállítási fok Vɺ λ= k Vɺgeo

 m3  Vɺk   A kompresszor szívócsonkjába beszívott hőtıközeg térfogatáram;  sec  π ⋅ D2 n  m3  ɺ V geo = ⋅L⋅z⋅   A geometriai szállítóteljesítmény; 4 60  sec  D A henger átmérı [m] ; L A lökethossz [m] ; z A hengerek száma;  1  ; n A fordulatszám   min 

BM

λ = η v ⋅η F ⋅η t η v Volumetrikus hatásfok; η F Falhatásfok; η t Tömörzárási hatásfok;

131


λ , η i függ:

-

A kompresszor konstrukciójától, méretétıl A hőtıközegfajtájától; Üzemeltetési körülményektıl ( p, p 0 ) ; A kompresszor indukált teljesítményfelvétele Pi P Pi =

ηi

A tengelyén bevezetett teljesítmény Pt P Pt = η i ⋅η mech η mech mechanikai hatásfok

BM

A kondenzátor hıteljesítménye Qɺ i = mɺ ⋅ (h2i − h3 ) [kW ]

132

Az utóhőtés


A hőtıfolyamat fajlagos hőtıteljesítményét javítja.

q 0 = h1 − h4 q0U = h1 − h4* q 0U > q 0 wU = w εU > ε

Azonos hőtıteljesítmény létesítéséhez mɺ U < mɺ Vɺ < Vɺ geoU

BM

PU < P

geo

133

Fontos:


Egyfokozatú kompresszoros hőtıberendezés alkalmazásának korlátai

-

üzembiztonság mőködıképes gazdaságosság

BM

Elpárolgási és kondenzációs hımérsékletek változásának hatása a hőtıkörfolyamat jellemzıire

134


A hőtıfolyamatra jellemzı elpárolgási (t 0 ) és kondenzációs (t ) hımérsékletek egymástól való távolodása a hőtıfolyamat változására vezet. 1. t = áll. , t 0 ↓ p = áll. , p 0 ↓ p ↑ , λ ↓ , η i ↓ , v1 ↓ , q 0 ↓ , w ↑ , t 2 i ↑ , p0 ε ↓ , t → t 0 min , Vɺgeo ↑ , Pi ↑ 2. t 0 = áll. , t ↑

p 0 = áll. , p ↑ p ↑ , λ ↓ , η i ↓ , v1 = áll. , q 0 ↓ , w ↑ , t 2 i ↑ , p0 ε ↓ , minden t 0 → t 0 max , Vɺgeo ↑ , Pi ↑ Üzembiztonság t 2i < t olaj Mőködıképesség λ > 0

BM

Az egyfokozatú kompresszoros hőtıberendezés alkalmazását üzembiztonsági és gazdasági tényezık egyaránt korlátozzák.

135


Kompresszoros hőtıberendezés részegységei és azok együttmőködése

Adott Qɺ 0i a hőtési igény; t h a hőtendı közeg hımérséklete; t a a természetes hőtıközeg hımérséklete.

BM

A kompresszoros hőtıberendezés fı berendezési elemei: kompresszor, elpárologtató és kondenzátor együttmőködésének vizsgálata alapján lehet és kell meghatározni a berendezés negyedik alapvetı elemével, az adagolószervvel kapcsolatos követelményeket, dönthetünk annak kialakításáról.

136

A berendezés hőtıteljesítménye = hőtési igény

kond


Egyensúlyi feltételek (állandósult üzemállapot): Qɺ 0 e = Qɺ 0 k Qɺ = Qɺ + P 0k

i

Qɺ 0e az elpárologtató hőtıteljesítménye; Qɺ 0 k a kompresszor hőtıteljesítménye;

Pi a kompresszor belsı teljesítményfelvétele; Qɺ kond a kondenzátor hıteljesítménye; mɺ e = mɺ k = mɺ kond = mɺ exp

mɺ e hőtıközeg tömegárama az elpárologtatón keresztül; mɺ k hőtıközeg tömegárama a kompresszoron keresztül; mɺ kond hőtıközeg tömegárama a kondenzátoron keresztül; mɺ exp hőtıközeg tömegárama az expanziószelepen keresztül;

BM

Igaz csak meghatározott (t , t 0 ) -nál.

137


Elpárologtató

Elpárologtató hőtıteljesítménye: Qɺ 0 e = mɺ h ⋅ c h ⋅ (t h1 − t h 2 )

(1)

(t − t ) Qɺ 0 e = k e ⋅ Ae ⋅ h1 h 2 t −t ln h1 0 th2 − t0 ɺ Q = mɺ ⋅ q 0e

(2) (3)

0

(1) és (2) -bıl

k ⋅A − e e  Qɺ 0 e = wɺ h ⋅ (t h1 − t0 ) ⋅ 1 − e wɺ h  

   

ahol

wɺ h = mɺ h ⋅ c h

Adott peremfeltételek mellett: (t h , wɺ h , k e , Ae ) akkor Qɺ 0 e = f (t 0 )

- nyomásesés nincs; - fázisváltozás nincs a hőtendı közeg oldalán.

BM

α változása elhanyagolható.

138

Kondenzátor

(1)


Kondenzátor hıteljesítménye Qɺ kond = mɺ a ⋅ c a ⋅ (t a 2 − t a1 )

(t − t ) Qɺ kond = k kond ⋅ Akond ⋅ a 2 a1 t − t a1 ln t − ta2 Qɺ = mɺ ⋅ q kond

(2) (3)

(1) és (2) -bıl

k ⋅A − kond kond  wɺ a ɺ  Qkond = wɺ a ⋅ (t − t a1 ) ⋅ 1 − e  

   

ahol

wɺ a = mɺ a ⋅ ca

Adott peremfeltételek mellett: (t a , wɺ a , k kond , Akond ) akkor Qɺ kond = f (t )

- nyomásesés nincs; - fázisváltozás a természetes közeg oldalon;

BM

α változása elhanyagolható.

139

A kompresszor


Qɺ 0 k a kompresszor hőtıteljesítménye: a kompresszor által beszívott térfogatáramban szállított tömegárammal az elpárologtatóban felvett hıáram. λ ⋅ Vɺgeo Qɺ 0 k = mɺ ⋅ q0 = ⋅ q0 v1

Pi a kompresszor indikált teljesítményfelvétele; λ ⋅ Vɺgeo w Pi = ⋅ v1 ηi Adott kompresszor esetén, akkor Qɺ 0 k = f (t , t0 ) ,

BM

Pi = f (t , t0 )

140

Egyensúlyi feltételek: Qɺ = Qɺ 0e

0k


Qɺ kond = Qɺ 0 k + Pi

Grafikus megoldása a következı:

Qɺ 0(k +kond ) (kompresszor-kondenzátor)-ból álló egység a hőtıteljesítmény;

(t M , t0 M ) -nál az egyensúly ⇒ Qɺ 0b q0(t ,t0 )

BM

mɺ =

mɺ

141

Adagolószerv (expanzió szelep)


A hőtıberendezés különbözı üzemviszonyai mellett az elpárologtató hıátadó felületének teljes kihasználását biztosítja; A hőtıközeg hımérsékletének csökkenése (t → t 0 ) -ra.

Qɺ 0 exp = mɺ ⋅ q0 expanziószelep hőtıteljesítménye; Qɺ 0 exp = f (t ,t0 )

mɺ exp = Bɺ ⋅ ASZ ⋅ α ⋅ ρ ⋅ ( p − p0 )

BM

mɺ exp szelep áteresztı tömegárama; Bɺ hőtıközeg fajtától (fizikai jellemzı); α átfolyási szám; ASZ keresztmetszet.

142

Kalorikus gépek: segédlet az előadásokhoz. BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék. KALORIKUS GÉPEK Segédlet az elıadásokhoz 2009 BUDAPEST

Recommend Documents