UNIVERZA V LJUBLJANIFAKULTETA ZA STROJNISTVO

Matija Tuma, Mihael Sekavcnik

ENERGETSKI STROJI IN NAPRAVE

DELOVNA VERZIJA

Druga, izpopolnjena in predelana izdaja

LJUBLJANA, 2005

2

Naslov dela: Energetski stroji in naprave

Avtorja: Prof. dr. Matija Tuma, univ. dipl. inz.Doc. dr. Mihael Sekavcnik, univ. dipl. inz.

Recenzenta: Prof.dr. Stojan Petelin, univ. dipl. inz.Prof.dr. Branko Stanisa, univ. dipl. inz.

Lektor: znan. svetnik, dr. Joze Gasperic, univ. dipl. inz.

Naslovna stran: Veronika Saje, univ. dipl. inz. arh.

Zaloznik: c© Univerza v Ljubljani, Askerceva ulica 6, LjubljanaEvidencnastevilka: 156

Tisk: Littera Picta, d. o. o.

Naklada: 300 izvodov

Ljubljana 2005

Brez soglasja zaloznika je prepovedano vsakrsno razmnozevanje ali prepis v kateri-koli obliki.Izid knjige je financno podprlo Ministrstvo zasolstvo, znanost insport Republike

Slovenije.

CIP – Katalozni zapis o publikacijiNarodna in univerzitetna knjiznica, Ljubljana

???.???.??(???.?)621.18:662.61:662.9

TUMA MatijaEnergetski stroji in naprave

Matija Tuma, Mihael Sekavcnik - 2. izpopolnjena in predelana izdaja - Ljubljana:Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojnistvo, 2005

ISBN 961-6238-xx-x1. Sekavcnik Mihael11xxxxxxxx

Kazalo

1 Uvod 5

2 Teoreticne osnove 92.1 Mehanika tekocin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Gostota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.2 Hidrostaticni tlak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.3 Vzgon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.4 Povrsinska napetost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.5 Kontinuitetna enacba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.6 Termicna enacba stanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.7 Energijski izrek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.8 Impulzni izrek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.9 Trenje v toku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.10 Tlacne izgube v cevovodih in armaturah . . . . . . . . . . . 16

2.2 Termodinamika in prenos toplote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.1 Zakon o ohranitvi energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.2 Krozni procesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2.3 Delo, moc in izkoristek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.4 Tok tekocin skozisobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.5 Prenos toplote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.2.6 Goriva in zgorevanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.3 Podobnost in dimenzijska analiza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.3.1 Kriteriji podobnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.3.2 Dimenzijska analiza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3 Volumenski ali izrivni stroji 753.1 Znacilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1.1 Razdelitev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.1.2 Delo, moc in izkoristek batnih strojev . . . . . . . . . . . . 76

3

4 KAZALO

3.1.3 Rocicni mehanizem in vztrajnik . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.2 Crpalke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.2.1 Razdelitev in uporaba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.2.2 Delo, moc, izkoristek batnihcrpalk . . . . . . . . . . . . . 86

3.2.3 Dopustna sesalna visina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.2.4 Rotacijskecrpalke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.2.5 Posebnecrpalke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.3 Kompresorji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.3.1 Razdelitev in uporaba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.3.2 Delo, moc izkoristek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.3.3 Vecstopenjska kompresija . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.4 Motorji z notranjim zgorevanjem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.4.1 Delo, moc, izkoristek motorjev z notranjim zgorevanjem . . 107

3.4.2 Motor Otto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3.4.3 Motor Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.4.4 Motor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

3.4.5 Motor Wankel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.5 Parni stroji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4 Turbinski ali preto cni stroji 129

4.1 Znacilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4.1.1 Razdelitev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4.1.2 Trikotniki hitrosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.1.3 Delo, moc, izkoristek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.1.4 Podobnost turbinskih strojev . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

4.1.5 Pretocno in tlacnostevilo ter znacilna vrtilna frekvenca . . . 147

1 Uvod

Clovek se je od nekdaj trudil, da bi si izboljsal zivljenje z orodjem, ki si ga je uspelizdelati rocno; njegov iznajditeljski duh jesel od prvih tehnicnih pripomockov, kot sovzvod, sekira in kolo, preko preprostih srednjeveskih strojev in naprav do danasnjihkompliciranih robotov. Pri tem jeclovestvo stoletja in stoletjazivelo dobesedno oddela svojih rok vse dotlej, dokler nisocloveske pripomocke in stroje zacele poganjatidruge vrste energije in ne energija njegovih misic. Skok v blagostanju je torej prinesladoba, ko je bolj ali manj popolne stroje in naprave zacela poganjati energija naravnihenergijskih virov, pri tem pa so ti stroji pripravljalicloveku energijo v obliki, ki joje zahteval. Vzemimo primer mletjazita s potencialno energijo vode – z mlinskimkamnom namesto rocnega mletja, ali pozneje, namakanje polj scrpalkami in parnimbatnim strojem namesto rocnega prenasanja veder.

Slika1.1: Heronova vrteca se krogla

5

6 1 UVOD

Slika1.2: Turbina, kot si jo je zamislil Giovanni de Branca

Iznajdba vodnega kolesa je – zgodovinsko gledano – prvi pomembnejsi energetskistroj, ki ga je gnal neki naravni vir energije. Prvi toplotni energetski stroj z vsemibistvenimi deli pa je Heronova krogla (Heron iz Aleksandrije, okoli 120 pred n.st.):vrtljivo vlezajena, zaprta in okrogla posoda, napolnjena z vodo. Ogenj, zakurjen podkroglo, je povzrocil, da se je voda v krogli zacela uparjati, nastala tlacna razlika mednotranjostjo krogle in okolico pa je bila vzrok, da je para zacela pihati v okolico skozidvoje odprtin, ki sta bili namesceni tangencialno na kroglo. Zaradi reakcijske sile,ki je posledica izstopajoce pare, se je krogla zacela vrteti, slika1.1. Ni znano, da biHeron izkoriscal mehanicno delo te vrtece se krogle.

Na to misel je prisel sele priblizno 1700 let pozneje Giovanni de Branca (knjiga ”Lemachine”, 1629) in predlozil, da bi curek pare napeljali na posebno mlinsko koloter preko lesenih zobatih koles in vzvodov v stopah drobilizitno zrnje, slika1.2.Odlocilen napredek pa jeclovestvu prinesel James Watt leta 1765 z iznajdbo parnegastroja, ki je delal na osnovi razlike tlakov. Ta stroj je povzrocil, da uziva danes velikoljudi ugodnosti, ki so bile vcasih dostopne le izbrani pescici.

Za vseenergetske strojeje znacilno, da se v njih pridobiva ali porablja mehanskodelo. Po namenu se energetski stroji delijo napogonske(gonilne) in delovne(gnane)stroje, glede na stisljivost delovne snovi na aerohidravlicne in toplotne stroje, ponacinu delovanja pa navolumenske(izrivne) in turbinske(pretocne) stroje. Poeno-stavljen pregled delitve energetskih strojev prikazuje preglednica1.1. Nekateri stroji,ki jih ni mogoce uvrstiti v preglednico, so pozneje omenjeni posebej.

7

Tabela1.1: Poenostavljena razdelitev najvaznejsih energetskih strojev

VOLUMENSKI PRETOCNIVRSTA STROJA (IZRIVNI) (TURBINSKI)

STROJI STROJI

CRPALKE CRPALKEAerohidravlicni

stroji PROPELERJIDELOVNI(GNANI) VENTILATORJISTROJI

ToplotniKOMPRESORJI KOMPRESORJI

stroji

VODNEAerohidravlicni TURBINE

strojiVETRNICE

POGONSKI(GONILNI)

STROJI MOTORJI ZPLINSKE

NOTRANJIMTURBINE

Toplotni ZGOREVANJEMstroji

PARNI BATNI PARNESTROJI TURBINE

Pogonski strojiso tisti energetski stroji, v katerih se primarna energija, na primer:kemicna energija goriv, jedrska energija, potencialna energija vode, kineticna ener-gija vetra, sevalna energija sonca, posredno ali neposredno spreminja v obliko, ki jekoristna zacloveka: v elektricno in mehansko delo, v toploto, svetlobo in zvok. Vsidrugi energetski stroji sodelovni stroji, ki jih zene neki pogonski stroj, lahko pa tudienergijacloveskih ali zivalskih misic. Najstarejse delovne stroje, na primerzmrljeje gnala energijaclovekovih alizivalskih misic. Pozneje so prisli pogonski stroji, kista jih gnala voda ali veter, insele pred manj kot 250 leti so se pojavili prvi uporabnitoplotni pogonski stroji.

8 1 UVOD

Delovanje volumenskih in turbinskih strojev prikazuje slika 1.3. Zaaerohidravlicnestrojevelja, da je delovna snov nestisljiva, pretvorbe energije se dogajajo pri tempera-turi okolice. Pritoplotnih strojihje treba upostevati stisljivost, ki je vcasih povezanas spremembo agregatnega stanja, prav tako se v procesu spreminja temperatura de-lovne snovi.

F = A · (p1 − p2) F = m · (c1 − c2)tlak → sila tlak → hitrost → sila

Slika1.3: Delovanje volumenskih (izrivnih) in pretocnih (turbinskih) strojev

Zavolumenske(izrivne) strojeje znacilen prostor, ki je napolnjen z delovno snovjo inkaterega prostornina se periodicno spreminja. Tlacna energija delovne snovi, ki na-stane zaradi razlike tlakov med delovnim prostorom in zunaj njega, se v pogonskemstroju spremeni v mehansko delo.

Znacilno za vseturbinske(pretocne) stroje pa je kolo, ki ima na obodu pritrjeneposebno oblikovane lopatice, imenujemo ga gonilnik. Kineticna energija delovnesnovi, ki nastane zaradi razlike hitrosti delovne snovi vzdolz gonilnika, se v pogon-skem stroju spremeni v mehansko delo. Pri turbinskem delovnem stroju je procesnasproten.

Nasprotno od energetskih strojev so skoraj vseenergetske napraveze dolgocasaznane in splosno v rabi. V energetskih strojih se pridobiva ali porablja delo, medtemko se pri energetskih napravah prenasa samo energija najveckrat v obliki toplote;stroji imajo trajno gibajoce se dele, naprave pa ne. Energetske naprave se med sebojrazlikujejo po nacinu prenosa energije in po termodinamicnih ter snovnih lastnostihdelovnih snovi.