Parne turbine

Avtor: Ivo Krajnik Kobarid 20. 9. 2009

Obravnava parnih turbin

Lastnosti pare – T-S diagrami, kvaliteta pare, kalorimeter

Krožni cikli – Rankinov cikel

Klasifikacija – Različni tipi turbin

Enačbe – Sila, Moment, Moč, Izkoristek

Obratovanje turbine – Optimalni izkoristek

Kondenzator – NTU in UA metodi

Lastnosti pare

Entropija – navpične črte

Temperatura –vodoravne črte

Tlak – enako kot temperatura

Kvaliteta – samo črte pod

zvonasto krivujo

Entalpija - krivulje

Lastnosti pare

Kvaliteta pare je pripravna količina pri izračunu entalpije mešanice

nasičene pare. Gre v bistvu, za razmerje mase plina napram celotni

masi mešanice (plina/tekočine). Za tekočino je x=0, za 100 % paro

pa velja x=1.

h - specifična (entalpija, entropija ali volumen) dejanske pare.

ht - specifična (entalpija, entropija ali volumen) tekočine.

htp – razlika specifične entalpije (...) med plinskim ( paro),

in tekočim stanjem (vodo).

Lastnosti pare

Za izračun entalpije nasičene pare uporabljamo

kalorimeter.

Kalorimeter zagotovi, da nasičena para

ekspandira, s tem, da jo pošlje skozi iztočno

odprtino, v področje visoke temperature, kjer

se izvaja merjenje tlaka in temperature, kar nam

omogoči izračun entalpije.

Lastnosti pare: Kalorimeter

Rankinov krožni cikel

Rankinov krožni cikel

Segrevanje pri konstantnem tlaku v grelcu.

Izentropna ekspanzija v turbini.

Ohlajanje pri konstantnem tlaku v kondenzatorju.

Izentropna kompresija v črpalki.

Rankinov krožni cikel-

idealni

Rankinov krožni cikel-

realni

Klasifikacija

GLEDE NA STANJE PARE OB IZSTOPU IZ TURBINE:

IZPUŠNE TURBINE

V teh ekspandira para do tlaka okolice in izteka v okolico.

PROTITLAČNE TURBINE

V teh turbinah para zapušča turbino s tlakom večjim od tlaka okolice.

Nadtlak tudi do 15 bar.

KONDENZACIJSKE TURBINE

V kondenzacijskih turbinah se para vodi iz turbine v

kondenzator, kjer kondenzira. Potem se kondenzat segreva in

črpa nazaj v kotel.

Klasifikacija

GLEDE NA PREMIKANJE PARE SKOZI TURBINSKI MOTOR:

OSNE TURBINE

Para se premika skozi turbinske kanale v osni smeri, vzporedno z

vrtilno osjo. Teh turbin je največ.

RADIALNE TURBINE

Para se premika skozi turbinske kanale v radialni smeri, vertikalno na vrtilno os. Zelo dober izkoristek, najboljši med parnimi turbinami, kakor tudi znatno manjše dimenzije.

Klasifikacija

• Primer osne – Curtisova turbina:

Klasifikacija

• Primer radialne – de Lavalova:

Turbinske stopnje

Enostopenjska impulzna turbina

Celoten tlačni padec se pojavi

ob izstopu iz šobe –Lavalove

šobe.

Hitrost se pri potovanju prek

rotorjev zmanjša.

Turbinske stopnje

Hitrost – Sestavljena

(Curtisova turbina)

Turbinske stopnje

Reakcijske turbine – Padec

tlaka je zvezen.

Hitrost narašča preko

statorja, in pojema preko

rotorja.

Učinkovito.

Sila, Moment in Moč

v1 = izstopna hitrost iz šobe

vr1 = rel. vstopna hitrost na lopatico

vl = hitrost lopatice

v2 = izstopna hitrost iz lopatice

vr2 = rel. izstopna hitrost iz lopatice

F = sila na lopatico

α1 = izstopni kot iz šobe

β1 = relativni vstopni kot na lopatico

β2 = relativni izstopni kot iz lpatice

Sila, Moment in Moč

Ob predpostavki ravnovesja sil na lopatico:

Idealizacija trenje zanemari, predpostavi enakost vpadnega

in izstopnega kota na lopatico.

in:

Sila, Moment in Moč

Ob uporabi vektorskega diagrama:

in:

Sila, Moment in Moč

Hitrostno Razmerje turbine Y, je razmerje hitrosti

lopatic napram izstopni hitrosti pare (iz šobe):

Upoštevajoč prejšnjo

enačbo je navor:

Sila, Moment in Moč

• Tako pridemo do moči turbine:

Sila, Moment in Moč

• Moč pri dvostopenjski turbini. Predpostavimo, da

ni izgub v statorju.

Sila, Moment in Moč

Sila, Moment in MočEnaka geometrija lopatic kot pri enostopenjski.

Moč in izkoristek

Izhodna moč je produkt kotne hitrosti lopatice in momenta:

Vhodna moč je produkt masnega toka pare in spremembe

entalpije v turbini:

Moč in Izkoristek

Mehanski izkoristek turbine je število, ki

predstavlja razmerje odvedene in dovedene

moči turbini:

Moč in Izkoristek

Izentropni izkoristek razmerje dejanske

spremembe entalpije, in spremembe entalpije v

izentropni turbini:

Delovanje turbine

Konstante: izstopna hitrost iz šobe, masni pretok

in kot izstopa pare iz šobe. Vemo:

Ko vl naraste, Y naraste in moment se zmanjša.

Ko je Y = 0, je moment največji.

Ko je Y = cos(a)/2, je moment enak 0.

Delovanje turbine

Glej prejšnjo enačbo.

Delovanje turbine

Ko je v1 = 0, je tudi moč 0.

Ko je Y = cos(a)/2, je moč 0.

Kdaj je moč največja?

Predelajmo enačbo za moč.

Poglejmo si odvod po Y, in ga

postavimo na 0. Sledi:

Delovanje turbine

Rešitev enačbe nam da optimalno razmerje obratovanja Yopt:

Izkoristek varira s spreminjanjem moči turbine. Pomeni, da

vsaka turbina, glede na svoje dimenzije, optimalno deluje pri

točno določenih močeh.

Delovanje turbine

Delovanje turbine

Izstopna šoba vedno dušena.

Ko vstopni tlak v šobi naraste, ostane izhodna

hitrost eneka, gostota in masni pretok pa

naraseta.

Ob povečanju masnega toka pare, v turbino, se

navor in moč turbine povečata.

Delovanje turbine

Na h-s diagramu, predstavljata stanji 3 in 4 stanje

vhoda, in izentropno stanje izhoda turbine, z

eno odprto šobo.

Stanji 3* in 4* predstavljata vhod in izentropno

stanje izhoda turbine, z dvema odprtima

šobama. (glej naprej).

Delovanje turbine

Delovanje turbine

• Moč je v splošnem produkt masnega toka in spremembe entalpije:

Vhodna entalpija je konstantna: h3 = h3*. Za ohranitev enake moči,

se mora vhodni tlak zmanjšat, saj bo površina večja.

Kondenzator

Določitev – izračun učinkovitosti:

Izračun dejanskega prenosa toplote z vroče vode:

Kondenzator

Izračun maksimalnega prenosa toplote (ohišje,

turbina,..) s pomočjo razlike temperatur vhodne

pare in vode:

Zaključek

• Parne turbine relativno dobro izkoriščajo

energijo pare za tvorbo električne energije

• Izkoristki do 45 %

• Proizvodnja velikih količin energije na

majhnem prostoru

• Ni negativnih učinkov na življenski prostor

- okolje (npr. kemikalije, sevanje)

Hvala lepa za pozornost.