Energetski pretvorniki in elektrarne

1. Energetski pretvorniki in elektrarne - Zapiski predavanj - šolsko leto 2008/2009 (pripravila doc. dr. Andrej Gubina in doc. dr. Miloš Pantoš) Predavatelj: prof. dr. Igor Papič igor.papic@fe.uni-lj.si http://leon.fe.uni-lj.si

2. Pregled snovi • 1. del (hidro): • hidrostatika, hidrodinamika • turbostroji, vodne turbine, generatorji • jezovi, drugi elementi elektrarne • hidroelektrična energija, hidroelektrarne • 2. del (termo): • termodinamika • parni kotli, turbine • termoelektrarne (nuklearne elektrarne) • pokrivanje potreb po električni energiji

3. Način dela • Predavanja in vaje: • 3 ure predavanj tedensko • 2 uri vaj tedensko • Ocenjevanje: • ocena vaj • pisni del (21. 6. 10, 29. 6. 10, 1. 9. 10 in 15. 9. 10) • ustni del • Literatura: • B. Orel, “Energetski pretvorniki I”, ZAFER, 1992 • B. Orel, “Energetski pretvorniki II”, ZAFER, 1993 • Predloge predavanj v PPT na spletni strani

4. Kapljevine in plini • Mehanika kapljevin (mirovanje), hidravlika (gibanje) • Tekočine: • kapljevine • nestisljivost, viskoznost, oblika posode, gladina • plini • stisljivost, viskoznost, oblika prostora, ni gladine • Lastnosti tekočin: • kohezija (molekularne sile držijo vodo skupaj) • viskoznost (notranje trenje, žilavost) • adhezija (sila med molekulami stene in tekočine) • kapilarnost (dvig nivoja) • stisljivost • gostota

5. Viskoznost • Upiranje deformaciji premikanja in drsenja (koheziji) • Različna hitrost slojev tekočine • ob steni manjša hitrost (zaviranje ob steni zaradi adhezije) • Sila trenja (strižna napetost): • Viskoznost le pri strujanju (teku) tekočine! • Viskoznost kapljevine s temperaturo pada • Viskoznost plina s temperaturo raste

6. Viskoznost

7. Adhezija in kapilarnost • Adhezija • sila med molekulami stene in tekočine • adhezija > kohezija: tekočina moči steno posode (voda) • Kapilarnost • dvig nivoja kapljevine v ozki cevi, ki moči steno

8. Stisljivost in gostota • Koeficient volumske stisljivosti: • okvirna vrednost za vodo: • Gostota: • voda, 4 °C, 1 bar:

9. Hidrostatični tlak • Paskalov zakon:

10. Hidrostatični tlak na poševni ravni površni • Tlak se z globino spreminja  integracija • Vzgon: sila tekočine navpično navzgor na potopljeno telo prijemališče sile pod težiščem

11. Hidrodinamika • Veda o strujanju tekočine • Tok tekočine: • pretakanje v kanalih s svobodno površino • pretakanje v ceveh pod pritiskom • hidravlično strujanje (iztekanje skozi potopljeno odprtino) • Hitrost tekočine: • stacionarno strujanje • nestacionarno strujanje • Gibanje posameznih delov – tokovnice: • laminarno (plasti delcev drsijo druga ob drugi brez mešanja) • turbolentno (vrtinčasto strujanje, nepravilno gibanje)

12. Pretok • Kontinuitetna enačba: • Hidravlični radij:

13. Zakoni podobnosti strujanja • Meritve strujanj na realnih primerih niso mogoče • Modeliranje: • geometrijska podobnost: stalno razmerje med linearnimi dimenzijami • kinematična podobnost: stalno razmerje med časovnimi intervali • dinamična podobnost: stalno razmerje med silami iste vrste • Prednosti: • vnaprejšnje spoznavanje načrtovanih postrojev • preverjanje in odpravljanje napak

14. Reynoldsovo število • Kriterij za podobnost strujanja nestisljivih tekočin v napolnjenih ceveh • definicija: • splošna enačba: • Laminarno strujanje: Re < 2300 (cev), Re < 850 (kanal)

15. Reynoldsovo število • Turbolentno strujanje: Rek = 2320 (kritična vrednost) • Voda pri 10°C v cevi D = 10 cm ima vk = 0,03 m/s • Pri hidroenergetiki je voda turbolentna zaradi večjih hitrosti

16. Energija tekočine • Potencialna energija: • Kinetična energija: • Tlačna energija: • Bernoullijeva enačba:

17. Iztok kapljevine iz posode • Kontrakcija prereza: • Pretok:

18. Merjenje tlaka • Piezometer: • Pitotova cev: • Prandtlova cev: • Manometri, manostati

19. Merjenje vodnih množin • Venturijeva cev: • zakon kontinuitete: • hitrost: • pretok:

20. Pretok vode v kanalih

21. Upori pri strujanju • Enakomerno gibanje: • Linijske izgube hl - upor vzdolž toka sorazmeren dolžini • Lokalne tlačne izgube hlok (rešetke, zapirala ipd.) • Linijske izgube pri laminarnem strujanju:

22. Upori pri strujanju • Linijske izgube pri turbolentnem strujanju:

23. Hrapavost

24. Lokalne izgube • Krožni lok: za gladke cevi in  = 90 za hrapave cevi množi vrednosti z 2

25. Lokalne izgube • Kolenčasta cev:

26. Lokalne izgube • Postopno razširjanje cevi: postopno razširjanje cevi postopno zoževanje cevi za   5 velja =0,05 do 0,06

27. Lokalne izgube • Izgube zaradi nenadne razširitve prereza: + kontinuitetna enačba

28. Lokalne izgube • Zapirala:

29. Lokalne izgube • Diskasta zapirala: če je zapiralo popolnoma odprto:

30. Lokalne izgube • Rešetke:

31. Sila akcije curka • Udarec curka na ploščo s hidrodinamično silo • sprememba gibalne količine: • akcijska sila:

32. Sila akcije curka • Poševni pritisk curka na obstoječo oviro • Pritisk curka na ukrivljeno ploskev

33. Sila akcije curka • Centrični pritisk curka na oviro z lastnim gibanjem enaki smeri hitrosti: nasprotni smeri hitrosti:

34. Reakcijska sila • Pritisk gibajoče kapljevine na stene vodila • Reakcija iztekajoče vode: reakcija iztekajoče kapljevine na steno posode:

35. Stacionarno gibanje kapljevine v zakrivljeni cevi Gibalna količina: Reakcija na steno cevi v nasprotni smeri

36. Stacionarno gibanje kapljevine v zakrivljeni cevi Analitični izračun: Moment:

37. Reakcija kapljevine na steno cevi v gibanju • Enakomerno premočrtno gibanje: K ni odvisen od vodilne hitrosti!

38. Reakcija kapljevine na steno cevi v gibanju • Enakomerno krožno gibanje: Moment: Eulerjeva turbinska enačba: pomembne razmere na vtoku in iztoku

39. Reakcija kapljevine na steno cevi v gibanju • Enakomerno krožno gibanje:

40. Turbostroji Obodna komponenta Ohranitev gibalne količine

41. Prikaz turbostrojev • Prerez skozi os vrtenja, prerez pravokotno na os vrtenja

42. Metode izračuna turbostrojev • Za razvoj gradnje, preračune, raziskave: • teorija kanalov (2D prostor, idealna kapljevina) • teorija krila • teorija rešetk trikotnik hitrosti Izhodišče: Kontinuitetna enačba Bernoullijeva enačba Izkoriščamo razliko energij

43. Metode izračuna turbostrojev • Teorija krila: za aksialne turbostroje • Teorija rešetk: izgube pri strujanju Fv – vzgon Fu – upor w – natočna hitrost medija u – hitrost lopatic

44. Stopnja reaktivnosti • Izkoriščamo energijsko razliko stroja h0 • Vodilnik: pretvorba v kinetično energijo in oddaja rotorju • Enakotlačni turbostroj: • pretvorba le v vodilniku (stator) • tlak pred rotorjem = tlak za rotorjem • r = 0 • Peltonova, Bankijeva, del parne turbine • Nadtlačni (reakcijski) turbostroj: • preobrazba energije tudi v gonilniku (rotor) • tlak pred rotorjem > tlak za rotorjem • r > 0

45. Stopnja reaktivnosti

46. Izgube pri turbostrojih • Notranje izgube vplivajo na stanje medija: • Izgube na obodu turbostroja (vodilnik, gonilnik, izstop) • Izgube trenja in mešanja • Izgube skozi špranjo (režo) • Izgube zaradi udarca • Zunanje izgube vplivajo na material: • Trenje v ležajih • pogon pomožnih agregatov (črpalka za olje, regulator) • Izgube zaradi kavitacije (vodni stroji) • manjši koristni pretok, šum, poškodba materiala, prekinitev tekočega stebra, slabši izkoristek • Ukrepi: dvig tlaka, boljši materiali in obdelava, manjše hitrosti

47. Izkoristki • Izkoristek na obodu: • Notranji izkoristek • Mehanski izkoristek • Dejanski izkoristek zajema vse izgube:

48. Turbinska enačba

49. Turbinska enačba

50. Turbinska enačba Euler-jeva turbinska enačba