UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Katedra...

Energetski stroji

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOKatedra za energetsko strojništvo

ENERGETSKI STROJI

Uvod

Pregled teoretičnih osnov

Volumetrični stroji

Značilnosti

Črpalke

Kompresorji

Motorji z notranjim zgorevanjem

Parni stroji

Turbinski stroji

Energetske naprave

Energetski stroji


Značilnosti volumetričnih strojev

Način delovanja

Batni stroji

Delo, moč in izkoristek

Ročični mehanizem in vztrajnik

Energetski stroji


VOLUMETRIČNI STROJI

Vrste volumetričnih strojev

Aerohidravličnistroji

Toplotni stroji

Delovni(gnani)stroji

Aerohidravličnistroji

Toplotni stroji

Pogonski(gonilni)

stroji

Črpalke

Kompresorji

linearni hidravličnipogoni

Motorji z notranjimzgorevanjem

Energetski stroji


Način delovanja

Sprememba volumna Sprememba tlaka, spec. energije

Zunanja sila, delo

Sprememba volumnaSprememba tlaka, spec. energije

Zunanja sila, delo

Delovni stroji

Pogonski stroji

Prevladujejo tlačne sile, sile zaradi pospešenih mas delovne snovi so zanemarljive.

Energetski stroji


u p,

c2

u p,

p1

p2

c1

A

( )1 2F A p p= ⋅ −

tlak → sila

( )1 2F m c c= ⋅ −&

tlak → hitrost → sila

periodična sprememba volumna → različni mehanizmi

Energetski stroji


Rotacijski stroji:

krilna črpalka

zobniška črpalka

vijačni kompresor

Wankel-ov motor

Membranski stroji:

membranski kompresor

membranska črpalka

Batni stroji:

batni kompresor

batna črpalka

batni motor z notranjim zgorevanjem

parni batni stroj

Sprememba volumna

Energetski stroji


sesalniventil

izpušniventil

bat

ojnica

VŠ

Vs

dB premer bata

dobavni volumen Vs(gib bata s)

škodljivi volumen Vš

l

Batni stroji

Energetski stroji


2B

G B 4dV A l lπ ⋅

= ⋅ = ⋅Enostransko delujoči stroji

( )

( )G G1 G2 B1 B2

2 2B Ba2

4

V V V A A l

d d lπ= + = + ⋅ =

= ⋅ − ⋅

Dvostransko delujoči stroji

n-valjni batni stroji G G1 G2 GnV V V V= + + +K

Gibna prostornina batnih strojev

Energetski stroji


Močan negativni vpliv pri strojih s stisljivim delovnim medijem (plini, pare)

vedno prisotna, zaradi varnosti obratovanja

nepravilne geometrije (ventili, drsni obroči,...)

m 2v l n l ωπ

= ⋅ ⋅ = ⋅

Škodljiva prostornina VŠ

Srednja hitrost bata

Energetski stroji


INDICIRANA MOČ

i i GP p V n= ⋅ ⋅

iii ρ

mpP&

⋅=

Energetski stroji


INDICIRANI IZKORISTEK

WWi

i =η

delovni stroji

pogonski stroji

ii W

W=η

Primer: enostopenjski kompresor

Vληη ⋅= hi

stopnja dobave D

GV

VV

λ =

1

23

4

VD

p1

p2

pi

p2

p1

'

'

p

VVG

VV

VŠ

Energetski stroji


Ročični mehanizem in vztrajnik

premo gibanje bata krožno gibanje gredi

neenakomerno pospešeno enakomerno

vztrajnik

Sile:tlačna sila neenakomernamasne vztrajnostne sile neenakomernasila teže enakomernasila trenja neenakomerna

Energetski stroji


sile v ročičnem mehanizmu

L

LBLA

BT A

d B

s r = 2. Vzt

rVzt

FΔpFn

FpFo

Fo

F t1

Fr

ω

α+β

β α

Tlačne sile

Energetski stroji


( ) ( )2B O B 0( ) ( ) ( )

4pF A p p d p pπα α αΔ = ⋅ − = ⋅ ⋅ −Tlačna sila

Sila na ojnico

o cospF

Fβ

Δ=

Normalna sila

o tanpF F βΔ= ⋅

Tangencialna sila

( ) ( )β

βαβαcos

sinsinot1+

⋅=+⋅= pFFF

Radialna sila

( ) ( )β

βαβαcos

coscosor+

⋅=+⋅= pFFF

Tlačne sile

Energetski stroji


SILE V ROČIČNEM MEHANIZMU

Kota α in β sta funkciji lege gredi

Ekstremi:

( ) omaxt1,t1r ;090 FFFF ===⇒°=+ βα

( )

o o,maxVzt

2

901

2

pFF F

rL

α Δ= ° ⇒ = =−

⋅

A

Fn

FpFo

FoF t1 = F

= Ft1,max

o

ω

α+β = 0 °

β

Fr = 0

rVzt

Fn

FpFo

Ft1

ω

β

F o,max

Fr

rVzt

Energetski stroji


Δp

0 π 2π 3π 4π

pOVG

pO

0

F

t1/

Np

/

bar

+F t

1

Tlačne sile

Primer: 4-taktni motor Otto

Energetski stroji


sile v ročičnem mehanizmu

L

LBLA

BT A

d B

s r = 2. Vzt

rVzt

FΔpFn

FpFo

Fo

F t1

Fr

ω

α+β

β α

Masne vztrajnostne sile

Energetski stroji


Sestavljeno gibanje ojnice

Neenakomerno premo gibanje (translacija)mase ojnice:

Neenakomerno krožno gibanje (rotacija)mase ojnice:

LLmm 2

oso, ⋅=

LLmm 1

ouo, ⋅=

Rotacija povzroča centrifugalno silo in ne prispeva k vrtilnemu momentu

Masne vztrajnostne sile

r Vzt

Tmo

A

B

moA

moB

BT

xB

a

A

r Vzt

moA

moB

BT

A

=+

Energetski stroji


Masna vztrajnostna sila zaradi neenakomernega translatornega gibanja (bata, ojnice, sornika,...)

( ) 2

2

so,ss dd ;

txxaammF ==⋅+= &&

+ x

- x

Rezultanta tangencialnih sil:

)()()( t2t1tt tFtFtFF +==

Rezultanta tangencialnih sil se v teku ene periode spreminja, zato se spreminja tudi vtrilni moment na gredi batnega stroja!

Tangencialna komponenta masne vztrajnostne sile:

( )β

βαcos

sinst2

+⋅= FF

Masne vztrajnostne sile Gibanje bata

Energetski stroji


a / rad

1. takt 2. takt 4. takt3. takt

1. vrtljaj gredi 2. vrtljaj gredi

0 π 2π 3π 4π

0

F t

/ N

Ft1

Ft2

Ft1+Ft2Ft =

Rezultanta tlačnih in masnih vztrajnostnih sil

Energetski stroji


Bilanca energij v času ene periodePer

t Vzt U Vzt Per0

( ) dF r F rα

α α α⋅ ⋅ = ⋅ ⋅∫

Razlika med trenutnim delom batnega stroja (npr. motorja z notranjim zgorevanjem) in silo upora:

( )t U Vzt ddW F F r α= − ⋅ ⋅

Razlika se v času preiode spreminja po velikosti in predznaku:presežek sile pospešuje vrtenjeprimanjkljaj upočasnjuje vrtenje

Vztrajnik

Energetski stroji


Tangencialna sila in sila upora

π.rVz 2π.rVz 3π.rVz 4π.rVz

Ft

Fu

F

rVz.dα

rVz.α

dW

- - -

+ +

+

+

Vztrajnik

Energetski stroji


Kotna hitrost se v intervalu spreminja:

tdd :maxminααωωωω ==≤≤ &

Srednja kotna hitrost:

2minmax

mωωω +

=

Stopnja neenakomernosti

m

minmax

ωωωδ −

=

Batni strojiLetalski mototjiMotorji za vozilaGeneratorji izmeničnega tokaKompresorjiČrpalkeLadijski motorji

Stopnja neenakomernosti δ0,0010,003-0,0070,0030,010-0,0300,030-0,0500,050

Vztrajnik

Energetski stroji


Trenutna kinetična energija vztrajnika:2 2

2Vz Vzt Vzt Vzt2 2

W m r Jω ω⎛ ⎞= ⋅ ⋅ = ⋅⎜ ⎟

⎝ ⎠

Spreminjajoča se kinetična energija vztrajnika:

( )2 2max min 2

Vzt Vzt Vzt min2W I I

ω ωω δ

−Δ = ⋅ = ⋅ ⋅

Vztrajnik

Energetski stroji


ČRPALKENamen: dovajanje mehanske energije tekočinam (nestisljivim fluidom)Posledica: povečanje totalnega tlaka med prirobnicama črpalke

Značilnosti: majhne pretočne količineveliko povečanje tlakasamosesalnostvelik izkoristekvelika poraba prostora glede na pretočno količinomajhni vrtljajineenakomerna dobavastroški nabave

Področje uporabe: transport tekočin z veliko viskoznostjodozirne črpalkevisokotlačne črpalke pri obdelovalnih strojihčrpalke v hidravličnih regulacijskih sistemih

Energetski stroji


Delo (teoretično)

Izentropna kompresija; izentropa sovpada z izohoro: 0d ≈⋅ Vp

( )121tK ppVW −⋅=

Tehnično delo kompresije

( )434tE ppVW −⋅=

Tehnično delo ekspanzije

( )12dtEtK ppVWWW −⋅=−=

Delo črpalke:d413241 ; ; VVVpppp =−==

1

23

4

A

B

p2

p1

p2

p1

'

'VSVŠ

VV

p

V

Energetski stroji


Izgube

Hidravlične izgube

izgube tlaka pri sesanjuin iztiskanju

odpiranje in zapiranjeventilov

Volumetrične izgube

netesnosti med valjemin batom

netesnosti ventilov

izločanje inertnih plinov

1

23

4

A

B

p2

p1

p2

p1

'

'VSVŠ

VV

p

V

Energetski stroji


Dejansko (efektivno) delo črpalke

( )e

ppVWη

12de

−⋅=

mie ηηη ⋅=

Energetski stroji


Energijska enačba za črpalko

ρω

pω Hω

vω

H2

H1

ρα

pαHα

vα

MWtČ

p1

p2

Energijska bilancaokrog črpalke

Teoretično delo(delo, ki se uspešno prenese na kapljevino)

Energetski stroji


Črpalka v sistemu

ρω

pω Hω

vω

H2

H1

ρα

pαHα

vα

MWtC

p1

p2

Energijska bilancaokrog hidravličnega sistema

Teoretično delo(delo, ki se uspešno prenese na kapljevino)

Energetski stroji


( )

Č

12

21

221212

2Hgm

HHgvv

gpp

guugmW

⋅⋅=

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

⋅−

+⋅−

+−

⋅⋅=ρ

Teoretično dovedeno delo in dobavna višina črpalke

ČČ

Č Hgmpm

pVW ⋅⋅=Δ⋅

=Δ⋅=ρ

HČ ... dobavna višina črpalke

Tehniško sprejemljive predpostavke ?!

Energetski stroji


Črpalka in sistem

∑

∑

⋅+⋅+++

=+⋅+⋅+++

ωIω

2ωω

ω

αIα

2αα

α

2

2

HgHgvpu

mWHgHgvpu

ρ

ρ

( )

C

Iαω

2α

2ωαωαω

2Hgm

HHHgvv

gpp

guugmW

⋅⋅=

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−+

⋅−

+⋅−

+−

⋅⋅= ∑ρ

0

HC ... dobavna višina sistema

Energetski stroji


Črpalka in sistem

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−+

⋅−

+⋅−

+−

⋅⋅= ∑ Iαω

2α

2ωαωαω

2HHH

gvv

gpp

guugmW

ρ

0

Stacionarno obratovanje črpalke v sistemu (obratovalna točka):

CČCČ HHHgHg =⇒⋅=⋅

razlika kinetične energije

razlika tlakov med sesalno in tlačno posodo

razlika geodetske višine

izgube zaradi tekočinskega trenja v ceveh in armaturah

Energetski stroji


Per

d

tVV

Δ=&

Dobavna količina batne črpalke ni konstantnaRazlog: kinematika ročičnega mehanizmaRešitev: več vzporedno nameščenih valjev

vetrnikKrmiljenje pretoka: sprememba vrtilne hitrosti motorja

Srednja dobavna količina:

Dejanska moč:

ee

Č

e

Če η

ρη

ρη

yVHgVHgmP ⋅⋅

=⋅⋅⋅

=⋅⋅

=&&&

Energetski stroji


0 π ω/(2 )

0

V /

(m

/s)

3

valj 1

valj 2

valj 3

0

V /

(m

/s)

3pretok skozi ventil srednji pretok

ΔVΔV

ΔV

t / s

π ω/ 3 /(2 )π ω 2 /π ω

.

.

B

A

=

Energetski stroji


Sesalna višina:

Dopustna sesalna višina

∑++⋅

+⋅

=+⋅

+⋅ αI1

211

α

2αα

22HH

gv

gpH

gv

gp

ρρ

Bernoullijeva enačba za sesalni del sistema:

∑−⋅−

+⋅

−⋅

=−= αI

21

2α1α

α1s 2H

gvv

gp

gpHHH

ρρ

∑−⋅−

+⋅

−⋅

≤⇒> αI

21

2α

,α

dops,,

1 2H

gvv

gp

gpHpp T

T ρρ

Energetski stroji


Zobniške črpalke, rotacijski volumetrični stroj

Uporaba: oljna črpalka za mazalne sisteme strojev

( ) nBDDV v ⋅⋅−⋅⋅= 2n

2z4

πλ

λv ...stopnja dobave : 0,85-0,90

Energetski stroji


Energetski stroji


I

B

F

stisnjen zrak

Energetski stroji


VOLUMETRIČNI KOMPRESORJI

pam

vakuum 0

p p> am KOMPRESORJI

VAKUUMSKE ČRPALKE

Energetski stroji



KOMPRESORJI ČRPALKE

batni

rotacijski

batne

rotacijske

L

L1

L2

BT A

DB

s r = 2.Vz

rVz

Fp

Fn

FpFo

Fo

F t1

Fr

ω

α+β

β αbatni stroji ročični mehanizem

Energetski stroji


KOMPRESORJI

Namen: dovajanje mehanske energije plinom in param (stisljivim fluidom)

Posledica: povečanje statičnega tlaka (temperature) specifični volumense zmanjša

Značilnosti: majhne pretočne količineveliko povečanje tlaka

Energetski stroji


KOMPRESORJI

Medij Področje uporabe

Zrak pnevmatska tehnika, transport, krmilna tehnika, procesna tehnika

Vodna para procesna tehnika

Gorilni plini:zemeljski plin, CO zgorevalna tehnika, energetika, procesna tehnika

Tehnični plini:kisik, vodik, dušik,acetilen

procesna tehnika, hladilna tehnika, varilska tehnika

Hladiva:freoni, amoniak hladilna in klimatska tehnika, procesna tehnika, procesna tehnika

Energetski stroji


VAKUUMSKE ČRPALKE

Namen: izsesavanje (evakuiranje) plinov iz posod

Posledica: povečanje statičnega tlaka izsesavanega plina (zmanjšanje tlakav izsesavani posodi)

Značilnosti: majhne pretočne količineveliko povečanje tlaka (velik podtlak)

Področje uporabe: vakuumska tehnika, procesna tehnika - krožni procesi

Energetski stroji


VAKUUMSKE ČRPALKE

KONDENZATOR

NT-PARNA TURBINA NASIČENA VODNA PARA

ODVOD TOPLOTE

KONDENZAT

VDOROKOLIŠKEGA

ZRAKA

IZLOČENIPLINI

IZSESANI PLINIplini iz krožnega procesa

Primer: evakuacija inertinih plinov iz kondenzatorja parnega krožnega procesa

Energetski stroji


VAKUUMSKE ČRPALKE

Primer: evakuacija inertnih plinov iz kondenzatorja parnega krožnega procesa

ELMO-ČRPALKA

Energetski stroji



10-1

100

101

102

103

101 102 103 104 105 106

p /

ba

r

V / m /h3.

batni kompresorji

rotacijski k.

turbinskikompresorji

turbinskevakuumskečrpalke

batne inrotacijskevakuumskečrpalke

Energetski stroji


BATNI KOMPRESORJI

T = konsts = konst

1

23

4

VdVs

VvVš

p1

p2p2

p1

'

'

p

V

s = konst

Energetski stroji


BATNI KOMPRESORJI

Primerjava med izentropno in izotermno kompresijo

V

1

2s2T

p1

p2

p

s = konst

T = konst

Energetski stroji


Delo kompresije

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

−⋅==

−

∫ 11

d

1

1

21tK

2

1

κκ

κκ

ppTRmpVW

p

p

Izentropna kompresija

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

−⋅=

−

11

1

4

34tE

κκ

κκ

ppTRmW

Izentropna ekspanzija škodljivega volumna

κκ 1

1

222

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

ppTT

Sprememba temperatures = konst

1

23

4

Vd

p1

p2

p

V

s = konst

s = konst

1

23

4

Vd

p1

p2

p

V

s = konst

Energetski stroji


BATNI KOMPRESORJI

Teoretično delo kompresorja pri izentropni kompresiji

Delo, ki je potrebno za to, da se delovni snovi poveča tlak:Δp = p2 - p1

Energetski stroji


Dejanska kompresija

V

p

T = konst.

2ss = konst.

2T

1

s

T

T = konst.

s = k

onst

.

2T

2s

1

Nepovračljiva adiabata: κ>n

id2dej2 ss >

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

−⋅⋅=

−

11

1

1

2D1

nn

pp

nnVpW

Delo kompresorja pri dejanski kompresiji:

ee η⋅= WW

Delo na gredi kompresorja

Energetski stroji


Kompresor in sistem

Energetski stroji


VEČSTOPENJSKA KOMPRESIJA

( )4VD VVV −≈

( ) VŠ 08,004,0 VV ⋅−=

z naraščanjem tlaka p2 prinespremenjeni gibni prostornini:

0G

DV4 →⇒→

VVVV

GŠD4V VVVVV +=+=

Kompresijsko razmerje ene stopnje:

51

2 <pp

V

p

VŠ

VD

VD

p2

V4

V4

Energetski stroji



3s

2T

2s

1

V

p

1

2s2T

3s

s = konst.

s = konst.

T = konst.

Energetski stroji



Predpostavke:škodljivega volumna ni; VŠ = 0T1=T2povračljive kompresije; p . vκ = konst.

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅

−⋅+

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅

−⋅=+=

−−

11

11

1

2

32d

1

1

21dt23t12

κκ

κκ

κκ

κκ

ppTRm

ppTRmWWW

( )2

1

3

1

2

2

3

1

2

2

t2t1 0pp

pp

pp

pp

pWW

=⇒=⇒=∂

+∂

Primer: dvostopenjska kompresija:

Energetski stroji



Število stopenj

nn n

n

n

pp

pp

pp

pp

pp

pp

pp

α

ω

11

2

13

4

2

3

1

2 ==⇒====−

L

n-stopenjska kompresija

1

2

α

ω

1

2

1

ln

ln

ln

ln

pppp

pppp

n

n

=≥

Energetski stroji



Prihranek dela

V

p

T = konst.

pω

pα

s = konst.

s

T

T = konst.

p ω

p α

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Katedra...

Documents

Transcript of UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Katedra...