kke katedra energetických strojů a zařízení jadernÁ energetika · 2016-10-04 · kke katedra...
TRANSCRIPT
JADERNÁ ENERGETIKA KKE Katedra energetických strojů a zařízení
Pavel Žitek
Vzduchotechnika
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
2
Charakteristika kompresorů
Kompresor je energetický stroj pro stlačování plynů a par. V kompresoru se
vynaložená energie mění hlavně v tlakovou energii pracovních látek a
částečně v teplo. Proto patří kompresory mezi stroje hnané a tepelné.
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
charakteristika
Dělení kompresorů dle způsobu stlačování:
a) objemové – stlačený plyn se získává objemovou změnou pracovního
prostoru kompresoru ΔV → Δp
b) energetické – stlačený plyn se získává změnou kinetické energie v
energii tlakovou ΔEk → ΔEt
3
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
charakteristika
a) objemové (statické)
s vratným pohybem prac. elementu
pístové
membránové
s volným pístem
ostatní
rotační
s jedním rotorem
– křídlové
– kapalinokružné
– s valivým pístem
– ostatní
se dvěma a více rotory
– šroubové
– zubové
– ostatní
b) energetické (dynamické, rychlostní)
lopatkové (turbokompresory)
radiální
axiální
diagonální
proudové (ejektory)
4
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
způsoby komprese
Průběh komprese v p-v a T-s diagramu
rovnice polytropické změny stavu: .2211 constvpvpvp nnn
technická práce kompresoru : vdpat
KOMPRESORY
5
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
způsoby komprese
1 – A … izotermická komprese (n=1)
.11 constvpvpvp AA
1
211 ln
1 p
pvpa
At
6
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
způsoby komprese
1 – B … polytropická komprese s odvodem tepla (n<k, q<0)
1
1
1
1
2111
n
n
tp
pvp
n
na
B
.11 constvpvpvp n
BB
nn
7
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
způsoby komprese
1
1
1
1
2111
k
k
k
k
p
pvpa
Ct
.11 constvpvpvp CC kkk
1 – C … adiabatická komprese (n=k, q=0)
8
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
způsoby komprese
1 – D … polytropická komprese s přívodem tepla (n>k, q>0)
1
1
1
1
2111
n
n
tp
pvp
n
na
D
.11 constvpvpvp n
DD
nn
9
Pístový kompresor
Ideální jednostupňový kompresor:
pracuje s ideálním plynem (nevazkým)
nemá žádné ztráty (mechanické, objemové, tepelné, tlakové)
polytropický exponent (n) je konstantní
nemá škodný prostor
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
pístový kompresor
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
10
Pracovní diagram ideálního kompresoru
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
pístový kompresor
4 – 1 izobarické sání
1 – 2 stlačování
2 – 3 vytlačování
3 – 4 náhlý pokles tlaku
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
11
Pracovní diagram pístového kompresoru se škodným prostorem
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
pístový kompresor
4 – 1 sání plynu
1 – 2 stlačování
2 – 3 vytlačování stlačovaného plynu
3 – 4 expanze plynu
Vš škodný objem
Vz zdvihový objem
Vs sací objem – skutečný nasátý objem plynu
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
12
Technická práce kompresoru se škodným prostorem
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
pístový kompresor
11
11
1
41
1
11m
m
n
n
t Vpm
mVp
n
nA
JVpn
nVVp
n
nA n
n
sn
n
t
11
11
1
1
1
411
vynaložená kompresní práce práce získaná expanzí ze škodného prostoru
za předpokladu, že m = n
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
13
Skutečný kompresor
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
pístový kompresor
Tlakový diagram kompresoru se škodným prostorem
a s reálným plynem (indikátorový diagram)
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
14
Vícestupňové kompresory
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
pístový kompresor
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
15
Typy pístových kompresorů
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
pístový kompresor
DnLSiV
D [-] dopravní účinnost
n [s-1] počet otáček (cyklů)
L [m] zdvih pístu
S [m2] plocha pístu
i [-] počet činných ploch
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
16
Membránový kompresor
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
membránový kompresor
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
17
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
křídlový kompresor
DntmDLeV )(2
e [m] excentricita
L [m] délka křídla
D [m] vnitřní průměr statoru
m [-] počet křídel
t [m] tloušťka křídla
n [s-1] otáčky
D [-] dopravní účinnost
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
Křídlový kompresor
18
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
kapalinokružný kompresor
DnLhtmeRV )4(
R [m] vnitřní poloměr
vodního prstence
e [m] excentricita
m [-] počet lopatek
t [m] tloušťka lopatek
L [m] délka křídla
h [m] max. délka
neponořené lopatky
n [s-1] otáčky
D [-] dopravní účinnost
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
Kapalinokružný kompresor
19
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
kompresor s valivým pístem
DnLrRV )( 22
R [m] poloměr válce
r [m] poloměr pístu
L [m] délka válce
n [s-1] otáčky
D [-] dopravní účinnost
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
Kompresor s valivým pístem
20
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
šroubový kompresor
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
DnzLSSV 1121 )(
S [m2] plochy (kolmé na podélnou
osu rotoru) mezer mezi
zuby hlavního a vedlejšího
rotoru
L [m] délka činné části rotoru
z1 [-] počet zubů hlavního rotoru
n1 [s-1] otáčky hlavního rotoru
D [-] dopravní účinnost
Šroubový kompresor
• zmenšení objemu párových komůrek mezi šroubovými zuby
21
Kompresory typu Roots
KKE Katedra energetických strojů a zařízení
zubové kompresory
OBJEMOVÉ KOMPRESORY
DnLRV 22
R [m] vnější poloměr rotoru
[-] součinitel využití
pracovního prostoru
L [m] činná délka rotoru
n [s-1] otáčky hlavního rotoru
D [-] dopravní účinnost
22
Charakteristika energetických kompresorů
Turbodmychadla a turbokompresory jsou rotační stroje určené
ke stlačování plynů a par. Stlačování probíhá kontinuálně a dosahuje se
změnou hybnosti plynu v průtočné části stroje.
ENERGETICKÉ KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
charakteristika
výhody
• velmi klidný chod
• jednoduchá obsluha a vysoká spolehlivost provozu
• bezmaznost
nevýhody
• hlučný provoz
• vysoké otáčky
• nejsou vhodné pro malé výkony
použití
• plynárenství, chemický a hutní
• jaderné elektrárny
• spalovací turbíny
• turbodmychadla pro spalovací motory
23
ENERGETICKÉ KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
typy turbokompresorů
Radiální turbokompresor
24
ENERGETICKÉ KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
typy turbokompresorů
Axiální turbokompresor
25
ENERGETICKÉ KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
charakteristika
Charakteristiky turbokompresor
26
ENERGETICKÉ KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
charakteristika
Pole charakteristik
27
ENERGETICKÉ KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
turbodmychadla
Turbodmychadla pro spalovací motory
Tento speciální typ turbodmychadel používaný u spalovacích motorů slouží
ke zvýšení celkového výkonu díky zvětšení množství vzduchu a tím i paliva,
které lze přivést do motoru. Původně bylo toto zařízení navrženo pro letecké
motory, pro zvýšení tlaku vstupního vzduchu ve větších nadmořských
výškách, kde je nižší atmosférický tlak.
Turbodmychadlo se skládá ze dvou částí – turbínové a dmychadlové.
Turbína je poháněna výfukovými plyny vystupujícími z motoru. Je umístěna
na stejné hřídeli jako dmychadlo, které roztáčí až na otáčky 200 000 min-1
(mění se podle otáček motoru). Dmychadlo pak stlačuje vzduch, který
vstupuje do motoru a výrazně tak zvyšuje jeho objemovou účinnost.
Stlačením vzduchu se totiž sníží jeho měrný objem a při zachování stejného
poměru vzduchu a paliva je možné pustit do motoru více paliva. Energie
uvolněná spálením paliva je tak vyšší a to vede k výraznému zvýšení
celkového výkonu.
28
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
vlastnosti kompresorů
Vlastnosti kompresorů
a) Kompresory pístové
výhody
• dlouhodobé používání přivedlo tento druh k relativní dokonalosti.
• snadná obsluha i opravy
• široký rozsah použití
– mobilní i stabilní stanice
– výkonnost od nejmenších po 103 m3/hod
• bezmaznost – samomazné pístní kroužky (teflon, uhlík)
nevýhody
• pravidelné kontroly ventilů
• pulzace plynu vyvolané vratným pohybem pístu
• nutnost těžšího nebo odpruženého základu
29
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
vlastnosti kompresorů
b) Šroubové kompresory
výhody
• vysoká spolehlivost
– jednoduchá konstrukce
– žádné ventily
• základ není zapotřebí (minimální chvění)
• vysoká životnost
• malý obestavěný prostor
• bezmaznost
• u mazaných kompresorů při vstřikování 5 – 10 kg oleje na 1 kg vzduchu
odpadá nutnost synchronizačního soukolí
nevýhody
• horší účinnost
• vestavěný tlakový poměr
• vysoké otáčky
– citlivost uložení rotorů
– značný hluk
• náročná technologie výroby i montáže
30
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
vlastnosti kompresorů
c) Křídlové kompresory
výhody
• jednoduchá konstrukce i výroba
• malá hmotnost i rozměry
• žádné ventily
• malé nebo žádné základy
• dlouhá životnost, malé opotřebení
• provozní spolehlivost
nevýhody
• horší účinnost
• značný hluk
– kompresory bezmazné (se samomaznými křídly), mazané (zmenšení
tření křídel) nebo se vstřikem 5 – 10 kg oleje na 1 kg vzduchu
(vnitřní chlazení olejem)
31
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
vlastnosti kompresorů
d) Turbokompresory
výhody
• velmi klidný chod
• malé základy
• jednodušší obsluha i údržba
• vysoká spolehlivost provozu
– dlouhá životnost
– malé opotřebení
– delší intervaly pro revize a opravy
• bezmaznost
nevýhody
• vysoká hladina hluku
• vysoká dolní hranice výkonnosti
• nebezpečí „pumpování“
32
Regulace
Regulace start – stop
Přerušení přívodu elektrického proudu do motoru
Odpojení kompresoru od motoru vypínací spojkou
Škrcení v sání
Přepouštění z výtlaku do sání
Změna otáček kompresoru
Změna škodného prostoru
Změna směru proudění
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
regulace
33
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
sušení vzduchu
metody sušení:
• kondenzační
(refrigeration dryer)
• sorpční
• regenerující za tepla
(heat regenerated)
• regenerující za studena
(heatless regenerated)
• membránové
(membrane dryer)
Sušení vzduchu
34
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
sušení vzduchu
Kondenzační sušiče
35
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
sušení vzduchu
Sorpční sušiče
36
KOMPRESORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
sušení vzduchu
Membránové sušiče
37
Charakteristika ventilátorů
Ventilátory jsou rotační lopatkové stroje, které jsou určeny pro kontinuální
dopravu plynů (vzdušnin) při malých stlačeních. Stlačení (π = p2/p1) se
obvykle pohybuje v rozmezí 1,01 – 1,10; výjimečně u vícestupňových
ventilátorů až 1,50.
Oběžné kolo ventilátoru předává v průtočné části mechanickou energii
hřídele vzdušnině. Mechanická (rotační) energie se tak mění na kinetickou a
tlakovou.
VENTILÁTORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
charakteristika
Dělení ventilátorů podle celkového dopravního přetlaku na:
a) nízkotlaké (do 1 kPa)
b) středotlaké (1 – 3 kPa)
c) vysokotlaké (3 – 10 kPa)
Pro vyšší dopravní přetlaky se používají dmychadla a kompresory.
38
Dělení podle průtoku plynu oběžným kolem na:
- radiální oběžné kolo zvýší kinetickou energii vzdušniny, a ta je poté
ve spirální skříni přeměněna na tlakovou energii.
- axiální vzduch proudí ve směru osy otáčení oběžného kola.
- diagonální představuje přechod mezi radiálním a axiálním systémem.
- diametrální nasává vzduch na vnějším obvodu oběžného kola v sacím
hrdle. Vzduch prochází příčně oběžným kolem a opět vystupuje na vnějším
obvodu, odkud je dále vyfukován do výtlačného hrdla. Po obvodě oběžného
kola jsou rozmístěny dopředu zahnuté lopatky.
VENTILÁTORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
rozdělení
39
Při výběru ventilátoru se používají tzv. měrné otáčky podle objemu:
n jsou provozní otáčky stroje [min-1]
Q je objemový průtok [m3/s]
h je tlaková výška [m]
Δpc je celkový přetlak [Pa]
ρ je hustota vzdušniny [kg/m]
g je gravitační zrychlení [m/s]
VENTILÁTORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
volba ventilátoru
][min 1
4 3
h
Qnnv
g
ph c
radiální ventilátor vysokotlaký 50 – 160
radiální ventilátor středotlaký 100 – 190
radiální ventilátor nízkotlaký jednostranně sací 140 – 270
radiální ventilátor nízkotlaký oboustranně sací 190 – 390
axiální ventilátor rovnotlaký 270 – 750
axiální ventilátor přetlakový 600 – 2000
40
Regulace
Změnou otáček ventilátoru
• vysoká účinnost provozu
• polovodičová regulace
Natáčením lopatek oběžného kola
• vysokou účinnost ventilátoru
Škrcení ve výtlaku
• regulační orgán (např. škrticí ventil)
změna směru proudění
• změna směru proudění vzdušniny rozváděcími lopatkami
• axiální ventilátory
VENTILÁTORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
regulace
41
Literatura
CHLUMSKÝ V., LIŠKA A.: Kompresory, SNTL Praha, 1982
KEMKA V., BARTÁK J., MILČÁK P., ŽITEK P.: Stavba a provoz strojů –
stroje a zařízení, Informatorium Praha, 2009, ISBN 978-80-7333-075-0
KRIVÁNKA D., ŽITEK P., MILČÁK P.: Optimalizace řízení adsorpčního
sušiče vzduchu. In ERIN 2009. V Ostravě: VŠB Ostrava, 2009. s. 1 – 6.
ISBN 978-80-248-1982-2
LIŠKA A., NOVÁK P.: Technika stlačeného vzduchu, ČVUT Praha, 1999,
ISBN 80-01-01947-0
KOMPRESORY A VENTILÁTORY KKE Katedra energetických strojů a zařízení
literatura