Увод у енергетику Лекција 1
Проф. Проф. др Владимир др Владимир Стевановић Катедра за Катедра за термоенергетику , каб . 134/4,
[email protected] Макроенергетски Макроенергетски системи и токови енергије Шта подразумевамо под енергијом, Е? Способност Е=mc2, хемијска енергија, унутрашња енергија, ....
за вршење рада (ενέργεια), али и
У природи и у оквиру техничких система које је створио човек енергија се појављује у више облика, као што су механичка (кинетичка и потенцијална), топлота (укључује и топлотно зрачење), хемијска, електрична (електромагнетна), нуклеарна (фисија и фузија). Носиоци енергије су: (а) механичке: водени токови (хидроенергија), ваздушна струјања (еолска енергија), плима и осека; (б) топлоте (термодинамички – унутрашње енергије): флуидне струје, загрејана тела, Сунчево зрачење; ( в) хемијске: фосилна горива ( угаљ, нафта, природни гас, уљни шкриљци, деривати нафте, генераторски гас), биомаса , градски отпад, егзотермна хемијска једињења, итд., (г) електричне (електрони у проводницима струје); (д) нуклеарне (уранијум, деутеријум, трицијум,...). Извори енергије се налазе у природи – природни систем (види слику 1). Енергију коју човек користи из природе називамо примарна енергија. Човек је развио технологије експлоатације природних извора, као што су: рудници и опрема за вађење угља или уранијума из Земљине коре, бушотине за нафту и природни гас, вештачка језера и водне турбине, ветрењаче, Сунчеве колекторе итд. Из природног система енергију преузима енергетски систем (слика 1), у оквиру кога се претвара у погодније облике за коришћење, који се називају секундарна енергија (на пример: трансформација сирове нафте у различите врсте бензина и дизел гориво у рафинеријама, трансформација угља у кокс или брикете сушеног угља, конверзија механичке енергије у електричну у хидроелектранама и ветрогенераторима, хемијске енергије фосилног горива или нуклеарне енергије нуклеарног горива у топлоту у топланама, или у топлоту, а затим у механичку енергију и на крају у електричну у термоелектранама , односно нуклеарним електранама, итд.). У оквиру енергетског система се носиоци енергије транспортују до места потрошње (нафтоводи, гасоводи , далеководи за транспорт електричне енергије на високом напону, итд.) и Prirodni sistem
Eneerget En etsski si sisstem
Pro roiizvod odn ni sistem Neproizvodni sistem
Primarna energija (PE) Finalna energija (FE) Tehnologije eksploatacije
g p
PE
FE
Tehnologije transformacije Tehnologije konverzije
Proizvodne KE tehnologije/ uređaji Korisna energija g (KE) ε
SE Sekundarna energija (SE)
gt
Слика 1 Токови енергије у оквиру макроенергетског система 1
Табела 1 Енергетске јединице Енергетске јединице и умношци основних величина Конверзиони фактори: Префикси јединица Префикси јединица: 1 ten 1 teu 1 GWh 1 MBtu 1 Gcal 1 TWh 1 barrel 1000 m3 pr.gas 1 t biomase (suve)
= = = = = = = = =
41,868 GJ 29,3 GJ 3,6 TJ 1,0551 GJ 4,1868 GJ 0,086 Mten 6,12 GJ 37,3 GJ 18 – 24,5 GJ
E P T G M k
(eksa) (peta) (tera) (giga) (mega) (kilo)
x 1018 x 1015 x 1012 x 109 x 106 x 103
дистрибуирају до крајњих корисника, то јест до места финалне потрошње (дистрибутивне цевне мреже гасовода , транспорт цистернама до бензинских пумпи, електрична дистрибутивна мрежа на ниском напону, итд.). Човек користи финалну енергију да би задовољио своје потребе, као што су: (а) грејање, вентилација и климатизација просторија у којима живи и ради, припрема топле воде за одржавање хигијене, осветљење , производња, припрема и чување хране и сл. (делатности у оквиру домаћинстава, комуналних система, пољопривреде и индустрије); (б) коришћење и прерада природних сировина, производња различитих материјала и готових производа, грађевинарство (делатности у оквиру индустрије); (в) транспорт људи и добара , комуникације, информационе делатности (саобраћај и телекомуникације); и др. Облици финалне енергије су: топлота, електрична енергија, хемијска енергија деривата нафте, природног гаса, угља, сушеног угља, кокса, биомасе, итд. У оквиру производних и услужних технологија и уређаја финална енергија се уграђује у производ или извршену услугу као корисна енергије: (а) механички рад у друмском, ваздушном или воденом саобраћају , или механички рад за транспорт у индустрији, обраду материјала деформацијом или резањем у машиноградњи , итд., (б) унутрашњу енергију при термичкој обради (полуфабриката у индустрији, кувању хране итд.) или унутрашњу енергију (топлоту?!) ваздуха и зидова при грејању, (в) хемијску енергију у ендотермним процесима, (г) светлост , (д) информациону енергију (?)... Основна јединица за енергију у Међународном систему јединица је џул у ознаци (Ј). Међутим, то је врло мала јединица у односу на количине енергије које се користе, транспортују и дистрибуирају у оквиру макроенергетског система града, регије, државе или света. Такође, није директно упоредив са енергијом коју садрже конвенционални носиоци енергије угаљ или нафта. Због тога се при анализи макроенергетских система користе јединице и префикси приказани у табели 1. Ресурси енергије
Извори примарне енергије могу бити обновљиви (као што су хидромеханичка енергија, еолска, биомаса, Сунчева, геотермална) или необновљиви (фосилна и нуклеарна горива). Ресурси фосилних и нуклеарних горива се приказују као експлоатационе резерве, које су доказане и економски исплативе за експлоатацију са постојећом технологијом, и као укупне геолошке резерве геолошке резерве. Обновљиви извори енергије се најчешће приказују као издашност извора у току једне току једне године , када се разматрају се разматрају у оквиру годишњих енергетских биланса, односно као расположива енергија у дужем временском периоду (на пример 100 година) када се пореде са ресурсима необновљивих извора. Процена необновљивих енергетских ресурса енергетских ресурса у свету је свету је дата у табели 2. Више од две трећине светских резерви угља се налазе у Русији, САД и Кини. Потенцијал за коришћење обновљивих извора енергије у свету применом постојећих технологија, у периоду од годину дана, приказан је у табели 3. Теоријске могућности коришћења обновљивих извора Сунчеве енергије, енергије ветра и биомасе су знатно веће 2
Табела 1 Енергетске јединице Енергетске јединице и умношци основних величина Конверзиони фактори: Префикси јединица Префикси јединица: 1 ten 1 teu 1 GWh 1 MBtu 1 Gcal 1 TWh 1 barrel 1000 m3 pr.gas 1 t biomase (suve)
= = = = = = = = =
41,868 GJ 29,3 GJ 3,6 TJ 1,0551 GJ 4,1868 GJ 0,086 Mten 6,12 GJ 37,3 GJ 18 – 24,5 GJ
E P T G M k
(eksa) (peta) (tera) (giga) (mega) (kilo)
x 1018 x 1015 x 1012 x 109 x 106 x 103
дистрибуирају до крајњих корисника, то јест до места финалне потрошње (дистрибутивне цевне мреже гасовода , транспорт цистернама до бензинских пумпи, електрична дистрибутивна мрежа на ниском напону, итд.). Човек користи финалну енергију да би задовољио своје потребе, као што су: (а) грејање, вентилација и климатизација просторија у којима живи и ради, припрема топле воде за одржавање хигијене, осветљење , производња, припрема и чување хране и сл. (делатности у оквиру домаћинстава, комуналних система, пољопривреде и индустрије); (б) коришћење и прерада природних сировина, производња различитих материјала и готових производа, грађевинарство (делатности у оквиру индустрије); (в) транспорт људи и добара , комуникације, информационе делатности (саобраћај и телекомуникације); и др. Облици финалне енергије су: топлота, електрична енергија, хемијска енергија деривата нафте, природног гаса, угља, сушеног угља, кокса, биомасе, итд. У оквиру производних и услужних технологија и уређаја финална енергија се уграђује у производ или извршену услугу као корисна енергије: (а) механички рад у друмском, ваздушном или воденом саобраћају , или механички рад за транспорт у индустрији, обраду материјала деформацијом или резањем у машиноградњи , итд., (б) унутрашњу енергију при термичкој обради (полуфабриката у индустрији, кувању хране итд.) или унутрашњу енергију (топлоту?!) ваздуха и зидова при грејању, (в) хемијску енергију у ендотермним процесима, (г) светлост , (д) информациону енергију (?)... Основна јединица за енергију у Међународном систему јединица је џул у ознаци (Ј). Међутим, то је врло мала јединица у односу на количине енергије које се користе, транспортују и дистрибуирају у оквиру макроенергетског система града, регије, државе или света. Такође, није директно упоредив са енергијом коју садрже конвенционални носиоци енергије угаљ или нафта. Због тога се при анализи макроенергетских система користе јединице и префикси приказани у табели 1. Ресурси енергије
Извори примарне енергије могу бити обновљиви (као што су хидромеханичка енергија, еолска, биомаса, Сунчева, геотермална) или необновљиви (фосилна и нуклеарна горива). Ресурси фосилних и нуклеарних горива се приказују као експлоатационе резерве, које су доказане и економски исплативе за експлоатацију са постојећом технологијом, и као укупне геолошке резерве геолошке резерве. Обновљиви извори енергије се најчешће приказују као издашност извора у току једне току једне године , када се разматрају се разматрају у оквиру годишњих енергетских биланса, односно као расположива енергија у дужем временском периоду (на пример 100 година) када се пореде са ресурсима необновљивих извора. Процена необновљивих енергетских ресурса енергетских ресурса у свету је свету је дата у табели 2. Више од две трећине светских резерви угља се налазе у Русији, САД и Кини. Потенцијал за коришћење обновљивих извора енергије у свету применом постојећих технологија, у периоду од годину дана, приказан је у табели 3. Теоријске могућности коришћења обновљивих извора Сунчеве енергије, енергије ветра и биомасе су знатно веће 2
него што су приказане у табели 3. Нека од ограничења у већем коришћењу ових енергетских извора су проблем сакупљања биомасе , ниски енергетски флуксеви Сунчеве енергије (око 200 W/m2 на 45о географске ширине ) и енергије ветра (између 0,2 и 1,2 kW/m 2), као и променљив интензитет Сунчевог зрачења и ветра. У Србији доминантан удео у енергетским ресурсима има лигнит. Експлоатише се у рудницима са површинском експлоатацијом у Колубарском и Костолачком басену , који садрже око око једне једне четвртине резерви четвртине резерви, док се три четвртине резерви четвртине резерви налази на Косову. Лигнит је угаљ ниског квалитета. Сагоревањем 1 kg српског лигнита ослобађа се око 7 до 8 МЈ топлоте, што је око 2,5 пута мање од топлотне моћи мрког и око 4 пута мање од топлотне моћи каменог угља. Лигнит се највећим делом користи у термоелектранама за производњу струје. Укупне експлоатационе резерве експлоатационе резерве фосилних горива у Србији су приказане у табели 4. Експлоатациони потенцијали обновљивих извора су приказани у табели 5, при чему се данас у значајној мери користи једино користи једино хидроенергија. Табела 2 Ресурси примарне енергије у свету у Табела 3 Потенцијал обновљиве енергије који Gten се може технички искористити у току годину дана у свету Експлоатационе Gten % без са 238 238 U U 2,38 26 Хидропотенцијал Gten % % 3,15 34 Биомаса 0,84 9 Сунчева 481 65 8 Угаљ 2,58 27 ветар 88 12 2 Нафта 0,35 3 геотермална 61 8 1 Природни гас 9,3 100 Укупно: 4 0,5 / Тресет 105 14,5 89 Нуклеарна U235 U238
5249 7391)/58832)
Укупно
100
100
238
Напомене: 1) Без U 2) Са U238 који се може користити у брзим оплодним нуклеарним реакторима нуклеарним реакторима.
Табела 4 Експлоатационе резерве фосилних Табела 5 Потенцијал обновљиве енергије који горива у Србији се може технички искористити годишње у Србији 1) Угаљ – укупно 2) Лигнит 3) Нафта и пр. гас 4) Уљни шкриљци Укупно 1)+3)+4)
Mten 772 660 20 84 876
% 88 75 2 10 100
Mten 1,67 Хидроенергија 2,56 Биомаса 0,185 Геотермална *) / Сунчева *) / еолска 4,415 Укупно *) Утврђивање потенцијала се спроводи.
% 38 58 4 / / 100
Потрошња енергије
Потрошња примарне енергије у свету је приказана на сликама 2 и 3, у развијеним земљама које формирају Организацију за економску сарадњу и развој ( ОЕЦД1) на слици 4, а у Србији на слици 5. Број становника на Земљи износи 6,3 милијарде, од тога у земљама 1
Земље ОЕЦД-а су САД, Канада, Мексико, Аустрија, Белгија, Чешка, Данска, Финска, Француска, Немачка, Грчка, Мађарска, Исланд, Ирска, Италија, Луксембург, Холандија, Норвешка, Пољска, Португалија, Шпанија, Шведска, Швајцарска, Турска, Велика Британија, Јапан, Јужна Кореја, Аустралија. 3
ОЕЦД-а живи 1,2 милијарди, односно једна петина. Слика 2 показује да 1/5 становништва троши 50% примарне енергије . Поређење потрошње примарне енергије у свету и земљама ОЕЦД-а (слике 3 и 4) показује да је удео потрошње нафте и нуклеарне енергије у развијеним земљама већи од светског просека, а удео угља је мањи, што је условљено структуром привреде и стандардом становништва у земљама ОЕЦД-а. За разлику од светског просека и структуре потрошње у земљама ОЕЦД-а, потрошња примарне енергије у Србији је заснована на угљу, са смањеним уделом квалитетнијих фосилних горива (природног гаса и нафте) и повећаним уделом хидроенергије (слика 5). Потрошња финалне енергије у свету, земљама ОЕЦД-а и Србији је приказана на сликама 6, 7 и 8. Види се да је удео квалитетнијих енергената, као што су електрична енергија, нафта и природни гас у развијеним земљама већи од светског просека, а удео угља и биомасе је мањи. У финалној потрошњи у Србији доминира електрична енергија, слика 8. У свету се за производњу електричне енергије користе различити енергенти (слика 9). У Србији се око 2/3 струје производи из угља, а 1/3 коришћењем хидроенергије. Тренд промене потрошње финалне енергије по секторима у свету је приказан у табели 6. У Србији је удео потрошње финалне енергије у индустрији нешто већи, а у саобраћају мањи од светског просека. Србија увози преко 40% својих потреба примарне енергије. Домаћа експлоатација нафте задовољава 20% укупних потреба , док домаћи природни гас учествује свега 10% у укупној потрошњи гаса. У мањој количини се увозе висококвалитетни угљеви , и електрична енергија по потреби. Однос сопствене производње и потрошње примарне енергије у неким земљама износи: Норвешка 9,0, Ангола 6,7, Аустралија 1,9, Русија 1,5, САД 0,8, Данска 0,8, Шведска 0,6, Србија 0,6, Немачка 0,4, Мађарска 0,5, Грчка 0,36, Јапан 0,2 Италија 0,2. Дакле , поседовање сопствених енергетских извора није неопходан услов за привредни и . економски развој
Afrika Južna Amerika 5,3% Azija* 4,4% 11,6%
Zemlje OECD 50,9%
Nafta 34,4%
Ugalj 24,4% Ostalo** 0,5%
Kina 13,5%
Ukupno 10 579 Mten
Bliski Istok Bivši SSSR 9,1% 4,2%
Evropske van OECD 1,0%
Prirodni gas 21,2% Ukupno 10 579 Mten
Biomasa i Hidro sagorljivi Nuklearna energija otpad energija 2,2% 10,8% 6,5%
*) Азија без Кине
Слика 2 Потрошња примарне енергије по појединим регионима у свету 2003. године
Nafta 40,7%
Biomasa i sagorljivi otpad 3,3%
Hidro energija Ostalo** Nuklearna 2,0% 0,8% energija 10,7%
Слика 3 Потрошња примарне енергије (”примарни енергетски колач“) у свету 2003. године Prirodni gas 13,0%
Hidro Drvo i biomasa energija 5,0% 6,0%
Ugalj 50,0%
Ugalj 20,5%
Ukupno 5 395 Mten
Prirodni gas 22,0%
Слика 4 Потрошња примарне енергије у земљама ОЕЦД-а 2003. године
Ukupno 12,442 Mten
Nafta 26,0%
Слика 5 Потрошња примарне енергије у Србији 2003. године 4
Nafta 42,6%
Ukupno 7 287 Mten
Ugalj 7,4%
Prirodni gas 16,4%
Ostalo** 3,5%
Električna energija 16,1%
Biomasa i sagorljivi otpad 14,0%
Слика 6 Удео појединих енергената у финалној потрошњи у свету 2003. године Električna energija 30,0%
Ukupno 6,943 Mten
Čvrsto gorivo 12,0%
Prirodni gas 21,0%
Tečna goriva 37,0%
Ugalj Ostalo** 3,4% 1,4%
Nafta 52,7%
Elektri čna energija 19,4%
Biomasa i sagorljivi Prirodni gas otpad 19,9% 3,2%
Ukupno 3 754 Mten
Слика 7 Удео појединих енергената у финалној потрошњи у земљама ОЕЦД-а 2003. године Nuklearna Ostalo** energija 1,9% 15,8%
Hidro energija 15,9% Ukupno 16 661 TWh
Nafta 6,9%
Ugalj 40,1%
Prirodni gas 19,4%
**Остало укључује геотермалне изворе енергије, Сунчеву енергију, енергију ветра итд.
Слика 8 Удео појединих енергената у финалној Слика 9 Коришћење енергената за потрошњи у Србији 2003. године производњу електричне енергије у свету 2003. године Табела 6 Потрошња финалне енергије по секторима у % (%) Свет ОЕЦД 1973. год. 2003. год. 1973. год. 2003. год. 37 32 38 30 Индустрија 23 26 25 34 Саобраћај 40 42 37 36 Домаћинства, и остало
Србија 2002. год. 35 23 42
Потрошња енергије и друштвено-економски развој Дијаграм на слици 10 илуструје потрошњу примарне енергије у зависности од друштвено-економског развоја појединих држава , структуре њихове привреде, обима сопствених енергетских ресурса и стандарда становништва. Могу се уочити државе са високим стандардом и великим сопственим ресурсима, као што су САД и Канада , државе са нижим стандардом и великим сопствениом ресурсима (Русија), високо развијене државе које зависе од увоза енергије (Западноевропске земље) и економски сиромашни региони (Африка). Потрошња примарне енергије по глави становника у Србији износи 1,66 Мten/capita, док је светски просек 1,70 Мten/capita. Потрошња електричне енергије по глави становника у Србији (табела 7) је већа од светског просека, али нижа од потрошње у високоразвијеним земљама. Знатан део електричне енергије у Србији се троши за грејање, како због цене, тако и због ограничене инфраструктуре и расположивости других енергената ,
пре свега топлоте и система даљинског грејања у градовима и природног гаса и мреже гасовода . 5
10 9 ) a t i p a c / n e t ( a t i p a c / E P O P
2003. god. Kanada USA
8 7 6 5 4 3 2 1 0 100
OECD Nemacka Danska Bivsi SSSR Slovenija Svajcarska Madjarska Hrvatska SRB Svet Kina J. Amerika Afrika 1000
10000
100000
Log(BDP/capita) (US$2000/capita)
Слика 10 Потрошња примарне енергије (POPE) по глави становника у зависности од друштвеног производа per capita
Табела 7 Годишња потрошња електричне енергије по глави становника (kWh/capita) (2003. година) Земља/ регија kWh/capita 2429 Свет 8044 ОЕЦД 518 Африка 1601 Ј. Америка 4026 Бивши СССР 6599 Данска 3154 Хрватска 17290 Канада 1379 Кина 3637 Мађарска 6898 Немачка 3999 Србија 6819 Словенија 13066 САД 8118 Швајцарска
Индикатори потрошње енергије
На нивоу макроенергетског система се дефинишу енергетски , економски и технолошки индикатори потрошње енергије. Основни енергетски индикатор је енергетска ефикасност (ЕЕ). На нивоу потрошње финалне енергије EEP=(потрошња корисне енергије )/(потрошња финалне енергије )=KOPO/FIPO. На нивоу енергетских технологија за трансформацију и конверзију примарне у секундарну енергију ЕЕЕ=(производња секундарне енергије )/(потрошња примарне енергије)=PRSE/POPE или ако се узму у обзир и губици при транспорту и дистрибуцији до места финалне потрошње ЕЕЕ=(потрошња финалне енергије)/(потрошња примарне енергије)=FIPO/POPE. На нивоу појединачног постројења или уређаја ЕЕЕ се назива степен корисности и одређује се као однос уложене и добијене енергије. За целокупни макроенергетски систем енергетска ефикасност се дефинише као ЕЕ=(потрошња корисне енергије)/(потрошња примарне енергије)=KOPO/POPE. Основни економски индикатор је енергетски интензитет (ЕI). Одређује се као однос потрошње примарне или финалне енергије и бруто друштвеног производа. Енергетски интензитет примарне енергије је приказан на слици 11. У земљама ОЕЦД-а се уочава стално смањење енергетског интензитета, док се код земаља у развоју и транзицији уочава максимум при достизању одређеног нивоа економске и техничко-технолошке развијености. Технолошки индикатор је специфична потрошња енергије (или ”енергетска цена производа“, табела 8). Рационално коришћење енергије
Рационално коришћење енергије подразумева високу енергетску ефикасност и мали енергетски интензитет. Мере којима се остварује рационално коришћење енергије се могу сврстати у следеће групе: 6
•
Мере организационо-оперативног карактера, које обухватају довођење система и опреме за производњу, снабдевање и коришћење енергије у исправно стање, у смислу рада са пројектним параметрима и увођење опреме за мерење и система за праћење енергетских токова и израде Енергетског обрачуна. Табела 8 Енергетска “цена“ неких сировина (средње вредности): ) Ekonomije u tranziciji
P D B 5 9 9 1
$ S U 0 0 0 1 ( / n e t , I E
OECD Svet
Zemlje u razvoju
Слика 11 Енергетски интензитет примарне енергије
Сировина челик алуминијум бакар цинк олово цемент пластика стакло цигла папир гума
(MJ/kg) 40 120 45 65 40 9 150 30 2 25 150
Техничко-технолошке мере које обухватају усавршавање производних технологија у смислу измене параметара процеса и аутоматизације система снабдевања енергијом у складу са захтевима технологије, односно усавршавања технолошког уређаја (нова техничка решења уређаја и/или нови материјали опреме ) која омогућују промену параметара процеса и снижавање губитака енергије . • Производно-технолошке мере које обухватају увођење нових производних технологија, промене производних програма па и структуре производних активности. Енергетска ефикасност се може повећати на свим нивоима макроенергетског система: производње примарне енергије, конверзије примарне енергије, трансформације примарне енергије, транспорта и преноса енергије, и у свим секторима за коришћење енергије . •
Економско вредновање мера за рационално коришћење енергије
Мера за рационално коришћење енергије мора бити и економски исплатива. Исплативост се вреднује помоћу економских метода за вредновање инвестиција. Најчешће коришћена метода је метод интерне стопе приноса и заснована је на временској вредности новца. Уколико се у периоду од n година сваке године уштеди Р динара услед примене неке мере за рационално коришћење енергије, будућа вредност тих уштеда S, на крају периода од n n 1+ i ) −1 2 ( , док је година, може се одредити као сума геометријског реда и износи S
=
R
i
садашња вредност P (вредност дисконтована на нулту годину у којој се реализују n инвестиције) P = R (1 + i ) −n 1 , где је i дисконтна стопа. Уколико се садашња вредност уштеда i (1 + i ) изједначи са инвестицијама I које се морају уложити да би се реализовала мера, добија се n (1 + i IRR ) − 1 , где је i интерна стопа приноса (”internal rate of return“), кo ја представља IRR I = R n i IRR (1 + iIRR ) 2
S=R+R(1+i)+R(1+i) 2+R(1+i)3+...+R(1+i)n-1=R((1+i)n-1)/i
7
стoпу принoса са кo јoм се oплoди капитал улoжен у инвестцију I. Укoликo је iIRR веће oд стандардне стoпе принoса, или интерне стoпе принoса некoг алтернативнoг прo јекта, инвестиција је oправдана. К o ришћење енергије и живoтна средина Пoследица кo ришћења енергије је загађење живoтне средине , у некoм oд следећих oблика: (а) загађење атмoсфере прoдуктима сагo ревања фoсилних гo рива, кo је дoвoди дo “киселих киша”, “oзoнских рупа”, “ефекта стаклене баште ” (коме највише доприноси емисија CO2 при сагоревању фосилних горина, табела 9) и других нежељених пo јава: загађење oлoвoм, метеo рoлoшке инверзије температуре у атмoсфери са пoвећањем кoнцентрације атмoсферских загађивача, итд.; (б) предаја oтпадне тoплoте атмoсфери и пoвршинским вoдама при прoцесима кoнверзије, трансп o рта и кo ришћења енергије , са утицајем на лoкалне и глoбалне климатске прoмене; (в) Табела 9 Емисија CO2 пo загађење тла и oкoлине чврстим oтпадoм, каo штo су станoвнику гoдишње (2003. гoд.) пепеo и шљака; (г) уклањање или oштећење oбрадив oг земљишта при експлoатацији фoсилних гo рива, пре Земља/ регија (tCO2/capita) свега пoвршинска експлoатација угља; (д) пoтапање 3,99 Свет земљишта , утицај на микрoклиму и пoдземне вoде при 11,08 ОЕЦД градњи брана за хидрoцентрале ; (ђ) сеча шума; (е) 0,90 Африка прoизвoдња вештачке радиoактивнoсти и 1,97 Ј. Америка радиoактивних изoтoпа; (ж) загађење букoм; (з) естетска 7,99 Бивши СССР деградација прирoде. Планетарнo глoбални значај имају 10,43 Данска загађења атмoсфере кo ја дoвoде дo пo јава “киселих 4,73 Хрватска киша”, “oзoнских рупа” и “ефекта стаклене баште”. 17,49 Канада Значајна средства се улажу у развo ј нoвих технoлoгија 2,89 Кина за кo ришћење фoсилних гo рива, пречишћевање димних 5,70 Мађарска гасoва, смањење пoтрoшње путем пoвећања енергетске 10,35 Немачка ефикаснoсти, итд. 6,10 Србија 7,64 Слoвенија Планирање пoтрoшње енергије 19,68 УСА Метoде за планирање пoтрoшње енергије се могу 5,96 Швајцарска поделити на: (а) статистичке, (б) екoнoметријске, (в) примена фенoменoлoшких мoдела. Фенoменoлoшки мoдели дају најпoузданије резултате. Заснoвани су на симулацији различитих сценарија развo ја, кo ји oбухватају: демoграфске прoмене, прoмене структуре пoтрoшње енергије и oбима прoизвoдње и услуга , развo ј нoвих технoлoгија, примену нoвих мера за пoвећање ЕЕ итд.
ε
. . . .. . . . . . .. .. . .
prošlost, regresivna analiza
interval
∆ε . 100% ε
. . . .. . .. ... . . . ... . . . . . . . . . . . .. .. . . . . .
budućnost ekstrapolacija
Слика 12 Статистичка метoда планирања
DBP per capita
Слика 13 Екoнoметријска метoда планирања
Табела 10 Предвиђање гoдишњег пo раста финалне пoтрoшње пo јединих енергената у свету за периoд 2007.-2030. гoдина (%)
Угаљ Деривати нафте Гас Електрична енергија Тoплoта Обнoвљиви извo ри
0,6 1,8 1,6 2,4 0,5 1,8
8
Увод у енергетику - Т У Р Б О М А Ш И Н Е
Проф. др Александар Гајић Кабинет 429
1. УВОД 1.1
ДЕФИНИЦИЈЕ
Задатак турбомашине је да призведе рад из енергије флуидне струје, или да повећа енергију флуидне струје трошећи рад. Ово се постиже дејством флуида на лопатице радног кола које се обрће, најчешће, константном угаоном брзином, или дејством лопатица радног кола на струју флуида. Турбомашине које производе рад трошећи енергију флуидне струје зову се турбине. У завосности од врсте флуида који кроз њих струји постоје водне , парне и гасне турбине. Ово су моторне машине. Ове машине дају снагу потребну за покретање радних машина, најчешће генератора електричне енергије. Турбомашине које повећавају енергију струје трошећи рад моторне машине, најчешће електромотора наизменичне струје, су пумпе , компресори , дуваљке и вентилатори – зависно од врсте флуида који кроз њих тече, као и остварене промене притиска и густине. У принципу, у већини турбомашина може се остварити преношење енергије у оба смера, те изводимо закључак да турбине могу да раде као пумпе или ако компресори и обрнуто. Међутим, у савременим условима инверзан процес се остварује само у пумпаматурбинама специјално пројектованим за ту сврху. У осталим машинама супротно-смерни процеси су могући, али се остварују на веома неповољан начин, па се не примењују. Турбомашине могу да служе и као преносници енергије. У том случају се у заједнички оклоп смештају пумпа и турбина. Пумпно вратило се спаја са вратилом покретачке – моторне, а турбинско са вратилом покретане – радне машине. Тако се добијају хидродинамички мењачи или хидродинамичке спојнице – зависно од тога да ли се у преносу истварује или не остварује промена обртног момента. 1.2. Енергија флуидне струје Енергија флуидне струје је унутрашња и кинетичка. Унутрашња енергија обухвата потенцијалну, топлотну, хемијску и електричну. За активирање неких видова унутрашње енергије потребне су допунске радње. Тако за ослобођење хемијске енергије горива треба да се обави процес сагоревања. При проучавању размене енергије у турбомашинама разматраће се промена кинетичке и унутрашње енергије при чему ће се под унутрашњом енергијом подразумевати енергија положаја и притиска и унутрашња топлотна енергија. При размени енергије у турбомашинама мења се, у општем случају, и кинетичка и унутрашња енергија флуидне струје. 1.3. Принцип рада Најважнији део сваке турбомашине је обртно (радно) коло са лопатицама. Обрћући се, коло путем лопатица прима енергију флуида и преноси је на вратило, односно, трошећи рад са вратила делује преко лопатица на флуид повећавајући му енергију. За рад кола 1
неопходно је да постоји сила која делује између кола и флуида. На слици 1. приказано је пумпно коло у коме је струјање релативно. Са слике се види да је апсолутна брзина флуидне честице v једнака векторском збиру обимске (преносне) брзине кола u и релативне брзине брзине флуидне честице w .
Слика 1. Струјање кроз коло пумпе Обимна компонента ове силе условљава пренос енергије (или снаге) са обртних лопатица на флуид (пумпа, компресор, вентилатор) или са флуида на лопатице (турбина). Због дејства ових сила, флуид, при пролазу кроз коло, мења правац струјања, односно скреће. Без скретања флуида нема ни преношења енергије. Тачније речено, интензитет преноса енергије сразмеран је струјном скретању: јача скретања условљена су већим силама по јединици протока. У турбомашинама се радни процес одвија непрекидно. Ако се занемаре пулсације протока и притиска, може се узети да је сила којом флуид и лопатице међусобно делују стална, не мења се у току времена. Због тога се ове машине, за разлику од клипних, одликују равномерним радом без већих потреса и вибрација. Поред тога су знатно простије конструкције, а веће брзине струјања условљавају, за исте радне перформансе, мањи габарит и мању потрошњу материјала. Главна им је предност одсуство кривајног механизма, неуравнотежених осцилаторних маса и сложеног механизма за отварање и затварање вентила. 1.4. Подела турбомашина По смеру преношења енергије турбомашине се деле у две групе. У првој групи су моторне машине: турбине, а у другој радне: пумпе , компресори и вентилатори. При проласку кроз турбомашину мења се притисак и брзина флуида, а може да се мења и густина. Промена густине је праћена променом температуре, јер се при томе мења и топлотно стање флуида. Водне турбине и пумпе спадају у групу машина кроз које струји слабо стишљив флуид, тако да у њима, при променама притиска који се остварују у колу, не настаје промена густине, те се флуид сматра нестишљивим. Ово су хидрауличне турбомашине. Парне и гасне турбине и турбокомпресори чине групу топлотних турбомашина. У њима се, поред промене притиска и брзине кретања флуида, остварује и промена густине праћена променом температуре флуида. Вентилатори су машине кроз које струје гасови (ваздух, димни и разни технички гасови), дакле стишљив флуид. Но како се у њима остварују мали порасти притисака, то се густина 2
гаса од улаза до излаза из машине повећава само за неколико процената. Стога су ове машине по конструкцији сличне компресорима, али се прорачунавају на основу предпоставке о нестишљивом флуиду, дакле као и хидрауличне машине.
Слика 2. Облици кола
Машине могу да се поделе и према облику кола. Оне су осне или аксијалне, сл.2.1, ако им брзине леже у равнима тангентним на цилиндре саосне са осом кола. Струјање кроз радијална кола, сл.2.2, је од осе ка периферији или обрнуто, а путање флуидних честица леже у равнима нормалним на осу. Када је улаз у коло радијалан, а излаз осни, или обрнуто, машина је радијално-осна, сл. 2.3. За машине са проточним струјањем по конусним или њима блиским површинама каже се да су са дијагоналним колима. Праве се и машине, али само као турбине, са тангентним прилажењем струје колу, сл. 2.4 и слика 3. При проласку флуида кроз кола неких турбина, мења му се само кинетичка енергија, а не и притисак . Такве турбомашине су слободно-млазне или акцијске, сл. 3, 4 и 5. Кола ових турбина су отворена и обрћу се у слободном простору, а оклоп им служи само за заштиту.
Слика 3. Пелтон турбина
Слика 4. Акцијске топлотне турбине
3
На слици 4 као радни флуид се користи гас (пара), док је на слици 5 радни флуид течност (вода).
Слика 5. Акцијске водне турбине Слободно-млазни или акцијски процес подесан је само за турбине, без обзира на врсту флуида. Кола у којима се мењају и кинетичка енергија и притисак су притисна или реакцијска, сл. 6 и 7. Она су, због континуалне промене притиска од улаза до излаза, оклопљена. На сл. 6 приказане су пумпе, а на сл. 7 турбине, и једне и друге са притисним колима разних облика.
Слика 6. Пумпе – 1. Радијалне ; 2. Радиаксијалне ; 3. Аксијалне Притисни или реакцијски процес је веома подесан за све турбомашине: турбине (водне, парне и гасне), пумпе, компресоре и вентилаторе. У акцијским турбинама механичка енергија се добија на рачун промене кинетичке енергије флуидне струје. Због тога у колу, од улаза до излаза, опада брзина флуидних честица, уз непромењени притисак . У реакцијским турбинама у колу опадају и кинетичка енергија и притисак остварујући рад кола. У реакцијским колима пумпи, компресора и вентилатора остварује се истовремено пораст притиска и повећање кинетичке енергије радног флуида уз трошење механичког рада. Процес преношења енергије не може се увек обавити у једном колу турбомашине, него се распоређује на неколико ступњева. Постоје, дакле, једностепене и вишестепене турбомашине.
4
; 4. Аксијалне Слика 7. Водне турбине – 1.2 и 3 – Радијалне Да би турбомашина континуално и устаљено трансформисала енергију флуидне струје у механичку, или обрнуто, потребно је да се њено коло обрће и да кроз њега непрекидно тече радни флуид. Хидродинамички преносници чине посебну групу турбомашина које у истом оклопу садрже пумпно и турбинско коло. Кроз радни простор преносника циркулише, по затвореном кругу, радни флуид, а то је најчешће минерално уље, лакших фракција. Преносници служе за остваривање везе водећег и вођеног вратила при практично истој брзини обртања (хидродинамичке спојнице) или за успостављање везе између њих при променљивој брзини излазног вратила, зависној од радних услова (хидродинамички мењачи) сл. 8.
Слика 8. Хидродинамички преносници 1. Спојница ; 2. Мењач Ознаке : ; Р - пумпа Т - турбина ; S- спроводни апарат
Све турбомашине раде на истом принципу: скретањем струје оствареним дејством лопатица радног кола, које се непрекидно обрће, преноси се енергија флуидне струје на коло или обрнуто. Међутим, зависно од смера преношења енергије, врсте флуида, радних параметара флуида и машине (проток , притисак на улазу, промена притиска у машини, снага, брзина обртања, величина машине), турбомашине се конструкцијски међусобно врло много разликују. Понекад се тешко и види да две машине припадају истој врсти. 1.5
Историјски развој турбомашина
Почеци градње. Први подаци о напорима да се енергија садржана у флуиду (води или ваздуху) искористи, сежу у давна времена. Познато је да су се у време пре нове ере користила водена кола, сл.9.
5
Слика 9. Водна кола Обртала су се под дејством тежине воде, довођене подножно, бочно или вршно. Служила су најчешће за покретање млинова за жито или за ваљање сукна, али и за друге сврхе. Предпоставља се да прва водена кола потичу из Месопотамије и њој суседних земаља Мале Азије. Упоредо се радило и на подизању воде са нижег нивоа на виши, у првом реду за потребе наводњавања. Први уређаји те врсте били су бескрајни ланци са кофицама, покретани снагом људи или животиња. Доцније се користи енергија воденог тока за погон. На сл. 10 је приказан бескрајни ланац, покретан воденим колом уграђеном у подножју.
Слика 10. Уређај за наводњавање
Слика 11. Принцип реакције - Еолипил
Податке о томе даје Филон Византијски (Phylon of Bisantium) из трећег века пре нове ере. Ктезибије (Ctesibius) из Александрије описује 135 год. пре нове ере александријске бунаре. Страбо (Strabо) наводи, 88 год. пре нове ере, да су за време грчког краља Митридата VI грађени бунари по Малој Азији. Херон Александријски, Ктесибијев ученик , 120. год. пре нове ере, проналази принцип реакције, што показује дејством млаза водене паре у еолипилу (обртној лопти), сл. 11, прототипу примитивне парне турбине. Он је описао и ветрењачу, али су оба уређаја испробана само као играчке. До практичног коричћења водене паре за добијање механичке енергије у клипној машини или турбини долази више од хиљаду година доцније. Ветрењаче су грађене већ у то време у Вавилону, а у Египту нешто касније. Пумпе. За подизање воде на виши ниво дуго су служили већ поменути, сл. 10, бескрајни ланци са кофицама. У Египту је од 3-ег столећа пре нове ере примењиван и Архимедов завртањ, с којим се могла вода дизати до висине од 4m. У Александрији је око 190. год. пре 6
нове ере израђена од бронзе двоцилиндрична ватрогасна клипна пумпа, сл. 12, а конструкција се приписује Ктесибију (Ctesibius).
Слика 12. Клипна пумпа Око 1700. године почиње озбиљнији рад на примени клипних пумпи, покретаних вакуумом оствареним кондензовањем водене паре. Класично решење клипне пумпе покретане експанзијом паре у парној клипној мачини остварио је Американац Вортингтон (Wоrtington), 1840-1850. год. Прва израђена аксијална пумпа са десет просторно закривљених дрвених лопатица пронађена је у Португалији 1772. год., а потиче из 5-ог столећа нове ере и служила је за одводњавање рудника бакра Сан Доминго (San Domingos). Ипак градња турбопупмпи почиње релативно касно, јер је требало да се пре тога дође до теоријских предзнања. У том погледу су веома значајна разматрања Леонарда да Винчија (Leonardo Da Vinchi,1452-1490.) о могућности коричћења центрифугалне силе. Прва чисто радијална пумпа са спиралом и равним радијалним лопатицама припада француском физичару Папену (Denis Papin), а израђена је 1687. год. и патентирана 1689. год., сл. 13. Радијално коло са закривљеним лопатицама појављује се у Бостону 1818. год. у фирми Масачусетс (Маssachussets).
Слика 13. Прва центрифугална пумпа
Хидродинамички пренос. Идеју за градњу хидродинамичких преносника формулисао је 1685. год. Денис Папен (Denis Papin). Прво остварење савремених преносника који садрже у заједничком оклопу пумпу и турбину, сл. 8, припада Херману Фетингеру (Hermann Föttinger,1877-1945.) и патентирано је 1905. године. 7
Први хидродинамички преносници грађени су за потребе бродоградње и то је остало све до Првог светског рата. Шира примена преносника почиње пред Други светски рат, а нарочито после њега. Користе се при градњи лаких и тешких возила, гусеничара, локомотива и за погон стационарних машина у тешким условима рада (бушаће гарнитуре, рудничке и грађевинске машине и слично). Једно од савремених решења хидродинамичких спојница је приказано на слици 14., а хидродинамичких мењача на сл. 15.
Слика 14. Хидродинамичка спојница
Слика 15. Хидродинамички мењач
1.6 Турбине и хидроелектране У хидроелектранама се врши трансформација потенцијалне енергије воде механичку (водна турбина), а потом у електричну (електрични генератор). Расположива енергија се може изразити бруто падом Нbr m , који представља разлику нивоа између горњег и доњег језера, што је приказано на слици 16.
Слика 16. Шематски прикази хидроелектрана Доводећи воду кроз резервоар један део енергије се трансформише у топлоту (губи се искористива енергија) па је нето пад једнак : 8
H = Hbr - Hgub. (1) Вода на улазу у турбину има своју брзину, односно кинетичку енергију по јединици масе изражену у облику:
E K =
c2 2
m 2 J 2 = , kg s
(2.1)
притисак p[N/m2 =Nm/m3=J/m3] односно притисну енергију:
J , kg
E pr = p / ρ
(2.2)
и наравно на висинској коти z на улазу потенцијална енергија тог флуида изражена је у облику: m J E p = z ⋅ g m ⋅ 2 = (2.3) . kg s Укупна енергија флуида (воде) на улазу у турбину биће збир сва три вида поменуте p c 2 = + + g ⋅ z енергије, тј.: (3) E 2 ρ Разлика укупних енергија по јединици масе испред EI и EII иза турбине представљаће јединични рад струје који се узима флуиду ради тренсформације у механичку енергију на радном колу, а чији израз гласи:
p c p c + g ⋅ z − + + g ⋅ z Y = g ⋅ H = E I − E II = + 2 2 ρ ρ 2
2
I
II
,
(4)
где је ознака I улаз у турбину, а ознака II излаз из турбине. Теоријски могућа искористива снага турбине, хидрауличка снага , би била:
kg m 3 J J ⋅ = = W , P th = ρ ⋅ Q ⋅ Y 3 m s kg s
(5)
где су: r - [kg/m3] – густина радног флуида; Q - [m3 /s] – запремински проток и Y - [J/kg] - јединични струјни рад. Због губитака енергије при струјању кроз коло (трење, вртложење,.....), запреминских губитака (процуривање кроз процепе), механичких губитака у лежиштима обртних делова, стварна излазна снага је та која се добија на вратилу турбине и она је мање вредности од хидрауличке, теоријски максимално могуће. Однос стварно добијене снаге Р и хидрауличка снаге Рth, која се одузме флуиду представља укупни степен корисности h, који се дефинише на следећи начин: P P = . (5) η = P th ρ ⋅ Q ⋅ Y Степен корисности је бездимензијска величина која говори о квалитету трансформисања енергије.
9
1.7
Пумпне станице
Cистеми који служе за транспорт течности понекад су веома једноставни, као у примеру приказаном на сл.17. Пумпа прихвата воду која дотиче из усисног базена и потискује је у потисни резервоар. На слици је приказана заштитна и регулациона арматура: неповратни вентил - клапна која треба да спречи повратно струјање и затварач који служи за регулацију протока и за пуштање пумпе у рад. При транспорту воде из базена у резервоар пумпа пре свега треба да савлада ГЕОДЕЗИЈСКУ ВИСИНУ - Hgeo - која представља разлику нивоа између ових резервоара. Израз за геодезијску висину има следећи облик :
Hgeo = Dz = zgv - zdv .
(6)
Hgub Rezervoar
Z gv Hp Z Z dv Q Crpni bazen
Usisni cevovod
Potisni cevovod
Zatvarac
Pumpa
Klapna
Слика 17. Пумпна станица са једном машином Осим тога у усисном и потисном цевоводу се због струјања течности јављају губици, па је НАПОР ПУМПЕ – H - укупна енергија коју течност добија проласком кроз пумпу изражена висином стуба те течности: Hgeo = Hgeo +SHgub. (7) Јединични рад струје дефинисан као укупна енергија која се од улаза до излаза из пумпе преда јединици масе флуида износи :
p c 2 p c 2 + g ⋅ z − + + g ⋅ z , Y = g ⋅ H = E II − E I = + 2 2 ρ ρ
II
(8)
I
где је ознака I улаз у пумпу, а ознака II излаз из пумпе. Снага коју флуид добија (корисна , хидрауличка снага) износи P th =
ρ ⋅ Q ⋅ Y
[W ]
и она је
мања од улазне снаге Р на вратилу пумпе због хидрауличких губитака насталих струјањем око лопатица радног кола, запреминских губитака и механичких губитака. Укупни степен корисности пумпе износи: P th η =
P
=
ρ ⋅ Q ⋅ Y
P
.
(9)
10
Увод у енергетику
ТУРБОМАШИНЕ Задатак 1. Одредити радове струја у пумпи и турбини , ако су задати следећи подаци: за пумпу:
p I
= −20
ρ
за турбину :
p I
J kg
= 800
ρ
;
p II
= 600
ρ
J kg
;
p II ρ
J kg
=0
; z II − z I = 1 m ; c I = 4
J kg
m s
; z I − z II = 2 m ; c I = 7
У оба случаја узети да је густина воде
ρ
= 1000
kg m3
; c II = 5
m s
m
и
s
; c II = 0
m s
.
Слика 1. Радови струје: 1. ПУМПА , 2. ТУРБИНА Решење:
Рад струје пумпе је одређен једначином: ⎛ p c 2 ⎞ ⎛ p c 2 ⎞ Y P = g ⋅ H P = E II − E I = ⎜⎜ + + g ⋅ z ⎟⎟ − ⎜⎜ + + g ⋅ z ⎟⎟ , тј. у сређеном ⎝ ρ 2 ⎠ II ⎝ ρ 2 ⎠ I облику : p − p I 1 + g ⋅ ( z II − z I ) + ⋅ (c II 2 − c I 2 ) . Y P = g ⋅ H P = E II − E I = II 2
ρ
Заменом бројних вредности добијамо : Y P = g ⋅ H P = 600 + 20 + 9.81 ⋅ 1 +
1 2
⋅ (5 2 − 4 2 ) = 634.31
J kg
.
Одговарајућа вредност за напор пумпе НP[ m] , се добија из израза : H P =
Y P g
= 64.66m .
Рад струје турбине је одређен једначином: ⎛ p c 2 ⎞ ⎛ p c 2 ⎞ Y T = g ⋅ H T = E I − E II = ⎜⎜ + + g ⋅ z ⎟⎟ − ⎜⎜ + + g ⋅ z ⎟⎟ , тј. у сређеном ⎝ ρ 2 ⎠ I ⎝ ρ 2 ⎠ II облику :
.
Y T = g ⋅ H T = E I − E II =
p I − p II ρ
+ g ⋅ ( z I − z II ) +
1 2
⋅ (c II 2 − c II 2 ) .
Заменом бројних вредности добијамо : Y T = g ⋅ H T = 800 + 0 + 9.81 ⋅ 2 +
1 2
⋅ (7 2 − 0 2 ) = 844.12
J kg
.
Одговарајућа вредност за напор турбине НТ[ m] , се добија из израза : H T =
Y T g
= 86.05m .
Задатак 2. Пумпа потискује воду у отворени резервоар. Одредити степен корисности пумпе ако су познати следећи подаци:
Q=30 l/s проток кроз пумпу Y=386.7 J/kg напор пумпе 3 густина воде r=1000 kg/m снага на вратилу пумпе (улазна снага)
и P=15.08 kW
Решење:
Степен корисности пумпе одређујемо из обрасца:
η =
Pth P
=
ρ ⋅ Q ⋅ Y
P
,
па после претварања P=15.08 kW у P=15.08·1000 W, тј. P=15080 W и Q= 30 l/s = 30/1000 = 0./03 m3/s добијамо: 1000 ⋅ 0.03 ⋅ 386.7 = 0.77 . η = 15080
Задатак 3. Притисна радијална турбина остварује проток од 0.85 m3 /s. Ако је јединични рад струје 77.6 J/kg и степен корисности 85%, одредити колика ће бити добијена снага дате турбине . Решење: Познати су следећи подаци: Q=0.85 m3/s проток кроз пумпу Y=77.6 J/kg напор турбине 3 густина воде и r=1000 kg/m h=86%, тј. h=86/100, дакле h=0.86. степен корисности
Степен корисности турбине одређујемо из обрасца:
η =
P Pth
=
P ρ ⋅ Q ⋅ Y
.
Из задате једначине једина непозната је Р које добијамо P = η ⋅ ρ ⋅ Q ⋅ Y = 0.86 ⋅ 1000 ⋅ 0.85 ⋅ 77.6 = 56 725 W , тј. Р=56.725 kW.
као:
Предмет: Увод у енергетику-вежбе В3
1/8
ФЛУИД ЈЕ ДОБАР СЛУГА, АЛИ ЛОШ ГОСПОДАР!
Ураган (енeргија таласа)
Ураган “Иван”-сателитски снимак, направљен 15.09.2004.год.
ПРИМЕР ЈЕДНЕ ПУМПНЕ ИНСТАЛАЦИЈЕ (у оквиру Лабораторије за хидрауличне машине и енергетске системе) 1 2 3 4 5
-
6 7 8,9,10 11 -12 -21 -22 -23 -31 -V .10 -V .20 -V .30 --
Катедра за хидрауличне машине и енергетске системе
пумпа (мотор, спирала, радно коло) рачва за наливање пумпе потисни цевовод вентури мерач протока отвор са кратким цевоводом за испуштање воде вентил за испуштање воде мерач нивоа течности у горњем резервоару (лењир) диференцијални манометри (приказани на функционалним шемама) усисни цевовод усисни (доњи) резервоар запремине V=250l део потисног цевовода који води у горњи резервоар распршивач млаза горњи (мерни) резервоар запремине V=70l део потисног цевовода који води у доњи резервоар вентил у усисном цевоводу вентил у делу потисног цевовода 21 вентил у делу потисног цевовода 31
Предмет: Увод у енергетику-вежбе В3
2/8
Поглед изблиза на ставку 1 претходне слике (делови пумпног агрегата):
44 -50 -51 -60 -61 -62 -63 --
елек тромотор радно коло пумпе провидно спирално кућиште прикључак за мерење притиска на усису умпе прикључак за мерење притиска на потису пумпе диференцијални давач притиска прикључак за регулисање мотора
ПРИМЕР ПРИМЕНЕ ЕНЕРГЕТСКИХ МАШИНА НА СИСТЕМУ ХЛАЂЕЊА НА АУТОМОБИЛУ
Вод топлог флуида
Чеп за наливање течности
Термостат
Вентилатор
Пумпа за воду
Хладњак
Вод хладног флуида
Катедра за хидрауличне машине и енергетске системе
Предмет: Увод у енергетику-вежбе В3
3/8
ЛОПАТИЧНЕ (ТУРБО) ПУМПЕ И ВЕНТИЛАТОРИ
Радијална пумпа
Коло радијалног вентилатора
Kоло радиаксијалнe пумпе
Инсталација са аксијалним вентилатором у оквиру Лабораторије за хидрауличне машине и енергетске систме
Катедра за хидрауличне машине и енергетске системе
Предмет: Увод у енергетику-вежбе В3
4/8
БЕЗЛОПАТИЧНА ОБРТНА ТЕСЛИНА ПУМПА (СА ДИСКОВИМА)
Модел Теслине пумпе
Испитивана Теслина пумпа
а) б) Изглед цртежа у оквиру патентне документације: а) осенчен је усис, б) осенчен је потис. http://www.tesla-museum.org/
Примена Теслине пумпе и данас заокупља велику пажњу. Изглед Теслине микропумпе. http://lettuce.me.washington.edu/micropump/news/1996_Seattle_PI/pi96.html Напомена: Постоје и конструкције и Теслиних вентилатора, турбина, хидро-мењача,...
Катедра за хидрауличне машине и енергетске системе
Предмет: Увод у енергетику-вежбе В3
5/8
ЗАПРЕМИНСКЕ ПУМПЕ
Ход клипа
Смер струјања течности Клипна пумпа (најпростије конструкције)
Перисталтичка пумпа
Радијално-клипне пумпе
Обртно-клипне пумпе
Зупчасте пумпе Постоје још многе друге, разнолике конструкције за широку лепезу примене. СТРУЈНЕ ПУМПЕ
Ејектор са једном млазницом
Катедра за хидрауличне машине и енергетске системе
Ејектор са више млазница
Предмет: Увод у енергетику-вежбе В3
6/8
ПНЕУМАТСКА ПОСТРОЈЕЊА И ПУМПЕ
Представљају системе сачињене од горе наведених струјних машина, као што су рецимо вентилатори, дуваљке или компресори или неке друге, које раде са гасом, и осталих делова постројења (цевоводи, резервоари, вентили,...). Том приликом настају системи пнеуматског транспорта и то флуид лифт, транспорт на основу флудизациј е, летећи пнеуматски транспорт.
Постоји и машина која се зове пхеумохидраулички лифт (мамут пумпа), која ради са три фазе, а уистину не представља неку нову машину, већ систем укомпонован од испред наведених компоненти. Пнеуматски системи налазе своју примену и у аутоматизацији и управљачким органима. ТОПЛОТНЕ МАШИНЕ
У оквиру класификације топлотних машина, поред парних и гасних (радијалних и аксијалних) турбина, о којима је било речи, постоје и компресори запремински (клипни и обртно-клипни), о чијим је сличним конструкцијама било речи код пумпи, и турбокомпресори (лопатични компресори): радијални, полуаксијални и аксијални, приказани на следећим цртежима. вратило редуктор
радно коло
Центрифугални компресор Катедра за хидрауличне машине и енергетске системе
Аксијални компресор
Предмет: Увод у енергетику-вежбе В3
7/8
НЕКИ ЕЛЕМЕНТИ ЕНЕРГЕТСКИХ СИСТЕМА
Једно енергетско постројење има много елемената, а поред енергетских машина, заступљени су цевоводи и арматуре, мерни уређаји, као и многе друге компоненте.
Цевоводи
Споменик арматурама у Русији, град Мытищ (1779—1804. први руски водовод је повезао Мытищ и Москву)
Разни вентили
Мерна опрема
Катедра за хидрауличне машине и енергетске системе
Предмет: Увод у енергетику-вежбе В3
8/8
ОБНОВЉИВИ ИЗВОРИ ЕНЕРГИЈЕ
Поред хидроенергије, о којој је раније било речи, овде се истиче употреба:
путем фотоћелија. еолске енергије. Изграђују се читаве соларне енергије, Повезивањем са, рецимо пупним системима, фарме ветрењача. Данас постоје планови и настају PV (photovoltaic) системи за за коришћење океанских, струја. снабдевање водом за пиће, наводњавање,... Наведени су само неки облици обновљивих извора енергије. Остаје читава лепеза могућих решења на основу геотермалне енергије, биомасе, енергије таласа (чија могућа деструктивност је приказана на почетку овог текста), итд. Свако од ових решења носи са собом, како приличан број позитивних еколошких поена, тако и нешто негативних.
Катедра за хидрауличне машине и енергетске системе
Универзитет у Београду – Машински факултет
УВОД У ЕНЕРГЕТИКУ Л5-2 часа. ПАРНЕ ТУРБИНЕ Проф. др Милан Петровић, K атедра за термоенергетику
Садржај : Примена парних турбина. Принцип рада. Топлотна шема парног блока. Главни уређаји и процеси у њима. Основни термодинамички параметри. Степен корисности парног блока. Специфична потрошња топлоте и горива. 5.1 Примена парних турбина
Најважнија примена парних турбина је у енергетици за производњу ел. Енергије. У Србији је од укупно 8355 МW енергетских капацитета 5524 МW (66%) инсталисано у термоелктранама са праним турбинама у којима се произведе око 70 % е. енергије.
Сл. 1 – Инсталисани енергетски капацитети у Србији
Сл. 2 -Производња ел. енергије у електранама у Србији 1
Парне турбине се примењују још и: • Индустрији • Комуналној енергетици • Бродске погонске машине 5.2 Принцип рада. Топлотна шема парног блока. Главни уређаји и процеси у њима Parne turbine radu u sklopu temoeketrana sa parnim blokovima. Parni blok je postrojenje u kome se hemijska energija goriva prvo pretvara u toplotu a toplota se zatim transformiše u mehanički rad i dalje u el. energiju. Da bi se iz toplotne energije dobio mehanički rad mora se obaviti termodinamički kružni ciklus. Parni blokovi rade po Rankin-Klauzjusovom kružnom ciklusu. Radno telo koje obavlja ciklus je voda i vodena para. Za dobijanje mehaničkog rada iz toplote mora postojati izvor toplote u kojem se iz hemijske energije goriva dobija toplota, koja se predaje radnom telu Kod parnog bloka se toplota dovodi u parnom kotlu. U parnom kotlu sagoreva fosilno gorivo (ugalj, te čno ili gasovito) obrazujući produkte sagorevanja na visokoj temperaturi. Sa druge strane se dovodi napojna voda u kotao pod visokim pritiskom koja onda struji kroz korlovske cevi. Produkti sagorevanja struje oko kotlovskih cevi predajući toplotu napojnoj vodi koja se zagreva, isparava i pregreva do visokih temperatura (oko 540 OC). Para se dalje odvodi u parnu turbinu. U nuklearnim elektranama se toplota dobija sagorevanjem nuklearnog goriva. Parne turbine su mašine koje pretvaraju toplotnu energiju u kineti čku energiju uređene fluidne struje a potom ovu u mehanički rad u obliku obrtanja rotora. Radna mašina, koju turbina kao pogonska mašina pokre će, može biti generator u kojem se mehanički rad pretvara u električnu energiju. Parna turbina zajedno sa pokretnom mašinom naziva se turboagregat. Ovo je i najčešći slučaj. No parna turbina može pokretati i neki turbokompresor ili služiti za pokretanje raznih saobra ćajnih sredstava.
Pored toga mora postojati i toplotni ponor tj. ure đaj u kojem se toplota koja nije mogla biti pretvorena u mehanički rad odvodi i predaje okolini. Ovaj ure đaj kod parnog bloka je kondezator. U kondenzator dolazi odrađena para iz turbine na niskoj temperaturi (oko 30 OC) . Para se kondenzuje a toplota kondenzacije odvodi u okolinu rashladnom vodom.
Za obavljanje kružnog ciklusa potreban je povišenje pritiska koje se obavlja u napojnoj pumpi.
Сл. 3 - Princip rada parnog bloka 2
Сл. 4 - Tehnološka šema parnog bloka
PGb
Q& PK
Сл. 5 - Osnovna toplotna šema parnog bloka sa kondenzacionom parnom turbinom
3
Q& PK
PGb
Sl. 6 - Osnovna toplotna šema i definicija kontrolnih granica za parni blok i turbopostrojenje sa dogrevanjem
5.3 Osnovi i glavni termodinamički parametri parnog bloka
Osnovi termodinamički parametri parnog bloka su oni parametri koji u potpunosti definišu termodinamički ciklus po kojem postrojenje radi. Za postrojenje kao na sl. 5 to su: pGVI — pritisak pare ispred glavnog ventila turbine visokog pritiska, t GVI — temperatura pare ispred glavnog ventila turbine visokog pritiska, pPK — pritisak pare na prirubnici turbine i kondenzatora
I kod složenijeg postrojenja (sl. 6) se mogu kao osnovni termodinarni čki parametri označiti one osnovne veličine stanja koje određuju ciklus po kojem radi ovakav blok. To su slede će veličine: pGVI — pritisak pare ispred glavnog ventila turbine visokog pritiska, t GVI — temperatura pare ispred glavnog ventila turbine visokog pritiska, pGVII — pritisak pare ispred glavnog ventila turbine srednjeg pritiska u koju ulazi para iza dogreja ča, t GVII — temperatura dogrejane pare ispred glavnog ventila turbine srednjeg pritiska, pPK — pritisak pare na prirubnici turbine i kondenzatora, p NV — pritisak napojne vode iza poslednjeg zagrejača i t NV —
temperatura napone vode iza poslednjeg zagrejača.
4
Stepen korisnosti turbopostrojenja η TPb za parni blok kao na sl. 5 i 6 pokazuje koji se deo dovedene toplote transformiše u el. energiju i predstavlja odnos dobijene el. energije u jedinici vremena PGb dovedene koli čine
& topote turbopostrojenju Q TP, dov u jedinici vremena. η TPb
PGb
= & Q
.
TP,dov
Stepen korisnosti parnog bloka η Bb predstavlja odnos između dobijene el. energije u jedinici vremena PGb dovedene količine topote u parnom kotlu Q& PK u jedinici vremena. η Bb
=
PGb Q& PK
Zbog toplotnih gubitaka u kotlu sagorevanjem goriva mora se dovesti ve ća količina toplote od one koja se preda pari, odnosno dovede turbopostrojenju . Ako je η PK stepen korisnosti parnog kotla biće: η Bb
=
PGb
=
Q& PK
PGb
= ηTPbη PK
Q& PK / η PK
Stepen korisnosti parnog bloka je jedenak prizvodu izme đu stepena korisnosti parnog turbopostrojenja i stepane korisnosti parnog kotla. Table 1- Orjentacione vrednosti osnovnih termodinamičkih parametara i stepena korisnosti za parna turbpostrojenja različitih snaga Maksimalna trajna snaga MW
30
50
60
100
200
600
Pritisak ispre turbine bar
40
40
60
105
105
178
450
450
480
540
540
540
540
540
o
Temperatura ispred turbine C o
Temperatura iza dogrejača C o
Temperatura napojne vode C
165
179
196
232
244
250
Stepen korisnosti turbopostrejnja bruto %
34,8
36,7
37,4
40,4
44,2
46
Pritisak u kondenzatoru ata
0,042
Specifična potrošnja toplote predstavlja odnos između dovedene količine toplote parnom bloku i proizvedene el.energije u jedinici vremena:
q Bb =
Q& PK PGb
I pokazuje koliko je jedeinica toplote potrebno dovesti da bi se prizvela jedinica el. energije. Ako je H d toplotna moć goriva izražena u
⎡ kJ ⎤ & ⎢ kg ⎥ onda se može odrediti maseni protok goriva M G i ⎣ ⎦
specifična potrošnja goriva po jedinici el. energije:
bGb =
Q& PK / H d PGb
=
& M G PGb
i može se izraziti u kg goriva po kWh el. energije. Ukoliko je dalje poznata cena goriva [din/kg], lako se mogu odrediti troškovi goriva po svakom proizvedenom kWh el. energije.
5
5.4 Priincip rada i osnovni elementi parnih turbina Kako se kod parnih turbina mora prvo toplotna energija pretvoriti u kineti čku energiju uređene fluidne struje, to one moroju imati takve elemente u kojimo se to može posti ći. Pretvaranje toplotne energije u kinetčku energiju uređene fluidne struje može se ostvariti jednim adijabatskim procesom širenja pri čemu pritisak opada a brzina strujanja raste. Za takav adijabatski gazodinami čki proces moraju postojati kanali čiji se preseci menjaju na odgovarajući način. Ti kanali čine onda sprovodni aparat ili nepokretnu rešetku (pretkola) jedne turbine. U sprovodnom aparatu se para ili gas ubrzavaju da bi pove ćanom brzinom ušli u radno kolo. U radnom kolu se može dalje nastaviti proces pretvaranja toplotne energije u kineti čku energiju uređene fluidne struje. Ovo se ostvaruje daljim širenjem radnog fluida i povećavanjem brzine. Ovakve turbine se nazivaju reakcionim. Kod akcionih turbina se kompletna transformacija toplotne nergije obavi u pretkolu a u radnom kolu se samo promeni pravac strujanja bez promene intenziteta brzine. Oblik kanala radnog kola mora biti takav da se ostvari još jedan važan proces. To je proces prenošenja kinetičke energije fluidne struje na rotor. Ovo se može posti ći samo na taj način ako se pri strujanju fluida kroz kanale radnog kola pojave sile. To se postiže naro čitim oblikom lopatica koje se nalaze poređane po obimu radnog kola. Dva bitna funkcionalna elementa svake turbine su dakle nepokretno pretkolo sa sprovodnim lopaticama poređanim po njegovom obimu i radno kolo sa radnim lopaticama isto tako pore đanim po njegovom obimu. Sprovodne i radne lopatice poređane po obimu pretkola i kola čine kanale u kojima se vrše određene termodinamičke promene i prenos energije. One se obi čno nazivaju rešetka pretkola i rešetka kola. Razume se do svaka turbina pored ova dva najvažnija funkcionalna elementa mora imati i druge uglavnom konstruktivne elemente. Naime, jedno ili više radnih kola moraju biti pri čvršćeni za vratilo kojim se obrtni moment preko spojnice prenosi na pokretnu radnu mašinu. Vratilo sa radnim kolom ili sa više radnih kola naziva se rotor turbine. Da ne bi radni fluid izlazio u okolinu unutrašnjost turbine mora biti zarvorena. U ovu svrhu služi oklop turbine koji istovremeno štiti rotor od oštećenja i od stranih tela i služi kao zaštita od dodira. Na mestima gde rotor izlazi iz oklopa mora se isto tako sprečiti s jedne strane dodir pokretnog vratila i nepokretnog oklopa a s druge strane gubitak radnog tela u okolinu. Zbog toga se na tim mestima predvi đaju uglavnom najčešće bezdodirni zaptivači — labirinti. Za aksijalno i radijalno vođenje rotora tj. da bi se osigurao aksijalni i radijalni zazori pri obrtanju, moraju postojati radijalna i aksijaina ležišta. Ona istovremeno služe za primanje radijainih i aksijainih sila koje se pri radu turbine pojavljuju.
Sl. 7 — Višestupna turbina. 1 — Oklop (ku ćište). 2 — Rešetka pretkola I stupnja odn. sprovodni aparat I stupnja. 3 — Rešetka kola I stupnja odn. pokretni venac lopatica I stupnja. 4 — Rešetka pretkola II stupnja. 5 — Rešetka kola II stupnja 6 — Dobošasti rotor. 7 — Izravnjač osnih sila. 8 — Labirintski zaptivač. 9 — Labirintski zaptivač. 10 — Ležište.
6
Uzdužni presek akcionog stupnja
Uzdužni presek reakcionog stupnja
sa tokom promene pritiska i brzine
sa tokom promene pritiska i brzine
Akciona višestupna turbina
Reakciona turbina sa 5 stupnjeva
7
) W M 0 0 6 d a n z i ( e g a n s e k i l e v a n i b r u t a n r a P
8
Универзитет у Београду – Машински факултет
УВОД У ЕНЕРГЕТИКУ 6 ГАСНЕ ТУРБИНЕ, Л6-2 часа. Проф. др Милан Петровић, Катедра: Термоенергетика, Кабинет: 131 Садржај: Примена гасних турбина. Принцип рада . Топлотне шеме гасног блока. Главни уређаји и процеси у њима. Степен корисности гасног блока. Комбинована постројења гасне и парне турбине.
6. 1 Istorijski razvoj gasnih turbina 1791. John Barber. Prvi patent gasne turbine.
Posle niza patenata krajem XIX i po četkom XX veka, 30-tih godina XX veka po čela ozbiljnija primena u energetici. 1930. Frank Whittle. Patent turbomlaznog avionskog motora. 1937. u V. Britaniji testiran
uspešno prvi avionski turbomotor prema projektu Whittle-a 1941. ugradjen turbomotor W-1 u avion. 1936. Hans von Ohain prikazao u Nemačkoj prvi model avionskog motora. Po njegovim
projektima izradjen motor koji je ugradjen u avion He-178 firme Heinkel 1939. To je bio prvi avion koji je avgusta 1939. poleteo sa turbomotorom. Posle II svetskog rada ubrzan razvoj da krajem XX veka gasna turbina doživela pravu ekspanziju u primeni. 6.2 Princip rada gasnog bloka
Gasne turbine rade po Joule-ovom ciklusu. Osnovna toplotna šema gasne turbine otvorenog toka prikazana je na slici 6.1. Kod ovog postrojenja: turbokompresor C usisava vazduh iz atmosfere i sabija ga od stanja 1 do stanja 2. • Sabijeni vazduh se zatim odvodi u grejnu komoru GK , u koju se ubrizgava gorivo. • Sagorevanjem goriva u sabijenom vazduhu radno telo se zagreva od temperature t2 • do temperature t3 pri približno konstantnom pritisku. Pri ovome se ne menjaju samo termodinamičke veličine stanja već i hemijski sastav radnog tela. Produkti sagorevanja eksapandiraju u gasnoj turbini GT od stanja 3, do približno • atmosferskog pritiska (stanje 4). Mehanički rad, koji se pri tom dobija, koristi se za pokretanje turbokompresora i • generatora . Produkti sagorevanja se iz turbine ispuštaju u atmosferu gde se hlade do temperature • okoline (proces 4-1). S obzirom da u turbini ekspandiraju produkti sagorevanja, kao gorivo kod gasnih turbina otvorenog toka se može koristiti samo pogodno kvalitetno tečno ili gasovito gorivo kako bi se izbegla erozija i korozija lopatica turbine. 6.3 Osnovni termodinamički parametri gasnog bloka otvorenog toka
Pod osnovnim termodinamičkim parametrima gasnog bloka podrazumevaju se parametri koji potpuno definišu kružni cilkus po kojem postrojenje radi. Gasni blok radi po Joule-ovom ciklusu pa je potrebno definisati veli čine stanja u tačkama 1, 2s, 3, 4s. 6.1
Za gasni blok otvorenog toka osnovni termodinamički parametri su: p1 - pritisak na ulazu u kompresor (atmosferski) • t1 - temperatura na ulazu u kompresor (atmosferski) • p2 - pritisak na izlazu iz kompresora (od nekoliko bar do 30 bar) • t3 - temperatura na ulazu u turbinu (od 900 do 1500 oC) • Umesto pritiska p2 može se uvesti stepen kompresije
Π =
p2
.
p1 6.4 Glavni termodinamički parametri gasnog bloka otvorenog toka
Glavni termodinamički parametri pokazuju kvalitet postrojenja u pogledu transformacije toplote u rad, odnosno, električnu energiju. Ovi parametri se nazivaju termodinami čkim zbog toga što najviše zavise od termodinamičkih veličina stanja sa kojima blok radi. Glavni termodinamički parametri gasnog bloka su: LGb -
ηBb qBb -
specifični rad generatora bruto. To je el. rad koji se dobije na priključcima generatora po jedinici radnog tela na ulazu u kompresor. Njemu za zadati protok odgovara snaga generatora bruto. stepen korisnosti bloka bruto. To je odnos dobijenog rada na priklju čcima generatora i dovedene toplote. Ovaj parametar pokazuje koji se deo dovedene toplote transformiše u koristan rad. specifična potrošnja toplote bloka bruto. To je ona koli čina toplote koju treba dovesti kroz kontrolnu granicu bloku da bi se u njemu dobila jedinica rada na izlazu iz kontrolne granice.
Snaga genergatora bruto: PGb
&L = M Gb
Stepen korisnosti bloka bruto: η Bb =
PGb Q& dov
Specifična potrošnja toplote bloka bruto: q Bb
=
Q& dov PGb
Ako je H d donja toplotna moć goriva maseni protok goriva, koji gasna turbina troši u jedinici vremena će biti: Q& M G
=
dov
H d
a specifična potrošnja goriva bGb
=
& M G PGb
i može se izraziti u m 3 goriva po kWh el. energije. Ukoliko je dalje poznata cena goriva [din/m 3], lako se mogu odrediti troškovi goriva po svakom proizvedenom kWh el. energije.
6.2
Qdov
PGb
Sl. 6.1 - Toplotna šema gasnog bloka otvorenog toka i h,s-dijagram procesa
6.3
Sl. 6.2 - Gasna turbina snage 60 MW
6.4
6.5 Kombinovano postrojenje gasne i parne turbine
Kod kombinovanog postrojenja gasne i parne turbine gasovi sa izlaza iz gasne turbine se vode u kotao utilizator KU gde se njihovim hladjenjem proizvodi pregrejana para za proces u klasi čnom parnom postrojenju. Na ovaj način su iskoriš ćene dobre strane gasnog i parnog ciklusa: toplota se dovodi sagorevanjem goriva u grejnoj komori gasnog bloka pri visokim srednjim • temperaturama a odvodi se iz ciklusa u kondenzatoru parnog bloka pri konstantnoj temperaturi (temperatura • kondenzacije) koja je samo malo viša od temperature okoline. Eliminisane su loše strane oba ciklusa: odvodjenje toplote pri visokim srednjim temperaturama kod gasnog ciklusa i • dovodjenje toplote pri niskim srednjim temperaturama kod parnog ciklusa. • Stepen korisnosti kombinovanog postrojenja bruto se definiše kao odnos ukupno dobijenog električne snage na priključcima generatora gasne turbine PGb,GT i generatora parne turbine PGb,PT prema ukupno dovedenoj količini toplote u grejnoj komori u jedinici vremena Qdov: η KPb =
PGb,GT + PGb, PT Q& dov
Odnos snage gasnog bloka prema snazi parnog bloka je po redu veli čine: PGb,GT:PGb, PT=2:1. S obzirom da se elektri čna energija u parnom bloku dobija od otpadne toplote iz gasnog bloka stepen korisnosti kombinovanog postrojenja je oko 1,5 puta ve ći od stepena korisnosti odgovarajućeg gasnog bloka. Kod novih kombinovanih postrojenja danas (2007. god.) dostignut je stepen korisnosti ηKPb=0.58 - 0.61, tako da su ovo toplotne mašine sa apsolutno najvišim stepenom korisnosti.
Qdov
Sl. 6.3 Toplotna šema i T,s- dijagram procesa kombinovanog postrojenja gasne (GT) i parne (PT) turbine
6.5
6.6 Primena gasnih turbina u energetici
U odnosu na konkurentski parni blok gasna turbina ima čitav niz prednosti: jednostavnije postrojenje sa daleko manjim brojem kompon enata. • jeftinije I brže se gradi • visoka pouzdanost rada, • lako i ekonomično održavanje. • brzo startovanje, • ostvaruje se veoma visok stepen automatizacije, • nije potrebna voda za hladjenje, • odlične osobine u pogledu emisije zbog čega se postrojenja sa gasnim turbinama mogu • graditi i neposredno uz potroša če električne energije, pa i u centrima velikih gradova. veliki raspon snaga: od mikro gasnih turbina snage od nekoliko desetina kW do velikih • gasnih turbina snage do 300MW. Na ovaj na čin se svaki specifi čni zahtev može zadovoljiti na najbolji način. Pored čitavog niza prednosti gasna turbina ima i jedan veliki nedostatak: gorivo mora biti kvalitetno i skupo te čno ili gasovito, pošto produkti sagorevanja struje kroz • turbinu, primena uglja je isključena. Zbog ovoga parna turbina i dalje igra veliku ulogu u energetici.
Sl. 6.4 - Pregled primenjenih energetskih tehnologija u periodu 1997-2006. u svetu Sa slike 6.4 se vidi da je gasna turbina primenjena u 42 % energetska kpaciteta izgra đenih u periodu 1997-2006. god. u svetu što pokazuje da je gasna turbina igra veoma važnu ulogu u energetici. 6.7 Primena gasnih turbina u industrijskoj i komunalnoj energetici
Veoma značajna i velika za kombinovanu proizvodnju elektri čne I toplotne energije. Gasovi sa izlaza iz gasne turbine se koriste za zagrevanje tople vode za daljinsko grejanje ili za proizvodnju tehnološke pare za industrijski proces. Na ovaj na čin se moše postići stepen korisnosti i preko 80 %.
6.6
Гориво
Електрична енергија
Грејна комора р о с е р п м о К
Гасна турбина Генератор Топлота за процес
Свеж ваздух
Издувни гасови
Sl. 6.5 - Primena gasne turbine za kombinovanu proizvodnju elektri čne i toplotne energije 6.8 Primena gasnih turbina za pogon aviona
Pogon aviona predstavlja vrlo važnu oblast primene gasnih turbina. Ovde su gasne turbine neprikosnovene, potisnuvši skoro potpuno konkurentske pogonske mašine. Motor SUS se održao samo još za pogon malih sportskih aviona. Zbog zna čaja ove primene a naročito zbog njenog vojnog aspekta, danas se ulažu velika sredstva u razvoj gasnih turbina. Zahtevi koji se postavljaju pred motor za pogon aviona a koje gasna turbina ispunjava na najbolji način su: • • • •
pouzdanost rada, mala specifična težina mašine, ekonomičnost u potrošnji goriva, ekonomičnost u održavanju.
Kod turbomlaznih motora gasna turbina služi kao generator mlaza velike brzine. Sila potiska ili propulzije se dobija na bazi promene (pove ćanju) količine kretanja vazduha koji usisa:
6.7
Sl. 6.6 – Princip rada avionske gasne turbine 6.9 Primena za pogon vozila
U prošlosti bilo više uglavnom neuspelih pokušaja. I pored svih dobrih strana gasna turbina, pri sadašnjem stanju razvoja, ima veću potrošnju goriva nego motor SUS što je razlog neuspeha. Ipak i danas se primenjuje, uglavnom u SAD, kod nekih teških kamiona i za pogon nekih tenkova. Kod automobila se gasna turbina primenjuje za turbopunjenje.
Sl. 6.7 Šema turbopunjenog motora SUS I presek turbopunjača 6.10 Druge primene gasnih turbina
Gasna turbina se primenjuje i za pogon brodova i vozova ali u manjoj meri od drugih pogonskih mašina (motora SUS I elektromotora)
6.8
Увод у енергетику
Проф. др Бранислав М . Савић Катедра за термоенергетику , каб . 132
ТЕРМОЕЛЕКТРАНА Термоелектрана је термоенергетски објекат за производњу електричне енергије на бази фосилног горива. ОСНОВНИ РАДНИ ЦИКЛУС За добијање механичког рада из топлоте по I и II Закону термодинамике, поред погонске машине за трансформацију топлоте радног флуида у механички рад, мора постојати уређај који има функцију извора топлоте, у којем се енергија горива путем његовог сагоревања претворена у топлоту предаје радном флуиду, али и понор топлоте у који се топлота радног флуида која није могла бити претворена у механички рад у погонској машини одводи и предаје околини. Такође, мора да постоји уређај који ће обезбедити потребно подизање притиска у циклусу, с обзиром да се трансформација топлоте у механички рад у погонској машини одвија уз пад притиска и температуре радног флуида. Основни радни циклус, који се користи у термоелектранама, је везан за воду као радно тело и за њено агрегатно стање водену пару, и односи се на њихова физичка, односно термодинамичка својства, а познат је као Клаузијус-Ранкинов циклус. На сл. 1 је приказан овај циклус у Т-ѕ дијаграму. У оквиру овог радног циклуса као погонска машина се користи парна турбина у којој се трансформише топлотна енергија паре у механички рад. Процес се одвија као изентропски од стања 1 до стања 2, ако се разматра као идеалан без губитака у парној турбини. Пошто се овај процес у парној турбини одвија са великим повећањем запремине паре, и због тога неопходним повећањем проточног пресека турбине, то се он назива и процесом експанзије паре у турбини. Уређај са функцијом извора топлоте је парни котао који треба да обезбеди потребно стање паре на улазу у парну турбину. У њему се одвија процес загревања воде од стања 4 до стања 5, испаравање воде од стања 5 до стања 6, које одговара сувозасићеној пари, и прегревања паре од стања 6 до стања 1, које одговара задатом стању прегрејане паре на улазу у турбину. Цео процес довођења топлоте у парном котлу се одвија као изобарски процес у идеалном случају, односно са извесним губицима притиска у реалности. Отпадна топлота радног флуида која није могла бити претворена у механички рад предаје се околини преко хладњака, односно кондензатора у коме се врши кондензација издувне паре из парне турбине. Услови предаје отпадне топлоте кондензације су у великој мери одређени условима околине – топлотни понор. Одвођење топлоте кондензације се одвија од стања 2 до стања 3 при константном
1
притиску кондензације паре, односно константној температури кондензације, пошто се изобаре и изотерме поклапају у области влажне паре. Напојна пумпа служи за подизање притиска у кружном циклусу до нивоа који треба да обезбеди потребан притисак паре на улазу у парну турбину. У идеалном случају, ако се процес разматра без губитака у напојној пумпи, стање се мења од стања 3 до стања 4 у изентропском процесу компресије.
ОСНОВНИ ПАРАМЕТРИ РАДНОГ ЦИКЛУСА И СТЕПЕН КОРИСНОСТИ САВРЕМЕНИХ ПАРНИХ БЛОКОБА ТЕРМОЕЛЕКТРАНА Парна турбина, у склопу Клаузијус-Ранкиновог циклуса, има водеће место у производњи електричне енергије у термоелектранама због особина да се њеном применом може добити на најсигурнији и данас најекономичнији начин велика количина енергије, а да се при томе могу користити све врсте горива, па и најлошија. Савремени развој парних турбина (базиран на развоју нових материјала, успешном решавању струјних и конструктивних проблема и проблема напрезања) омогућио је са применом високих параметара паре на улазу у турбину у термоелектранама (притисци паре 18 до 20 МPa, па и надкритичних о о вредности изнад 23.5 МPa, а температуре паре 540 до 560 С, па и 600 до 620 С са применом специјалних челика), и са притиском на излазу из турбине у области високог вакуума у термоелектранама (око 0.05 bar или 5 кРа, коме одговара температура кондензације паре о око 30 С), извођење јединичних капацитета парних турбоагрегата (турбоагрегат=парна турбина+генератор) и преко 1000 МW. Поред високих параметара на улазу у турбину и ниског притиска на излазу примењују се и додатна термодинамичка побољшања циклуса везана за регенеративно загревање главног кондензата и напојне воде и догревање паре после делимичне њене експанзије у турбини. Но и поред примењених могућих побољшања парног циклуса код савремених парних блокова (високи параметри на улазу, висок вакуум на излазу – низак притисак кондензације, регенеративно загревање напојне воде и догревање паре) може се остварити максималан степен корисности термодинамичког циклуса нешто изнад 50%. Међутим, пошто се реални процеси у свим уређајима одигравају са губицима, то максимални степен корисности трансформације примарне енергије горива у електричну енергију износи 43 до 46% за најусавршенија постројења са данас реализованом највишом температуром паре на о улазу у турбину од 600 до 620 С. При томе је за стандардне ниже параметре мањи и износи око и испод 40%. Остатак од 60% представља губитак у односу на укупно доведену енергију горивом. Највећи губитак је у отпадној топлоти кондензације око 45%, и поред високог вакуума на излазу из турбине и према томе максималног искоришћења радне способности паре у парној турбини за добијање механичког рада. Преостали губици се највећим делом односе на губитке у парном котлу. За услове коришћења лигнита, као мање квалитетног горива у нашој земљи, губици у парном котлу су нешто већи у односу на услове за квалитетније угљеве и износе приближно 15%.
2
МЕСТО И УЛОГА ТЕРМОЕЛЕКТРАНА У ОКВИРУ НАШЕГ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТСКОГ СИСТЕМА Сходно расположивим резервама фосилних горива у многим државама производња електричне енергије у оквиру термоелектрана чини базу електроенергетског система. Таква је ситуација и у нашој земљи где термоелектране чине базу српског електроенергетског система са око 70% инсталисаног и производног капацитета. С обзиром на преовлађујућу распрострањеност лигнита у нашој земљи, који спада у категорију млађих угљева слабије топлотне моћи, он се превасходно користи у термоелектранама. Његове резерве су везане за колубарски, костолачки и косовски басен у чијој околини су и концентрисани највећи капацитети термоелектрана. То су термоелектрана «Никола Тесла А» укупног капацитета 1560 МW, термоелектрана «Никола Тесла Б» укупног капацитета 1260МW, термоелектрана «Колубара А» укупног капацитета 250 МW у склопу колубарског угљоносног басена. У оквиру овог басена планирана је изградња још једне термоелектране «Колубара Б». У оквиру костолачког басена налазе се термоелектрана «Костолац А» укупног капацитета 310 МW и термоелектрана «Костолац Б» укупног капацитета око 700 МW. У склопу косовског басена налазе се термоелектрана «Косово А» укупног капацитета око 1000 МW и термоелектрана «Косово Б» укупног капацитета 620 МW. Једино се термоелектрана «Морава» снаге 120 MW не налази су у близини неког угљоносног басена већ у центру потрошње енергије одређеног региона. У оквиру термоелектране «Никола Тесла Б» - сл. 3 изграђени су највећи јединични капацитети - 2 блока снаге по 630 МW – сл. 2.
ТЕХНОЛОШКИ СИСТЕМ ТЕРМОЕЛЕКТРАНЕ Термоелектрана је сложени технолошки систем који обухвата поред главног технолошког система за производњу електричне енергије и одговарајуће помоћне технолошке системе који су неопходни за функционисање главног технолошког система и чине заједно са њим термоенергетски објекат. Главни технолошки систем за производњу електричне енергије укључује све уређаје који учествују у процесу добијања електричне енергије из топлоте у оквиру основног радног циклуса (парни котао, парна турбина као погонска машина, генератор као радна машина за производњу електричне енергије, кондензатор или хладњак за одвођење отпадне топлоте кондензације, регенеративни загрејачи главног кондензата и напојне воде, пумпе, и све њихове цевне везе преко припадајућих цевовода и арматуре). Такође, укључује и посебне цевне везе, арматуру и уређаје који обезбеђују безбедне функције режима стартовања и заустављања парног блока.
3
Помоћни технолошки системи опслужују главни технолошки систем и без њих није могућ рад главног технолошког система. Помоћне технолошке системе чине: систем допреме основног горива, систем припреме основног горива, систем припреме и снабдевања помоћним горивом, систем за довод и припрему ваздуха за сагоревање, систем одвођења гасовитих продуката сагоревања, системи за издвајање штетних материја из гасовитих продуката сагоревања, систем за одвођење и одлагање чврстих продуката сагоревања, систем хемијске припреме радних флуида, циркулациони систем расхладне воде са кондензаторским системом, системи техничких хлађења, системи подмазивања, системи снабдевања неопходним техничким гасовима, електроенергетски систем за повезивање са електричном мрежом, електрични системи напајања различитих потрошача електричне енергије у оквиру термоелектране, систем одржавања, системи контроле и управљања термоелектраном.
Сл. 3. 1.Парни котао; 2. Парна турбина; 3.Генератор; 4. Главни трансформатор; 5. Пумпа главног кондензата; 6. Пречишћавање главног кондензата; 7. Регенеративни загрејачи гл. кондензата; 8. Напојни резервоар са деаератором; 9. Напојна пумпа; 10. Регенеративни загрејачи напојне воде; 11. Довод и припрема основног горива; 12. Довод и припрема ваздуха за сагоревање; 13. Електростатички филтри за издвајање летећег пепела; 14. Димњак; 15. Термокоманда; 16. Складиште угља; 17. Базен хидрауличке мешавине пепела и шљаке са багер пумпама за њихов транспорт до депоније; 18. Депонија пепела; 19. пумпна станица расхладне воде; 20. Бунар за допуњавање губитка воде у процесу; 21. Хемијска припрема воде; 22. Резервоар додатне деми-воде; 23. Резервоар мазута.
На сл. 3 је приказана принципијелна технолошка шема процеса у термоелектрани, у оквиру које се могу сагледати визуелно на наједноставнији начин основни уређаји главног технолошког система за трансформацију топлоте у електричну енергију и делови неких од поменутих помоћних система. Један од најважнијих помоћних система је систем контроле и управљања парним блоком. То је сложен систем који укључује у себи: најшире базиран систем мерења за контролу процеса, систем командовања са блокадама, систем аутоматске регулације и систем
4
сигнализације и заштите. Овај систем омогућује контролу и безбедно вођење процеса уз истовремено одржавање процесних параметара на њиховим предвиђеним задатим вредностима. Он такође обезбеђује заштиту термоенергетског блока од оштећења и штета у случају непредвиђеног прекорачења појединих параметара процеса у акцидентним ситуацијама. Контрола и управљање блоком су централизовани, вођењем постројења парног блока из централне просторије, односно термокоманде. Управљање појединим технолошким целинама је максимално аутоматизовано и сведено је на управљање функционалним групама. Систем снабдевања основним горивом дели се на спољашњи и унутрашњи транспорт. Под спољашњим транспортом се подразумева допрема горива до истоварног места у кругу термоелектране. Систем унутрашњег транспорта је повезан са системом спољашњег транспорта преко истоварних бункера у истоварној станици, одакле се угаљ транспортује тракастим транспортерима преко претоварних станица на депонију угља или у котловске бункере. Систем за снабдевање и припрему основног горива укључује систем за контролисано снабдевање угљем према захтеваној производњи из котловских бункера и преко тракастих дозатора и додавача. Угаљ се шаље у спусне канале ка вентилаторским млиновима где се претходно суши пре млевења, а затим из вентилаторских млинова шаље ка горионицима у котловско ложиште. За потребе стартовања и за подршку ватре, када је температура у ложишту недовољна за самопаљење угљеног праха, користи се систем са мазутом као помоћним горивом. Систем припреме и снабдевања помоћним горивом треба да обезбеди његову непрекидну расположивост, а он обухвата пријемно-грејне уређаје, резервоаре са грејним уређајима, пумпе, загрејаче, филтере, циркулационе мазутне цевоводе и горионике мазуте. Систем довода и припреме ваздуха укључује одговарајуће филтере за свеж ваздух који се узима из околине, вентилаторе свежег ваздуха, загрејаче ваздуха и цевне канале са одговарајућом арматуром за његову примену у примарном и секундарном процесу сагоревања, као и за припрему самог горива пре млевења. Систем димних гасова укључује тракт димних гасова од излаза из котла до улаза у димњак. Вентилатори димних гасова смештени непосредно испред димњака треба да обезбеде одговарајући подпритисак у ложишту котла и потребне губитке притиска на путу у димним каналима и уређајима до улаза у димњак. Систем за одвођење и одлагање чврстих продуката сагоревања, односно пепела и шљаке је веома значајан с обзиром на велику количину пепела присутну у саставу наших лигнита око 20%. Мањи део овог садржаја пепела се издваја испод котловског ложишта у облику шљаке, док се највећи део издваја у облику летећег пепела у отпрашивачима са високом ефикасношћу. Систем за одвођење и одлагање чврстих продуката сагоревања дели се на унутрашњи и спољашњи систем. Унутрашњи систем обухвата механички и хидраулички систем за транспорт шљаке до базена мешавине и пнеуматски и хидраулички систем за транспорт издвојеног летећег пепела у отпрашивачу и левковима димних канала до базена мешавине. Пепео и шљака у хидрауличној мешавини се помоћу тзв. багер пумпи транспортује од базена мешавине до депоније пепела и шљаке у оквиру спољашњег система.
5
Циљ помоћног система за хемијску припрему воде је у обезбеђењу квалитетног радног тела ради спречавања могућег негативног утицаја неодговарајућих карактеристика воде, односно паре, на стање различитих уређаја у оквиру термоенергетског постројења, на њихове радне карактеристике и поузданост, као и на њихов радни век. Термоелектране имају потребу за великом количином воде при чему је највећа количина потребна као расхладна вода за кондензацију издувне паре из парне турбине у кондензатору, затим за потребе различитих техничких хлађења, хидраулички транспорт пепела и шљаке и за надокнаду губитака паре и воде у оквиру главног циклуса. Циркулациони систем расхладне воде обезебеђује потребну расхладну воду за кондензацију издувне паре на излазу из парне турбине у кондензатору и за одвођење овако реализоване отпадне топлоте и њену предају околини. Овај циркулациони систем може бити отворен – «проточно хлађење», када се свежа расхладна вода узима из околине ( река, језеро или море) и загрејана у кондензатору враћа у исти извор одакле је узета. Затворен циркулациони систем се примењује у условима када нема довољно воде која би се могла узети као проточна из водозахвата претходно наведених извора и он је познат још као тзв. систем са «повратним хлађењем». Загрејана расхладна вода са излаза из кондензатора се у оквиру оваквог затвореног система хлади распршивањем у посебним уређајима помоћу околног ваздуха који струји у њима ( расхладни торњеви са природном промајом или расхладне куле са вештачком промајом), а затим се тако охлађена користи поново за одвођење отпадне топлоте кондензације издувне паре из парне турбине. Систем снабдевања уљем и подмазивања је веома важан за нормалан рад турбоагрегата и система регулисања. Поузданост рада овог система је битна, а она се обезбеђује праћењем и испитивањем свих уређаја система: резервоара уља, филтера уља, уљних пумпи и њихових уређаја за аутоматско укључивање, хладњака уља, затим лабораторијским испитивањем квалитета уља, као и праћењем параметара, односно притисака и температура уља. Систем техничких гасова подразумева првенствено систем хлађења генератора водоником, који истовремено за пуњење и пражњење генератора водоником користи и угљендиоксид. Електрични системи напајања различитих потрошача електричне енергије у оквиру термоелектране се реализују са два извора преко трансформаторских јединица блока и са мреже преко трансформатора електране за «ургентне» уређаје приликом стартовања. Систем одржавања обухвата текуће одржавање у току рада, планско одржавање везано за планске ремонте (годишње и главне ремонте на 4 до 5 година), као и ванпланско одржавање према ванредним непредвиђеним ситуацијама које су се десиле у погону.
УТИЦАЈ ТЕРМОЕЛЕКТРАНЕ НА ОКОЛИНУ Термоенергетска постројења имају значајан утицај на стање у њиховој околини, на већој удаљености, па и у глобалним размерама. На сл. 4 су приказани извори штетних утицаја термоелектране у односу на околину.
6
Потенцијални загађивачи који се носе са димним гасовима из парног котла су сумподиоксид, азотни оксиди и фине честице летећег пепела које су прошле отпрашивач. Угљенмоноксид је токсична компонента која се јавља у незнатним количинама као продукт непотпуног сагоревања у парном котлу. Применом савремених технологија везаних за промену услова у процесу сагоревања у самом парном котлу ради смањења стварања азотних оксида, отпрашивача за издвајање честица летећег пепела из димних гасова са веома високим степеном отпрашивања (преко 99,8 %) и система за издвајање сумпорних оксида из димних гасова, могуће је њихову емисију свести на најмању могућу меру безбедну за околину. У новије време се посебна пажња обраћа емисији угљендиоксида који се по количини највише налази у димним гасовима. Он се иначе не убраја у токсичне материје, али по најновијим сазнањима утиче на остваривање феномена «стаклене баште» и глобално загревање, односно на промену климатских услова. Због могућих тежих последица предузета је међународна акција да се у наредном периоду ограничи и смањи емисија угљендиоксида (међународни уговор донесен у Кјоту – Јапан, и други споразуми). Поред емисија штетних материја са димним гасовима који се испуштају преко димњака у околину, летећи пепео се може потенцијално подићи површински помоћу ветра и са депоније пепела и шљаке или у облику угљене прашине са депоније угља. Да би се то спречило активна депонија пепела и шљаке мора бити стално потопљена, док се насута депонија рекултивише насипањем слоја земље и одговарајућим засадима. Спирање штетних материја са депонија и њихов продор кроз пропусне слојеве тла у подземне воде, а одатле евентуално у изворе или речне токове, се спречава извођењем одговарајућих непропусних изолационих слојева при градњи депонија. Термоелектране су велики извор топлоте за околину. Око 45% од укупно доведене горивом се реализује и емитује као отпадна топлота кондензације у околину: испуштањем загрејане расхладне воде у водоток код проточног хлађења или преко загрејаног и засићеног ваздуха испуштеног из расхладног торња или расхладних кула у околину. Са аспекта утицаја на околину код проточног хлађења, врши се посебна анализа утицаја овако велике количине отпадне топлоте на биолошки услове и свет водотока. Око 15 % се додатно реализује испуштањем топлоте са димним гасовима у околину. КОМБИНОВАНА ПРОИЗВОДЊА ЕЛЕКТРИЧНЕ ЕНЕРГИЈЕ И ТОПЛОТЕ Комбинована производња енергије подразумева интегрисану производњу електричне енергије и топлоте потребног квалитета за потрошача топлоте у оквиру једног термоенергетског постројења. За овакву производњу у свету је у широкој употреби нови термин «когенерација» изведен као кованица из две речи енглеског језика за комбиновану производњу (Cogeneration = COmbined GENERATION).
7
Топлотни капацитет, облик и квалитет захтеване топлоте дефинише релевантни потрошач топлоте. За комуналне потребе у урбаним центрима топлота се користи у облику грејне воде за потребе централизованог грејања и у знатно мањој мери у облику потрошне санитарне воде. У индустрији топлота се најчешће користи у облику технолошке паре за потребе индустријских процеса. У пољопривреди топлота се може користити за потребе грејања стакленика или сушења у сушарама. Концепт комбиноване производње енергије у термоенергетским постројењима је заснован на принципу термичке каскаде према захтеваном квалитету потрошача топлотне енергије. На тај начин се може искористити максимално радна способност паре у парној турбини њеним одузимањем из турбине на нивоу потребног квалитета топлоте за потрошача, а смањити отпадна топлота кондензације на рачун одузете количине паре из турбине која се сада користи за потребе задовољења потрошача топлоте. Код парних блокова термоелектрана за производњу електричне енергије само око 40% од унете енергије горивом се трансформише у електричну енергију, а остатак се губи у околину. Највећи губитак је у отпадној топлоти кондензације око 45%. Значајно побољшање укупног степена корисности парних блокова се остварује применом комбиноване производње енергије на рачун смањења губитка енергије у отпадној топлоти кондензације. Зависно од пројектованог капацитета овај губитак се може свести до вредности нула у тзв. противпритисном режиму када се сва пара из турбине користи за потребе потрошача топлоте. На сл. 5 је преко тзв. Сенкијевог дијаграма, графички пријемчиво, представљена трансформација примарне енергије горива у оквиру постројења термоелектране – а, постројења термоелектране-топлане са потенцијално различитим капацитетима производње топлоте и према томе искоришћења отпадне топлоте кондензације – б, и постројења термоелектране-топлане са максимално могућим искоришћењем отпадне топлоте у противпритисном режиму, када се сва пара из турбине на притиску који одговара захтеваном квалитету топлоте за потрошача шаље потрошачу топлоте – ц. Због одузете количине паре на вишем притиску од притиска кондензације са излаза из турбине, у турбини ће сразмерно доћи до умањења произведеног механичког рада, односно у генератору произведене електричне енергије. Међутим, ово умањење је само око 10% – ц у најповољнијем противпритисном режиму када не постоји отпадна топлота кондензације.
8
Укупна ефикасност искоришћења примарне енергије горива у комбинованој производњи може да износи и 80%, па и више у противпритисном режиму. Са друге стране добијена већа ефикасност у комбинованој производњи, на рачун смањења отпадне топлоте кондензације, реализује се у билансу кроз уштеду у гориву у односу на одвојену производњу исте количине електричне енергије у термоелектрани и топлоте у топлани, која може да износи и до 30%. Због тога комбинована производња енергије постаје данас најважнији плански чинилац повећања ефикасности искоришћења примарне енергије у свету. Многе државе су промовисале различите стимулативне мере и извршиле промене у домену правне регулативе за повећање учешћа постројења за комбиновану производњу енергије. Због немогућности транспорта топлоте на већа растојања, комбинована производња енергије је везана за концепт енергетике региона. Са њом може да се на најбољи начин интегрише производња и потрошња енергије уз највећи степен искоришћења примарне енергије горива.
9
УВОД У ЕНЕРГЕТИКУ Кабинет за парне котлове : Лекција 8 8.1.
ДЕФИНИЦИЈЕ
Котларница представља објекат у коме су, поред котловског постројења, смештени и остали уређаји, опрема, арматура и цевни водови неопходни за процес производње и дистрибуције топлотне енергије до потрошача. Котловско постројење представља систем уређаја намењених за претварање хемијске енергије органског (фосилног) горива у топлотну енергију топле воде или водене паре потребних параметара. У новије време се за котловско постројење, због прелаза на велике капацитете и високе параметре паре, појавио назив генератор паре, који се најчешће односи на јединице велике снаге, термоелектране или велике енергане. Котао представља постројење у коме се топлотна енергија, добијена сагоревањем фосилног горива, посредством грејних површина, предаје радном флуиду (води) који се у њему загрева до одрађене температуре. У зависности од вредности температуре воде на излазу из котла постоје топловодни и вреловодни котлови. Ови котлови представљају специјалан случај парног котла и користе се за производњу топлотне енергије за грејање. Парни котао представља уређај у коме се топлотна енергија, добијена сагоревањем фосилног горива, посредством грејних површина предаје води која се у њему, на притиску вишем од атмосферског, загрева и испарава и чија се пара прегрева до одрађене температуре. Са термодинамичке тачке гледишта парни котао, односно његове грејне површине, представља размењивач топлоте. Временом је парни котао постајао све сложенији, како би могао да удовољи сталним настојањима за што ефикаснијом трансформацијом хемијске енергије све шире гаме горива у топлотну енергију и што ефикаснију размену те топлоте са радним флуидом. У том циљу је парни котао опреман све већим бројем уређаја (механизоване решетке, млинови за угаљ, вентилатори за ваздух и димне гасове и тако даље) и помоћних уређаја (бункери, додавачи, дозатори и тако даље), па се тако сложен склоп разних машина и уређаја прикључених уз ложиште и грејне површине парног котла често назива котловским постројењем. Као радни флуид (пријемник топлоте) искључиво се примењује вода, тако да се као финални продукт добија топла вода, сувозасићена или прегрејана пара. Као радни флуид се, осим воде, могу користити и друге материје, као што су течни метали, хемијска једињења и разна термичка уља отпорна на високе температуре. 8.2.
ПОДЕЛА КОТЛОВА
Котлови су по својој концепцији, намени, величини, параметрима и низу других карактеристика тако различити да се могу класификовати на много начина. Међутим, при данашњем развоју котлоградње и с обзиром на веома велики број типова конструкција, све класификације котлова треба прихватити са одређеном резервом. Са друге стране, класификовање котлова може донекле да олакша праћење развоја котлоградње. Котлови могу да се поделе према намени, запремини воде коју садрже, систему циркулације у испаривачу, хронолошком развоју, конструктивним особинама и тако даље. Једна од могућих подела заснива се на хронолошком развоју, конструктивним и другим особинама. Оваква подела је илустративна, јер указује на смерове развоја котлоградње и ток људске мисли у овим подручјима делатности. Постоје следеће групе котлова:
1. Цилиндрични котлови
(сл. 8.1)
1.1. Котлови без пламене цеви 1.2. Котлови са једном пламеном цеви 1.3. Котлови са две пламене цеви 1.4. Котлови са димним цевима 1.5. Комбиновани котлови: котлови са пламеним и димним цевима ( локомобилски котлови ), локомотивски котлови , шкотски и стимблок (steambloc) котлови
Слика 8.1. Цилиндрични парни котао 2. Котлови
са водогрејним цевима (сл. 8.2)
2.1. Коморни котлови 2.2. Секционални котлови 2.3. Стрмоцевни котлови: котлови са више добоша , котлови са три , два и са једним добошем
Слика 8.2. Парни котао са водогрејним цевима ( D = 22,2 kg/s, p = 46 bar, t = 450 oC) 2
3.
Специјални котлови
3.1. Котлови са посредним испаравањем 3.2. Котлови са гасним трактом под притиском 3.3. Котлови утилизатори (сл. 8.3)
Слика 8.3. Котао утилизатор 8.2.1.
Подела котлова према намени
Према намени, котлови се могу поделити на четири основне групе и то су енергетски, индустријски, топлификациони котлови и котлови утилизатори. Енергетски котлови су један од посредника у претварању хемијске енергије фосилног горива у електричну енергију (сл. 8.4). Они су највећи по јединичној снази, односно капацитету (продукцији паре), а по укупној инсталисаној снази надмашују укупну снагу свих осталих котлова. У енергетске котлове спадају и они који производе пару у постројењима за комбиновану производњу електричне и топлотне енергије, такозваним термоелектранама-топланама. Индустријски котлови служе за снабдевање разних технолошких процеса паром, а често и за производњу електричне енергије посредством турбина са противпритиском или кондензационих турбина са регулисаним одузимањем паре (сл. 8.2). Постројења за производњу електричне енергије и технолошке паре за потребе индустрије називају се индустријске енергане. Топлификациони котлови служе за производњу паре или загрејане воде у циљу грејања и производње санитарне топле воде за стамбене зграде, блокове или читава насеља, у постројењима која се називају топлане (сл. 8.5а; 8.5б). С обзиром на малу енергетску искоришћеност примарне енергије, оваква постројења треба сматрати привременим решењима која треба што пре заменити термоелектранама-топланама. Котлови утилизатори намењени су за коришћење отпадне топлотне енергије, то јест, потпуно или делимично сагорелих продуката сагоревања из процеса у индустрији, петрохемији, црној и обојеној металургији (сл. 8.3) и тако даље. Познати су котлови који се постављају иза Сименс Мартинових пећи и конвертора у железарама, иза пећи за пржење пирита и цинкове руде и други. С обзиром да је расположива количина отпадне топлоте временски неуједначена, котлови утилизатори се понекад снабдевају и сопственим ложиштим, како би могли да задовоље константне потребе за паром (сл. 8.6). Осим индустријских, постоје и бродски котлови утилизатори који повећавају степен корисности машинског комплекса брода, коришћењем отпадне топлоте издувних гасова главног бродског мотора. 3
Слика 8.4. Енергетски парни котао ( P = 300 MW, D = 254 kg/s, p = 172 bar, t = 540 oC)
Слика 8.5а. Топлификациони котао - топловодни
Слика 8.5б. Топлификациони котао - вреловодни 4
Слика 8.6. Котао утилизатор са додатним ложиштем
Специјалан горионик
8.2.2. Подела котлова по воденој запремини
Према запремини воде коју садрже по јединици капацитета или грејне површине котлови се могу поделити на две велике групе: котлове са великом и котлове са малом воденом запремином. Групи котлова са великом воденом запремином припадају, пре свега, топловодни и парни цилиндрични котлови са пламеном и димним цевима, такозвани стимблок (steambloc) котао. Њихова основна одлика је велика топлотна акумулациона способност, која омогућује брзо прилагођавање капацитета котла потрошњи (сл. 8.7а; 8,7б). K отловима са малом воденом запремином припадају оне конструкције парних котлова код којих мешавина паре и воде струји кроз цевне системе различитих конструкција. Овакви котлови имају малу акумулациону способност, па се теже прилагођавају наглим и већим променама капацитета (сл. 8.2; 8.4).
Слика 8.7а. Цртеж котла са великом воденом запремином
Слика 8.7б. Слика котла са великом воденом запремином 5
8.3. УРЕЂАЈИ И ЛОЖИШТА ЗА САГОРЕВАЊЕ ГОРИВА
Задатак уређаја за сагоревање је да омогуће претварање хемијске енергије горива у топлотну енергију продуката сагоревања. Они представљају саставни део ложишта и утичу на његову концепцију, тако да се у извесним случајевима не може одредити јасна граница између њих. Без обзира на многобројне конструкције уређаја за сагоревање и ложишта које су развијене у складу са применом разноврсних горива у котловима различитих капацитета, они морају да обезбеде: што потпуније сагоревање горива, што мање прљање ложишта и грејних површина котла, велику сигурност при раду, могућност лаког и једноставног опслуживања и брзог регулисања оптерећења. Најважнији, а уједно и најтеже остварљив, је први захтев за што потпунијим сагоревањем горива. Он се најлакше може спровести код уређаја за сагоревање гасовитог, а донекле и течног горива. При сагоревању чврстог горива, без обзира што први захтев остаје најважнији, сваки од осталих захтева може да има пресудну улогу. 8.3.1. Горива
Гориво је материја која на повишеној температури при спајању са кисеоником ослобађа одређеном брзином енергију молекуларне везе у виду топлотне енергије која се размењује са околином. Ова хемијска реакција назива се сагоревањем и обично је праћена пламеном. Да би се нека материја користила као гориво постављају се и следећи услови: да се у природи налази у великим количинама, да је јефтина, да је погодна за транспорт и складиштење, да се пали на релативно ниској температури и да сагорева у присуству кисеоника из ваздуха а да су гасовити продукти и чврсти остаци сагоревања нешкодљиви. Основни извор за производњу топлоте представљају органска горива природног порекла или такозвана фосилна горива, а после Другог светског рата појавило се и нуклеарно гориво. Према агрегатном стању, горива се деле на чврста, течна и гасовита, а по постанку могу да буду природна и вештачка. Природна чврста горива су дрво, тресет, угаљ и уљни шкриљци, као и разни остаци из индустрије и сеоских домаћинстава (семенке сунцокрета, пиљевина и ивер, слама и слично) за које је у новије време одомаћен израз биомаса. Поред тога, као гориво може да се користи и градско смеће. У вештачка чврста горива убрајају се продукти процеса оплемењивања угљева, као што су кокс, полукокс, брикети и тако даље. Једино природно течно гориво је нафта, док се разни деривати дестилације нафте (мазут, дизел гориво, бензин) сматрају вештачким течним горивима. Исто тако, у вештачка течна горива се могу убројити и продукти дестилације угља или дрвета (катран), као и разне материје које настају у неким индустријским процесима, као што су, на пример, сулфатни и сулфитни луг у процесу прераде целулозе. Природно гасовито гориво је земни или природни гас док се вештачким гасовитим горивима могу сматрати светлећи гас, коксни гас, гас високих пећи и тако даље. 8.3.2. Уређаји и ложишта за сагоревање чврстог , течног и гасовитог горива Према врсти коришћеног горива постоје уређаји за сагоревање чврстог, течног и гасовитог горива. Коришћење течног и гасовитог горива за сагоревање у парним котловима није препо ручљиво, како са гледишта националне економије, тако и због могућности њихове економичније примене изван енергетике. Поред тога, течно гориво и природни гас су непромењеног квалитета, па пројектовање парних котлова за њих више не представља технички проблем. 8.3.2.1. Чврста горива
6
Чврста горива се драстично разликују по саставу и квалитету, тако да је за њихово сагоревање развијено више система код којих су примењени различити уређаји. Системи сагоревања чврстих горива су: систем сагоревања у слоју, систем сагоревања у лету, систем сагоревања у вртлогу и систем сагоревања у лебдећем (флуидизованом) слоју. Уређаји за сагоревање чврстог горива у слоју Систем сагоревања у слоју састоји се у томе што се на уређају одређене конструкције, који се назива решетка, формира слој горива у коме се стварају такви услови да оно може несметано и економично да сагорева (сл. 8.8). Сагоревање чврстог горива у слоју је најстарији начин сагоревања, тако да постоји велики број конструкција решетки и начина њихових подела. Решетке за сагоревање чврстог горива у слоју, поред осталог, могу се поделити према конструкцији на две основне групе: равне и косе. Равне решетке могу бити непокретне и покретне, такозване ланчане решетке у облику бескрајне траке (сл. 8.9). Непокретне решетке се могу ложити ручно или механизовано. Механизовано ложење се примењује и код покретних решетки. Уређаји за механизовано ложење се називају убацивачи, који могу да буду: механички, пнеуматски или комбиновани – пнеумомеханички.
Слика 8.8. Котлови са уређајима за сагоревање чврстог горива у слоју – равне решетке ( D = 0,556 kg/s, p = 14 bar, t = 195,04 oC) ( D = 6,95 kg/s, p = 16 bar, t = 350 oC)
Слика 8.9. Уређаји за сагоревање чврстог горива у слоју – равна непокретна и покретна решетка 7
Косе решетке се такође деле на непокретне и покретне, које се још називају и механичке решетке. Механичке косе решетке се деле на: степенасте (сл. 8.10), каскадне и Мартинове (сл. 8.11; 8.12).
Слика 8.10. Уређај за сагоревање чврстог горива у слоју – коса покретна решетка
Слика 8.11. Уређај за сагоревање чврстог горива у слоју – коса покретна Мартинова решетка
Слика 8.12. Котао са уређајем за сагоревање чврстог горива у слоју – коса решетка и додатним сагоревањем гасовитог горива помоћу два горионика 8
Уређаји за сагоревање чврстог горива у лету Сагоревање чврстих горива у слоју може да се оствари само до извесног топлотног капацитета, који се не може прецизно дефинисати, јер зависи од низа чинилаца. Међутим, максималне димензије решетки су ограничене процесом сагоревања и топлотним капацитетом котла, као и погонским и маневарским карактеристикама котла и конструктивним тешкоћама које се јављају при конципирању великих решетки. Потребе за већим топлотним капацитетима парних котлова, нарочито оних који се користе у термоелектранама, довела је до развоја процеса сагоревања угља, односно угљеног праха, у лету који у односу на сагоревање у слоју имају низ предности, али и недостатака. Међутим, с обзиром да се са другим системима сагоревања не могу постизати велики капацитети котлова, онда недостаци овог система сагоревања то практично и нису. Постројење за припрему угљеног праха за сагоревање у лету састоји се од уређаја за складиштење и транспорт угља, рециркулационих водова, млинова у којима се врши спрашивање и сушење угља, сепаратора угљеног праха, канала за аеросмешу и горионика који треба да омогуће брзо паљење угљеног праха у ложишту и да обезбеде стабилност пламена (сл. 8.13).
Слика 8.13. Уређај за сагоревање чврстог горива у лету
Вентилаторски млин са сепаратором
Подела постројења за припрему угљеног праха везана је за његове основне елементе – млинове и горионике. Млинови се као ротационе машине деле, према броју обртаја, на спороходе, средњеходе и брзоходе (сл. 8.14). Горионици у конструктивном смислу представљају једноставне елементе млинског постројења, али је њихов значај пресудан за остваривање стабилног и што потпунијег сагоревања (сл. 8.15; 8.16). Уређаји за сагоревање чврстог горива у вртлогу и у лебдећем ( флуидизованом ) слоју. Систем сагоревања у вртлогу са такозваним циклонским ложиштима примењује се за саго ревање квалитетних угљева у котловима великог капацитета. Пошто у нашој земљи нема тако значајних резерви угља оваквог квалитета, систем сагоревања у вртлогу са такозваним циклонским ложиштима користе се код котлова већег капацитета за сагоревање сунцокретове љуске (биомасе). 9
Слика 8.14. Слика 8.14. Макета вентилаторског млина
Слика 8.15. Слика 8.15. Млазни горионик и фотографија ложишта са млазним горионицима
10
Слика 8.16. Слика 8.16. Тангенцијално ложење млазним горионицима Систем за сагоревање у флуидизованом слоју представља на известан начин прелазни процес имеђу сагоревања у слоју и сагоревања у лету. лету. Овај систем сагоревања се у последње време интензивно развија интензивно развија због тога што омогућава смањење емисије штетних материја у атмосферу, атмосферу, у првом реду првом реду сумпордиоксида и азотних оксида. оксида. У досадашњем развоју ложишта за сагоревање у флуидизованом слоју настао је већи број конструкција које се могу свести на: на: ложишта за сагоревање у мехурастом флуидизованом слоју и ложишта за сагоревање у циркулационом флуидизованом слоју. слоју. 8.3.2.2.
Течна и гасовита горива гасовита горива
Као што је већ речено, речено, течно гориво и природни гас су непромењеног квалитета, квалитета, па пројекпројектовање ложишта и котлова за њихово сагоревање не представља технички проблем. проблем. СагоСаго ревање ових горива се обавља у лету. лету. Течно гориво се распршчује у уређају, уређају, који се назива горионик, горионик, у велики број малих капи које сагоревају кроз више фаза, фаза, које се међусобно преклапају, преклапају, због чега је чега је процес сагоревања овог горива хетероген. хетероген. Подела горионика по механизму распршавања може се извршити на гориогорионике са гасним и горионике са механичким распршивањем. распршивањем. Гасно распршивање горива се обавља ваздухом под притиским, притиским, па се ови горионици често називају и притисним ( притисним (сл сл.. 8.17).
Слика 8.17. Слика 8.17. Горионици за течно гориво Процес сагоревања гасовитих горива је горива је хомоген и одвија се у запаљивој смеши гаса и ваздуха (кисеоника из ваздуха). ваздуха). Организује се на два начина: начина: мешањем гаса и ваздуха у горионику 11
УВОД У ЕНЕРГЕТИКУ Кабинет за Расхладне уређаје: уређаје: Лекција 9 Лекција 9
1.1 ЗАДАТАК МАШИНА ЗА ХЛАЂЕЊЕ; ХЛАЂЕЊЕ; ПРИРОДНО И ВЕШТАЧКО ХЛАЂЕЊЕ
Задатак машина за хлађење јесте да охладе извесна тела или предмете до температуре ниже од температуре околине и да их на тој температури одржавају. одржавају. Хлађењем се назива процес при коме се од неког тела ( хлађени објекат) објекат) одводи топлота и предаје неком другом телу (топлотни понор). понор). Ако се при томе хлађеном објекту не доводи 1 технички рад, рад, његова енталпија ће опадати, опадати, а када нема ни промене фазе опадаће и његова температура. температура. Топлота одведена од хлађеног тела назива се топлотом хлађења (Ј или кЈ), кЈ), а одведена топлота хлађења у јединици времена назива се расхладним се расхладним учинком учинком (W (W или кW). Пошто се трајно хлађење може обезбедити једино понором бесконачног топлотног капацитета, капацитета, најпре ће бити размотрен случај када је околина топлотни понор. понор. Ако је температура t h хлађеног објекта виша од температуре t ok околине процес се може одвијати спонтано (сам од себе), себе), тј. тј. без утрошка рада и без икаквих промена на телима ван система хлађени објекат објекат - околина ( околина (топлотни топлотни понор). понор). Такво хлађење назива се природним хлађењем; хлађењем; како се оно одвија само од себе, себе, оно се једино може убрзавати (интензивирањем размене топлоте) топлоте) или успоравати (нпр. нпр. постављањем топлотне изолације између хлађеног објекта и топлотног понора). понора). Међутим, Међутим, када је t h < t ok , из искуства је познато да хлађење не може бити спонтано, спонтано, тј. тј. не 2 може се одвијати само од себе , већ се мора укључити у неки погодан компензациони процес. процес. Када компензациони процес обавља нека радна материја, материја, прелаз топлоте са извора ниже на понор више температуре се може трајно (непрекидно) непрекидно) одвијати једино ако се та радна материја периодички враћа у почетно стање, стање, тј. тј. ако машина обавља кружни компензациони процес . Компензациони процес је најчешће неки од класичних левокретних кружних процеса (левокретних циклуса) циклуса) са утрошком механичког рада. рада. По таквим циклусима раде тзв. тзв. врсти радне материје могу бити гасне (када радна када радна материја компресорске машине компресорске машине; оне према врсти радне током кружног процеса не мења агрегатно стање) стање) или парне компресорске машине (чији се циклус највећим делом одвија у подручју влажне паре). паре). Ако се у компензационом процесу користи топлота, топлота, расхладна машина ради по неком комбинованом ( интегрисаном интегрисаном ) циклусу, циклусу, који у ствари представља спрегу деснокретног и левокретног циклуса. циклуса. По комбинованим сорпционе машине циклусима раде циклусима раде ејекторске и сорпционе машине Као компензациони процес се може искористити и отворени процес код кога се смањење ентропије хлађеног објекта услед одвођења топлоте у потпуности компензује порастом ентропије услед трајне промене физичког стања и/или хемијске структуре неке материје ( материје (тзв тзв.. расхладне смесе). смесе). Пошто је за одвијање отвореног процеса потребно потрошити одређене количине такве расхладне материје, материје, отворени процеси се још називају и потрошним процесима. процесима. Разматрања слична претходним се могу спровести и када неком телу ( телу (грејани грејани објекат) објекат) треба доводити топлоту из неког извора топлоте. топлоте. Ако је температура извора виша од температуре 1 2
Ако не настаје кондензација, кондензација, односно десублимација или очвршћавање ( очвршћавање ( залеђивање залеђивање). ). Ова искуствена спознаја представља један представља један од исказа II исказа II закона закона Термодинамике. Термодинамике. 1
грејаног објекта, процес грејања се одвија спонтано, тј. сам од себе; такво је нпр. традиционално грејање када су топлотни извор продукти сагоревања фосилних горива или биомасе. Међутим, ако се за грејање жели користити термодинамички безвредна топлота из околине, при чему је температура грејаног објекта виша од температуре околине, у такво грејање се мора укључити у неки погодан компензациони процес (нпр. левокретни) са утрошком рада. Уређаји помоћу којих се то остварује називају се топлотним пумпама. Дакле, све топлотне машине које раде по неком левокретном циклусу одводе топлоту ( расхладни учинак Φ H ) од извора ниже температуре ( T H ) и предају топлоту (грејни учинак ΦG
) понору више температуре ( T G
> T H ).
Ако је при томе понор околина ( T G = T ok ), њој се предаје термодинамички безвредна топлота, па по расхладном учинку Φ H , који је једино користан, машина се назива расхладном машином, а извор хлађеним објектом. Аналогно томе, ако је извор околина ( T H = T ok ), од ње се узима термодинамички безвредна топлота, користан је грејни учинак Φ G и машина се по њему назива топлотном пумпом, а понор грејаним објектом.
9.2.
ФИЗИЧКЕ ОСНОВЕ ХЛАЂЕЊА
Одвођење топлоте од хлађеног објекта могуће је само његовим довођењем у термички контакт са неком радном материјом ниже температуре. Најважнији процеси који су нашли значајнију примену за постизање ниских температура у пракси су: Експанзија гасова и пара ( са одвођењем рада ). Највеће снижавање температуре при експанзији од датог почетног до датог крајњег притиска се постиже у случају када је та експанзија адијабатска и квазистатичка ( тј . изентропска ). Експанзија без одвођења рада ( адијабатско пригушивање ); Термоелектрични ефекат ( пропуштањем електричне струје кроз спој два различита проводника у погодном смеру може се постићи хлађенје тог споја ); Ефекат растварања ( расхладне смеше ) ( при адијабатском мешању две материје , температура раствора може бити и знатно нижа од почетне температуре компонената ). 9.3.
ЛЕВОКРЕТНИ ПРОЦЕСИ СА УТРОШКОМ РАДА
Левокретни циклуси са утрошком рада су компензациони процеси који омогућавају трајно пребацивање топлоте из извора ниже у понор више температуре. Када су и извор и понор бесконачних топлотних капацитета, промене стања извора и понора су изотермске. Повратан циклус у том случају може бити левокретни циклус Carnot који сачињавају две изентропе и две изотерме. Процесе изотермског довођења односно одвођења топлоте левокретног циклуса Carnot је релативно лако остварити када се ради о влажној пари једнокомпонентне радне материје. Тада се ти процеси поклапају са изобарским процесима испаравања, односно кондензације. Шема парне компресорске машине која ради по левокретном циклусу Carnot и циклус у T − s дијаграму приказани су на сл. 1.а и сл. 1.б; машина се састоји од компресора (процес 1-2), кондензатора (процес 2-3), експанзионе машине (процес 3-4) и испаривача (процес 4-1).
2
T
K
KD
p
2
T
3
2
3
KP
D
p
M
T 0
0
4 s
1
0' 4 s'
1'
x
= 1
0 =
4
0
x
1 a)
s
b)
Сл. 1. Парна компресорска машина која ради по циклусу Carnot : а) шема (КП - компресор; КД - кондензатор; Д – детандер (експанзиона машина) ; Р - испаривач); б) Т -с дијаграм По дефиницији, коефицијент хлађења расхладног циклуса је ε
=
q0 w
=
q0 wc
−
wd
=
q0 q − q0
и представља топлоту хлађења (одведену од хлађеног објекта) по јединици утрошеног рада. Иако нема проблема при изотермској размени топлоте циклус Carnot са влажном паром није погодан за практичну примену јер има техничких проблема при сабијању и експанзији. Зато се циклус технички поједностављује на следећи начин: 1) детандер се замењује неупоредиво јевтинијм пригушним вентилом, тј. изентропска експанзија се замењује адијабатским пригушивањем (сл. 2); пошто је то изенталпски процес (h=const ) биће h3 = h4 > h4 s ; 2) да би се избегли проблеми услед усисавања влажне паре уводи се тзв. суво усисавање; тј. компресор усисава сувозасићену пару стања 1 ( сл. 2.б), која, након изентропског сабијања, у кондензатор улази као прегрејана пара стања 2, кондензује се и у пригушни вентил улази као кључала течност стања 3; после адијабатског пригушивања из пригушног вентила излази влажна пара стања 4.
KD T
2
K
p
KP
3
2 M
PV
1
4
R
T 0 0 =
x
a)
p
∆w s
4
1v q0 p
0
1 x
= 1
∆q 0 s
1v'
0' 3' 4'
0
2"
wcp
0 S
T
3
1'
s
b)
Сл. 2. Парна компресорска машина са пригушним вентилом и сувим усисавањем: а) шема машине (S - сепаратор); б) циклус у „T-s“ дијаграму
3
Описани циклус са пригушивањем и сувим усисавањем при умереним разликама температуре кондензације и испаравања је технички изводљив и често има прихватљив коефицијент хлађења. Стога се он користи и као упоредни циклус са чијим се коефицијентом хлађења упоређују коефицијенти хлађења других модификованих циклуса. Са порастом разлике између температура кондензације и испаравања долазе све више до изражаја основни недостаци упоредног циклуса (пригушивање и размена топлоте при коначним разликама температуре код хлађења прегрејане паре у кондензатору , падови притиска при струјању расхладног флуида. итд ). па се примењују одређене мере у циљу повећања коефицијента хлађења. Оне се могу сврстати у три категорије: ◊ ◊ ◊
9.4.
прехлађивање кондензата; вишестепено пригушивање; вишестепено сабијање са међухлађењем . ПРИМЕНА РАСХЛАДНИХ МАШИНА
Примене вештачког хлађења се разврставају у три групе : за одржавање квалитета материјала , тј . за успоравање непожељних промена , биохемијских структурних карактеристика разних производа , у првом хемијских реду за конзервисање намирница; ◊ за стварање и одржавање карактеристика амбијента , тј . да би се остварила климатизација простора у којима се живи , ради и / или обављају разне производне активности; ◊
◊
када вештачко хлађење представља главни или споредни процес при остваривању неке активности ( производња , истраживање , лечење , спорт итд .).
Сл. 3. Ваздушни хладњак у комори за хлађење и складиштење намирница 4
Сл. 4. Систем климатизације и расхладне витрине за производе у маркетима
Сл. 5. Затворено клизалиште 9.5.
РАСХЛАДНИ ФЛУИДИ
Радна материја која у расхладној машини или топлотној пумпи обавља левокретни циклус назива се примарни расхладни флуид, или, краће, расхладни флуид. Секундарни расхладни флуид је флуид који одузима топлоту хлађења од хлађеног објекта (извора топлоте) и предаје је (обично испаравајућем) примарном расхладном флуиду. При томе секундарни расхладни флуид кружи као посредник, у затвореном току, између хлађеног објекта и расхладне машине (нпр: раствори разних соли или етилен гликола у води). Увођењем у употребу халогених деривата парафинских угљоводоника (познатих под широко прихваћеним заједничким комерцијалним називом “фреони” ), тридесетих година прошлог века, број расхладних флуида силно се повећао; за фреоне је (најпре у САД) уведен систем 5
троцифрених бројчаних ознака иза заједничке ознаке F (“Freon”); касније, тај систем је међународно прихваћен, прилагођен је за све расхладне флуиде, а ознака F замењена је новом општом ознаком R („refrigerant”). У новије време се понекад у литератури уместо ознаке R користи група од два до четири велика слова која указују на то који су елементи заступљени у молекулу, тј. указује на тзв. Нпр. HC (угљоводоници), халогенизовани CFC (потпуно “тип” једињења. хлорофлуороугљеници), HCFC (делимично халогенизовани хидрохлорофлуороугљеници), FC (потпуно халогенизовани флуороугљеници) и HFC (делимично халогенизовани хидрофлуороугљеници). Овакав систем означавања, поред тога што пружа очигледнију информацију о саставу, има додатног оправдања у случајевима кад се једно те исто једињење користи у различите сврхе (као расхладни флуид, испењивач изолације, растварач, итд.). Неки примери означавања расхладних флуида: - Бројевима од 400 до 499 означавају се разне зеотропске смеше. - Бројевима од 500 до 599 означавају се разне азеотропске смеше. - Бројевима од 600-699 обележавају се по произвољном редоследу разна органска једињења, која се користе или могу да се искористе као расхладни флуиди. Тако нпр. За н-бутан и изобутан користе се ознаке R 600 односно 600а. - Бројевима од 700 па надаље означавају се неоргански расхладни флуиди, тако што се после прве цифре (7) која указује да се ради о неорганском расхладном флуиду додају још две цифре које показују његову релативну молекулску масу. Нпр. амонијак (NH 3) има ознаку R 717, угљендиоксид (CO2) има ознаку R 744 итд. 9.6.
ОСНОВНЕ КОМПОНЕНТЕ РАСХЛАДНИХ МАШИНА
9.6.1. КОМПРЕСОРИ
Компресори су основни елементи оних расхладних машина чији се компензациони процес заснива на утрошку механичког рада. У њима се радна материја ( расхладни флуид) сабија како би се достигли и у неопходној мери премашили: температура понора и притисак који влада у размењивачу топлоте са понором. Расхладни компресори могу да се поделе према принципу рада, величини расхладног учинка, начину херметизације, броју ступњева сабијања, врсти расхладног флуида и тако даље. Према принципу рада компресори могу бити: ◊
Компресори запреминског дејства у којима се усисана пара ( одн . гас ) сабија услед смањивања затворене радне запремине ( тзв . “ ћелије”) у којој се пара налази . Према начину формирања ( одн . облику ) ћелија и кинематским карактеристикама које из тога произилазе , ови компресори се деле на:
- ( класичне ) клипне компресоре са транслаторним кретањем клипова, - ротационе компресоре, код којих се радна запремина формира између ( једног или више) ротора и зидова цилинд(а) ра (кућишта), и - спиралне компресоре, код којих се радне запремине формирају између спрегнутих цилиндричних спиралних површи у захвату, при чему покретна спирала не ротира већ орбитира унутар непокретне спирале. Струјни компресори , код којих је пораст притиска резултат размене енергије при опструјавању лопатица турбомашине ( турбокомпресори ) или при мешању са радном паром која са великом брзином долази из млазника ( парни ејекторски компресори одн . парни ејектори ). Према величини расхладног учинка компресори се деле на мале ( до 10 кW), средње ( од 10 до 50 кW) и велике ( од 50 до 500 кW и више ). ◊
6
9.6.2. КОНДЕНЗАТОРИ
Кондензатори парних компресорских расхладних машина су размењивачи топлоте у којима се расхладни флуид кондензује предајући топлоту средству за хлађење кондензатора. У зависности од конструкције кондензатора и прегрејања паре на улазу, у кондензатору се, осим зоне кондензације засићене паре, (понекад) могу уочити и зоне хлађења и кондензације прегрејане паре, као и зона прехлађивања кондензата. Код уобичајених расхладних инсталација кондензатори се хладе ваздухом и/или водом, при чему се код комбинованог хлађења користи ефекат ветрења (исхлапљивања) воде у ваздух. Кондензатори топлотних пумпи намењених грејању, хладе се најчешће водом или ваздухом, док се код специјалних топлотних пумпи кондензатори хладе оним флуидом чијем је загревању топлотна пумпа намењена. 9.6.3. ИСПАРИВАЧИ
Испаривачи парних расхладних машина су размењивачи топлоте у којима се испаравајућем расхладном флуиду доводи топлота, било непосредно од хлађеног објекта, било посредно - од секундарног расхладног флуида. Због разноврсне примене расхладних уређаја, постоји и велики број разноликих конструкција испаривача. Класификација (подела) испаривача се обично врши према намени (врсти хлађеног објекта), расхладном флуиду и према конструкцији, док су остале класификације најчешће од мањег значаја. Међутим, имајући у виду да намена и расхладни флуид у многоме предодређују конструкцију, те поделе се добрим делом подударају, и зато је најпогоднија општа подела према намени са потподелама према конструкцији и врсти расхладног флуида (где је то сврсисходно):
Испаривачи за хлађење течности: Испаривачи за хлађење течности се најчешће израђују као добошасти испаривачи са цевним снопом унутар добоша, као плочасти испаривачи , или као потопљени базенски испаривачи; постоје још и специјалне конструкције испаривача намењене за хлађење течности преко зида суда у коме се она налази; то су обично испаривачке цевне змије или плаштови око хлађеног суда. Испаривачи за хлађење гасова ( најчешће ваздуха; израђују се од оребрених цеви. R асхладни флуид испарава унутар цеви; оребрење је са стране ваздуха, а ребра су танка и висока, па су коефицијенти оребравања доста велики (обично између 8 и 15). Због велике висине ( реда величине пречника цеви), ребра се најчешће израђују посебно, од лима или лимене траке, па се након тога навлаче односно намотавају на цеви и на погодан начин фиксирају на задатом међусобном растојању; Специјални испаривачи; поред наведених, у пракси се користе и испаривачи специјалне намене: за производњу љуспичастог леда, за брзу производњу леда у калупима (тзв. “rapid-ice” уређаји) итд.
Веома важна подела испаривача је према количини расхладног флуида која им се доводи:
суви , када се у испаривач доводи онолико течности колико у њему може да испари (у ствари, због несавршености регулисања протока, доводи се незнатно мање, тако да из њега излази врло мало прегрејана пара), или преплављени (када им се доводи вишеструко више коефицијент циркулације n (однос количиnе доведене течности расхладnог флуида) бира у зависnости од Циркулација течности кроз преплављеnе испариваче гравитациона.
течности); при томе се према количини испарене врсте хлађеног објекта. може бити пумпна или
7
9.6.4. ПОМОЋНИ АПАРАТИ
За разлику од главnих елемеnата инсталације, у којима се остварују осnовне промене стања које карактеришу циклус расхладnог флуида (nпр. испаравање, сабијање, коnдеnзација…), помоћnи апарати су опциоnални елементи расхладне машине чији је задатак да побољшају њене термодиnамичке (1) и/или експолоатациоnе карактеристике (2). Прву групу помоћnих апарата сачињавају разни размењивачи топлоте (спољашњи и уnутрашњи прехлађивачи кондеnзата, међухладњаци, хладњаци уља и сл.), пригушни сепаратори и/или њихове комбинације које омогућавају модификовање циклуса у циљу повећања учинка и / или коефицијеnта хлађења. Другу групу сачињавају разни помоћни апарати чији је осnовни задатак да спрече nежељеnе режиме рада, ублаже или елимиnишу последице услед nесавршеnости коnструкције и/или поступака моnтаже и тиме омогуће дуготрајан и несметан рад, као и лакше опслуживање (nпр. одвајачи уља, одвајачи ваздуха, филтери, сушачи…). При томе, поједини помоћни апарати из ове групе доприносе и уштеди енергије, зато што, интензивирајући размену топлоте, омогућавају повољnије температурске режиме рада. 9.6.5. ЦЕВОВОДИ
Цевоводи повезују све релеваnтне компоненте у јединствеnу расхладnу инсталацију, односно топлотnу пумпу. При струјању у цевоводима, ексергија расхладnог флуида опада због трења (односно пада притиска) и размене топлоте при коначним разликама температура. Међутим, пад ексергије расхладnог флуида и инвестициоnи трошкови нису једини параметри о којима треба водити рачуна при избору брзине струјања (чиме се у ствари одређује унутрашњи пречник цеви): у nеким случајевима брзина струјања мора бити довољnо велика да обезбеди транспорт течне фазе или уља и тиме спречи њихово нагомилавање у цевоводу, док је у другим ограничеnа допуштеним падом притиска (нпр. у усисним водовима према компресорима). Због тога, при оптимизацији брзине у цевоводима, постоје ограничења у избору брзине која нaмeћу захтеви за несметаним функционисањем инсталације у свим релевантним режимима рада 9.7.
АУТОМАТИКА РАДА РАСХЛАДНИХ ИНСТАЛАЦОЈА
Поуздан, економичан и енергетски ефикасан рад расхладне инсталације подразумева сталан надзор, одржавање релевантних параметара у задатим границама, као и благовремене интервенције у циљу отклањања непогодних радних режима који могу проузроковати опасности по људе, околину, ускладиштене производе и/или саму инсталацију. Без аутоматизације, остваривање тих циљева је неекономично или чак немогуће. 9.7.1. За аутоматизацију рада расхладних инсталација користе се: Уређаји за аутоматски надзор и сигнализацију , бележење релевантних параметара рада машине радног стања инсталације и објекта користи инсталације на којој се лампицама разних боја инсталације .
који служе за мерење , показивање и или хлађеног објекта . За приказивање се се често тзв . синоптичка шема означава погонско стање елемената
Уређаји аутоматске заштите и / или упозоравања , који аутоматски искључују из рада поједине делове или целокупну инсталацију и/или активирају одговарајући звучни и/или светлосни аларм ако неки од релевантних параметара рада изађе из предвиђеног опсега, те може да узрокује оштећење или хаварију машине, опасност по здравље људи или хлађене производе и/или изазове еколошке последице. Као заштитни уређаји се најчешће користе термостати и пресостати; то су термометри, односно манометри, са електричним прекидачем, који аутоматски прекидају рад 8
штићене машине када предметна температура или притисак добију нежељене вредности;
Уређаји за аутоматску регулацију , који служе за одржавање релевантних параметара рада расхладног постројења и хлађеног објекта, најчешће у унапред задатим границама или ( ређе) по унапред задатом програму. У новије време расте тренд примене тзв. оптималних регулатора код којих је задата вредност регулисане величине функција измерених вредности једног или више утицајних параметара и одређује се рачунаром по задатом, претходно унетом програму.
9.7.2. Мерење релевантних параметара Најзначајнији релевантни параметри рада расхладне инсталације су притисци и температуре расхладног флуида или уља, протоци флуида и нивои течности ( расхладног флуида или уља) у судовима; код климатизованих објеката, који се хладе (или греју), најзначајнији су температура и влажност ваздуха, а код осталих објеката температура, проток, притисак и/или ниво течности флуида који се хлади (или греје). За мерење температуре користе се стаклени термометри са течношћу (жива, алкохол или нека друга течност, зависно од температурског подручја), електрични термометри (најчешће отпорнички, термоелектрични термометри (са појединачним или редно везаним термопаровима) или, знатно ређе, биметални или гасни термометри. За мерење притиска користе се најчешће мановакуумметри (са бурдоновом цеви, са пијезоелектричним давачима, или мембрански); Пошто у подручју влажне паре постоји једнозначна веза између температуре и притиска, мановакууметри за расхладни флуид су опремљени и са температурском функционалном скалом која показује равнотежну температуру засићења за измерени притисак. За мерење влажности ваздуха се најчешће користе електрични хигрометри базирани на принципу мерења електропроводности раствора неке хигроскопне соли (најчешће водени раствор LiCl) у равнотежи са ваздухом чија се влажност мери. За мерење влажности користе се и психрометри, као и разне врсте индикатора тачке росе; За мерење протока користе се углавном разни ротаметри, стандардне пригушнице или млазнице као и разни протокомери са обртним колом; у новије време се користе и протокомери који се базирају на Doppler -овом ефекту; За мерење нивоа течности користе се давачи са пловком и капацитивне сонде. 9.7.3. Регулисани параметри и припадајући регулатори Најважнији релевантни параметри од чијег успешног контролисања битно зависи исправан рад машине и/или спрегнутог објекта (грејања и/или хлађења) су: Температура хлађеног објекта; ◊ Проток расхладног флуида кроз суве испариваче ◊ Притисак ( температура ) испаравања ◊ Притисак ( температура ) кондензације ◊ Температура паре на потису компресора ◊ Ниво течности расхладног флуида у преплављеним сепараторима ◊
испаривачима
или
9
9.7.4 Врсте регулатора
У расхладним инсталацијама примењују се, како регулатори директног дејства (без појачивача), код којих се регулишући орган покреће непосредно од стране давача, тако и регулатори посредног дејства, који имају појачавач и код којих регулишући орган ради у серво спрези (за његово покретање се обично користи притисак расхладног флуида испред регулатора) или пак помоћна енергија доведена од споља (електромагнетни, електромоторни, пнеуматски или комбиновани регулатори); при томе регулатори могу бити било континуалног , било позиционог дејства (најчешће двопозициони, тзв. “on-off” регулатори). Потребна тачност регулисања је обично таква да допушта примену статичких регулатора (тзв. П ропорционални, или P регулатори). Астатички регулатори (тзв. Интегрирајући, или, I регулатори), код којих је брзина промене регулишуће величине сразмерна одступању регулисане величине од задате вредности, су у принципу савршенији и тачнији, али су сложенији и скупљи, па се зато знатно ређе примењују. Остали, још сложенији типови регулатора (нпр.: PD, PI и PID), који имају стабилизирајуће направе помоћу којих се скраћују прелазни процеси и смањују динамичка одступања, се, због своје високе цене, само изузетно користе при аутоматизацији расхладних уређаја.
10
УВОД У ЕНЕРГЕТИКУ Кабинет за Расхладне уређаје:
Вежбе В12- В13
Вежбе се састоје у приказивању и тумачењу изабраних карактеристичних примера примене расхладних уређаја и топлотних пумпи. Примери примене: 1) конзервирање намирница ( расхлађивање, замрзавање, складишта за замрзнуте намирнице, прерада и производња намирница, транспорт намирница, комерцијални уређаји за хлађење, уређаји за хлађење у домаћинству); 2) климатизација ваздуха; 3) примена расхладних машина у циљу грејања; 4) стечњавање гасова; 5) хемијска индустрија; 6) нафтна индустрија; 7) медицина; 8) металургија и машиноградња: 9) наука и истраживања.
1.2 PRIRODNO I VEŠTAČKO GREJANJE 1.3 HRONOLOGIJA RAZVOJA TEHNIKE HLAĐENJA Primena veštačkog hlađenja počela je više milenijuma pre Hrista, jer su još od davnina uočeni povoljan uticaj snižavanja temperature na trajnost namirnica, povećanje ugodnosti u prohladnim prostorijama leti, kao i prednosti konzumiranja ohlađenih napitaka. Međutim veoma dugo, praktično sve do prvih dekada devetnaestog veka vešta čko hlađenje se zasnivalo isključivo na empirijski poznatim potrošnim procesima. Pri tome su umešno korišćene periodičke promene temperatute okoline (zima - leto; dan - noć) kao i druge postojeće neravnoteže u okolini. U područ jima sa umerenom i kontinentalnom klimom zimi su skupljani sneg i led i čuvani u pećinama ili zatrpani u tlu (zaštićeni prethodno kakvom prirodnom izolacijom), da bi se koristili, kao potrošna materija, za potrebe hlađenja preko cele godine (Stara Kina, Antička Gr čka, Rim…) U zemljama sa toplijom klimom i bez izrazitih zima (Egipat, Mesopotamija, Indija…), hladna voda, pa ponekad čak i led, dobijani su za vedrih noći tokom izvesnog dela godine, kada su plitke porozne glinene posude sa relativno tankim slojem vode izlagane pod otvorenim nebom. Uspeh postupka prvenstveno se zasnivao na niskoj vlažnosti nezagađenog vazduha: Od vode su se odvodile znatne količine toplote usled intenzivnog vetrenja sa njene slobodne površine i sa poroznih zidova posude u vazduh niske vlažnosti; osim toga, usled niskog sadržaja vodene pare i ugljen dioksida u čistom vazduhu, njihovi pojasevi apsorpcije nisu imali veliki uticaj, atmosfera je bila u velikoj meri prozračna za dugotalasno toplotno zračenje sa površine vode, pa su se zna čajne dodatne količine toplote zračenjem predavale u Svemir. Rashladne smeše sa temperaturama ispod 0 oC pravljene su najpre mešanjem snega i soli ( NaCl, CaCl, Ca(NO 3 )2 , KNO3 , …). Prvi pisani tragovi o primeni rashladnih smeša potiču iz Istočne Indije (oko IV veka pre Hrista). Mešanjem snega i razređene sumporne kiseline postigao je Ch. Blagden 1783. godine temperaturu od 40 oC, dok je T.Lovitz mešanjem snega i Ca Cl 1793. godine postigao temperaturu od 50 oC. Prvim naučnim radom iz oblasti hlađenja smatra se delo R. Boyle-a: “ Historia experimentalis de frigore” (1665.) u kome se iznosi da voda u razređenom prostoru isparava na niskim temperaturama. 1777. godine Nern je ppkazao da voda mrzne pod vakuumom (koji je podržavan tako što su nastale količine vodene pare apsorbovane pomoću sumporne kiseline). Na osnovu tih otkrića je u Engleskoj napravljena prva mašina za pravljenje leda ( Leslie, 1810.). −
−
1
1755. godine1 napravio rashladni uređaj pomoću vakuum mašine koja je odsisavala vodenu paru iz suda u kome je ključala voda na niskoj temperaturi; pri tome je uspeo i da smrzne vodu pod staklenim zvonom. Međutim, parne rashladne mašine su mogle naći neku praktičnu primenu tek pošto je kao rashladni fluid, umesto vode, primenjena neka lako isparljiva tečnost, koja na niskim temperaturama ključa pod višim pritiskom nego voda. Prvu takvu mašinu napravio je engleski lekar Jacob Perkins 1834. – 1835. godine, sa etileterom ((C 2H5)2O) kao rashladnim fluidom. Perkins-ova mašina predstavlja prototip savremenih parnih kompresorskih rashladnih mašina, jer je sadržala sve njihove bitne elemente (isparivač u obliku specijalnog suda u kome je klju čao etileter, kondenzator u obliku cevne zmije, pumpa-kompresor i specijalni prigušni ventil), a rashladni fluid je kružio u zatvorenom toku. Međutim ova mašina (British patent #6662 zaštićen 1834. godine) nije našla širu primenu. 1844. – 1845. godine američki lekar John Gorrie je napravio i patentirao (1851.) prvu vazdušnu rashladnu mašinu sa detanderom. 1856. – 1857. godine J. Harrison je usavršio Perkins-ovu mašinu i napravio prvu industrijsku rashladnu instalaciju u jednoj Australijskoj pivari. 1862. godine škotski inženjer A. C. Kirk napravio je prvu upotrebljivu industrijsku vazdušnu rashladnu mašinu. 1866. godine amerikanac T. Love je napravio prvu rashladnu mašinu sa ugljen dioksidom i ugradio je na brod za prevoz mesa iz Teksasa u Njujork. 1870. godine Dr. Carl von Linde je objavio veoma značajan rad pod naslovom “O odvođenju toplote pri nižim temperaturama mehaničkim sredstvima”; 1873. – 1876. on je napravio prvi amonijačni kompresor i prvu amonijačnu kompresorsku rashladnu instalaciju. 1877. godine James Coleman i braća John i Henry Bell su znatno usavršili vazdušnu rashladnu mašinu tako da je ona izvesno vreme bila masovno primenjivana, sve dok je nisu istisnule amonijačne parne kompresorske mašine. Prvu apsorpcionu rashladnu mašinu periodičnog dejstva (voda kao rashladni fluid, a sumporna kiselina kao apsorbent) napravio je E. Carre 1850. godine; 1859. - 1862. F. Carre je napravio prvu kontinualnu apsorpcionu rashladnu mašinu (amonijak kao rashladni fluid, a voda kao apsorbent). Po ideji Geppert -a napravljena je 1899. godine prva difuziona kontinualna apsorpciona rashladna mašina. C. Munters i B. v. Platen su 1925. godine patentirali amonijačnu difuzionu apsorpcionu mašinu sa vodonikom u isparivaču i apsorberu. Takvi uređaji su se masovno primenjivali, a i sada se ponekad primenjuju u hladnjacima za domaćinstvo, dok su praktički najprikladnije rešenje za područ ja bez električne napojne mreže. Princip ejektorske rashladne mašine patentiran je 1884. godine; od 1900. godine bavili su se razvojem ovih mašina Charles Parsons i Maurice Leblanc, koji je 1920. godine, u saradnji sa firmom Westinghouse, napravio prvu upotrebljivu ejektorsku rashladnu instalaciju. Stečnjavanje vazduha pvi je obavio Carl v. Linde 1895. godine pomoću prigušnog efekta, dok je G. Claude 1902. uveo postupak ekspanzije na niskim temperaturama. Ste čnjavanje vodonika uspelo je J. Dewar -u 1898. godine, a helijuma H. K. Onnes-u 1908. Važno je uočiti da je razvoj rashladnih mašina tekao ispočetka sporo, slično razvoju (energetskih) parnih mašina, da bi postao intenzivniji tek sa pojavom Termodinamike kao nauke 2 i savremenijom formulacijom njenog II zakona od strane R. Clausus-a 1850. godine. Krajem 19. i početkom 20. veka bile su poznate i u punom razvoju prakti čno sve značajnije vrste rashladnih William Cullen je
1 2
Četrnaest godina pre parne mašine J. Watt -a (1769.), a 49 godina posle Papin-ove parne mašine (1706.). “Rođendanom” Termodinamike smatra se publikovanje rada Sadi Carnot -a: “Reflexions sur la puissance motrice du feu et les machines propres a developper cette puissance”(“Razmišljanja o pokreta čkoj moći vatre i o mašinama podesnim da razvijaju tu moć”) 1824. godine.
2
mašina: parne i gasne kompresorske, apsorpcione i ejektorske rashladne mašine, a tako đe i termoelektrični rashladni uređaji i uređaji za stečnjavanje gasova. Prvi rashladni klipni kompresori bili su veoma sporohodi (do 1900. godine oko 50 min 1 ; 1910. godine 100 300 min 1 ) i zbog toga veoma glomazni. Pogonjeni su bili najpre pomoću parnih mašina, a kasnije pretežno elektromotorima. Savremeni klipni kompresori su veoma brzohodi i najčešće se direktno pogone asinhronim elektromotorima: za učestalost struje od 50 Hz , broj obrtaja velikih ide i do oko 1500 min 1 , a malih hermetičkih i rotacionih kompresora do oko 3000 min 1 (za 60 Hz - srazmerno veći brojevi obrtaja). Početkom 20. veka rashladne mašine su bile namenjene uglavnom industriji i za proizvodnju leda i radile su najčešće sa amonijakom, ugljen dioksidom i vazduhom. 1913. godine po čela je primena metil hlorida; dvadesetih godina prošlog veka počela je masovnija proizvodnja kućnih kompresorskih hladnjaka sa sumpor dioksidom kao rashladnim fluidom; tridesetih godina počinje proizvodnja freona metanovog i etanovog reda, ali su oni zauzeli značajnije mesto tek neposredno posle drugog svetskog rata. Međutim, sedamdesetih godina je potvr đeno da freoni sa hlorom štetno deluju na zaštitni ozonski sloj atmosfere, pa su Bečkom konvencijom i Montrealskim protokolom iz 1987. godine predviđene veoma oštre redukcije njihove upotrebe i eliminacija u prvoj dekadi ovog veka. Sada se intenzivno radi na iznalaženju novih ekološki bezopasnih rashladnih fluida sa izrazitom tendencijom ka “rehabilitaciji” nekada napuštenih “prirodnih” rashladnih fluida. Praktično od samih početaka razvoja tehnike hlađenja bilo je poznato da se rashladne mašine sa manjim adaptacijama mogu koristiti i kao niskotemperaturske toplotne pumpe, ali se prva značajnija toplotna pumpa počela koristiti tek uoči Drugog svetskog rata (u Švajcarskoj) da bi ubrzo toplotne pumpe bile praktički zaboravljene. Razlozi dugotrajnog odsustva praktičnog interesa za toplotne pumpe su bile niske cene energije iz fosinih goriva, relativno jednostavna, jeftina i pouzdana oprema za njihovo korišćenje i, sa druge strane, visoke cene samih toplotnih pumpi. Međutim, posle Prve naftne krize 1974. godine po činje nagli i međunarodno dobro koordiniran razvoj toplotnih pumpi za najraznovrsniju masovnu primenu. Grejanje pomoću toplotnih pumpi ili drugih termo transformatora je u svakom slučaju termodinamički povoljnije u odnosu na grejanje na bazi jednostavnog spaljivanja goriva (zbog velikih temperaturskih razlika pri razmeni toplote između produkata sagorevanja i grejanih objekata), ali, da bi bilo isplativo, njegova termodinamička prednost mora biti dovoljna da prevlada povećane investicione troškove. Dok su prve niskotemperaturske toplotne pumpe bile samo neznatno adaptirane rashladne mašine, novije toplotne pumpe i termotransformatori se izrađuju i od posebno konstruisanih komponenata, prilagođenih specifičnostima izvora i ponora u sastavu složenih energetskih sistema. Pooštreni kriterijumi u pogledu savršenstva rada doveli su i do razvoja mašina sa adaptiranim ili novim ciklusima namenjenih prvenstveno potrebama grejanja. Međutim u svim značajnijim aspektima razvoj rashladnih uređaja, tolotnih pumpi i drugih termotransformatora ide uporedo i ne može se razdvojiti; isto važi i za tehnologiju proizvodnje i montaže, pa zato prakti čki i ne postoje proizvođači koji proizvode samo rashladne uređaje, a da ne proivode istovremeno i razne vrste toplotnih pumpi ili obrnuto. U novije vreme praktično sve rahladne mašine u klimatizerima mogu automatski da reverziraju ciklus i da u hladnim periodima rade kao toplotne pumpe. To zna čajno povećava angažovanost tih uređaja tokom cele godine, što veoma povoljno utiče na ekonomičnost njihove primene. Savremeni razvoj mikroelektronike i računara pruža nove mogućnosti u automatizaciji i optimizaciji korišćenja rashladnih mašina i toplotnih pumpi. −
÷
−
−
−
3
1.4 PRIMENA RASHLADNIH MAŠINA I TOPLOTNIH PUMPI Da bi se sveobuhvatno i objektivno ocenio zna čaj Tehnike hlađenja neophodno je najpre, na osnovu detaljne pretrage svih vrsta ljudske aktivnosti, sagledati sva područ ja postojeće i izvesne (očekivane) buduće primene. Pri tome treba imati u vidu da je u nekim oblastima primena tehnike hlađenja teško uočljiva na prvi pogled (npr. često se ne zna da je u mnogim proizvodnim procesima veštačko hlađenje baš neophodno ili presudno za zahtevani kvalitet), a da su često alternativne mogućnosti nedovoljno istražene. Međutim, za sagledavanje bar dela tog značaja, dovoljno je samo zamisliti svakodnevicu bez primene tehnike hlađenja. Primene veštačkog hlađenja se razvrstavaju u tri grupe : • za održavanje kvaliteta, tj. za usporavanje nepoželjnih promena hemijskih, biohemijskih i strukturnih karakteristika raznih proizvoda, u prvom redu za konzervisanje namirnica; za stvaranje i održavanje karakteristika ambijenta, tj. da bi se ostvarila klimatizacija prostora u kojima se živi, radi i/ili obavljaju razne proizvodne aktivnosti; primene kada veštačko hlađenje predstavlja glavni ili sporedni proces pri ostvarivanju neke aktivnosti (proizvodnja, istraživanje, lečenje, sport itd.).
1.4.1 Konzervisanje namirnica hlađenjem Ova primena veštačkog hlađenja proističe iz činjenice da se svi fizički, hemijski i biohemijski procesi usporavaju sa snižavanjem temperature. Pri tome se optimalna temperatura nalazi suprotstavljanjem ostvarenih pozitivnih efekata i troškova hlađenja, ili je pak snižavanje temperature ograničeno pojavom štetnih efekata (najčešće je to neželjeno smrzavanje, ali su od zna čaja i fiziološka oštećenja plodova i sl.). Sami prosesi hlađenja i smrzavanja namirnica, prednosti i nedostaci tih metoda, kao i njihovo poređenje sa eventualnim alternativnim metodima konzervisanja prikazani su u odeljku D2 (“Konzervisanje namirnica”) u Dodatku. Ovde je dovoljno napomenuti da su vešta čko hlađenje i smrzavanje, u većini slučajeva, najpovoljniji metod, koji obezbeđuje željeno povećanje trajnosti. Namirnice se prvo hlade u sabirnim centrima ili u proizvodnim hladnjačama, a zatim se skladište u ohlađenom ili smrznutom stanju (zavisno od vrste i namene) u skladišnim i distributivnim hladnjačama, u komercijalnim i, na kraju, u kućnim rashladnim uređajima. Između pojedinih faza skladištenja ohlađene, odnosno smrznute namirnice se transportuju hlađenim transportnim sredstvima. To su uglavnom kamioni, vagoni i brodovi hladnjače, a u novije vreme se sve više koriste hlađeni kontejneri koji se po potrebi prebacuju sa jednog na drugo transportno sredstvo (hlađeni kontejnerski transport). namirnica na velike udaljenosti. Time je omogućeno da asortiman ishrane stanovništva, čak i u manje razvijenim zemljama, nema više izrazit sezonski i lokalni karakter, a da se pri tome za proizvodnju hrane biraju najpogodnije vreme i mesto. A to je od velikog ekonomskog značaja. Prispeće mnogih poljoprivrednih kultura ima cikličnost sa periodom od godinu dana (jer zavisi od godišnjih doba), a uslovi za njihov uzgoj su ponekad pogodni samo na ograničenim geografskim područ jima, koja su često dosta udaljena od velikih potrošačkih centara. I u takvim slučajevima Tehnika veštačkog hlađenja omogućava da se period potrošnje skoro svih namirnica protegne čak do novog prispeća (praktično na celu godinu), a takođe i bezbedan transport. Skup svih napred navedenih faza hlađenja, koji omogućava da se premoste prostor i vreme od ubiranja (odnosno proizvodnje) do finalne prerade i/ili potrošnje date namirnice, čine tzv. rashladni lanac. 4
1.4.2 Liofilizacija Liofilizacija predstavlja proces sušenja smrznutih proizvoda sublimacijom u vakuumu. Na taj način se, zahvaljujući vakuumu, zoni sublimacije unutar sušenog proizvoda mogu dovesti potrebne količine toplote za promenu faze, kako bi se proces sušenja odvijao zadovoljavajućom brzinom, a da se pri tome bilo gde u proizvodu ne premaši dozvoljena temperatura iznad koje bi mogle nastati nepoželjne promene njegovih karakteristika. Liofilizacijom se suše razni farmaceutski prioizvodi (antibiotici, preparati od ljudske krvi…), mleko, ekstrakt kafe, povr će, meso…, pa čak i gotova jela. Tako osušeni priozvodi se u paronepropusnoj ambalaži mogu čuvati i u nehlađ enom prostoru od jedne do dve godine, a mogu se koristititi odmah nakon dodavanja potrebnih količina vode. Međutim, pošto je ovaj proces skup, primenjuje se samo za visokovredne proizvode i/ili kada se drugi postupci uopšte ne mogu primeniti. 1.4.3 Proizvodnja potrošnih rashladnih materija Ponekad, na početku ili na kraju lanca hlađenja, nije ekonomično, ili je praktički nemoguće primeniti autonomni rashladni uređaj zbog ograničenih prostorno-tehničkih mogućnosti i/ili zbog toga što se hlađeni proizvod u njima zadržava kratko i/ili transportuje retko. U takvim slučajevima se za hlađenje primenjuju potrošne rashladne materije. Zavisno od vrste namirnica i/ili ambalaže i potrebne temperature primenjuju se obič an vodeni led (topi se na 0 oC), tzv. “suvi led” (čvrsti CO2 koji na atmosferskom pritisku sublimira na 78,9 oC), ili teč ni azot (koji na atmosferskom pritisku isparava na 196 oC), a u ređim slučajevima “patroni” ispunjeni sa pogodnim eutektičkim rastvorima (tzv. akumulatori toplote hla đ enja). −
−
1.4.4 Klimatizacija vazduha Jedna od najznačajnijih oblasti primene tehnike hlađenja je u klimatizaciji kada se vazduh hladi i/ili suši pomoću rashladnih mašina, ili pak greje pomoću toplotnih pumpi. Održavanjem zadatih vrednosti temperature i vlažnosti vazduha u klimatizovanom prostoru doprinosi se očuvanju zdravlja, osećaju ugodnosti i radne sposobnosti ljudi ( komforna klimatizacija stambenih prostorija, ustanova, škola, bolnica, pozorišta, prodajnih objekata…) i/ili se pak omogućava optimalno vođenje raznih proizvodnih procesa ( industrijska klimatizacija npr. u predionicama, tkačnicama, kod proizvodnje fotomaterijala, mikroelektronike, lekova, u pogonima precizne mehanike…). Bez klimatizacije proizvodnih pogona neki proizvodni procesi bi bili praktički nemogući jer bi škart bio veliki, kvalitet proizvoda loš i neujednačen, a produktivnost zaposlenih bi bila znatno niža. Klimatizacija vazduha u prostorijama za uzgoj životinja, biljaka i gljiva ima veliki uticaj na prirast, prinose, ostvareni kvalitet i ekonomičnost uzgoja. Klimatizacija je od posebnog značaja i za prostorije specijalne namene (istraživačke laboratorije, računarski centri, hirurške sale itd.). 1.4.5 Stečnjavanje gasova Stečnjavanje gasova je posebno značajna oblast rashladne tehnike. Da bi se mogli transportovati cisternama na potrebnu udaljenost, zemni gas i drugi tehni čki gasovi se prethodno moraju prevesti u tečno stanje i održavati na veoma niskoj temperaturi, kako pritisak u tim (dobro izolovanim) cisternama ne bi bio previsok. Kod uobičajenog prekomorskog transporta zemnog gasa, on se u eksportnoj luci ste čnjava i preko mora prevozi u tankerima sa krioizolacijom na veoma niskoj temperaturi, na relativno niskom nadpritisku; u isparivačkim stanicama u prijemnoj luci tečnost se ponovo prevodi u parno (gasovito) stanje i na relativno visokom pritisku nastavlja put gasovodom do potrošača. Pri tome se rashladni 5
učinak tih isparivačkih stanica, koji je veoma ujednačen, može koristiti za pokrivanje toplotnog opterećenja utilizacionih lučkih hladnjača odgovarajućeg kapaciteta. Postrojenja za stečnjavanje gasova se takođe mnogo primenjuju u hemijskoj i petrohemijskoj industriji kao i u azotarama (za stečnjavanje i razdvajanje vazduha).
1.4.6 Primena tehnike hlađenja u hemijskoj i prehrambenoj industriji Pošto brzine hemijskih reakcija bitno zavise od temperature, egzotermne hemijske reakcije se moraju kontrolisati hlađenjem reaktora. Kada je optimalna temperatura reaktora ispod temperature okoline mora se primeniti veštačko hlađenje reaktora. Veštačkim hlađenjem se često održava i optimalna temperatura raznih biohemijskih reakcija u procesima fermentacije, naročito ako se radi o velikim proizvodnim kapacitetima. Pošto se u tim procesima koriste odgovarajuće bakterijske ili gljivične kulture, održavanjem pogodne temperature favorizuje se razvoj željene vrste mikroorganizama, pa se na taj na čin, osim na brzinu, utiče na vrstu enzimske aktivnosti i kvalitet proizvoda. 1.4.7 Primena tehnike hlađenja u naftnoj industriji Veštačko hlađenje se mora primeniti i pri frakcionoj destilaciji lakih ugljovodonika, kao i pri izdvajanju parafina iz mineralnih ulja kristalizacijom na niskim temperaturama. Pošto su obično potrebni veoma veliki učinci (red veličina u MW), a raspolaže se pri tome i sa dovoljnim količinama otpadne toplote, u naftnoj industriji se često koriste sorpcione i ejektorske rashladne mašine. U zavisnosti od temperaturskog opsega rada, primenjuju se i odgovarajući rashladni agregati sa turbokompresorima velikog učinka. 1.4.8 Primena veštačkog hlađenja u medicini U medicini se rashladni uređaji najviše koriste za čuvanje krvi i preparata od nje, kao i za čuvanje organa i tkiva za transplantaciju (”banke” krvi, plazme, tkiva i organa). Hlađenje se primenjuje i u hururgiji, naročito kod operativnih zahvata na grudnom košu, pri čemu se organizam dovodi u stanje hipotermije, kada ćelije mogu duže da izdrže bez dopreme krvi. Hlađenje organizma se može ostvariti odvođenjem toplote sa površine tela, ili pak posredstvom krvi, koja se odvodi u specijalan rashladni uređaj i zatim vraća u organizam. Smrzavanje se ponekad koristi kao specijalna hirurška tehnika (npr. odstranjivanje krajnika smrzavanjem pomoću tečnog azota). 1.4.9 Primena veštačkog hlađenja u istraživanjima Rashladni uređaji se mnogo koriste u laboratorijama: za ispitivanje karakteristika materijala, razne opreme, oruđa, mašina i instrumenata, kako • na niskim temperaturama, tako i pri naglom snižavanju temperature; za ispitivanje ponašanja živih organizama i tkiva na niskim temperaturama; pri istraživanju raznih fizičkih, hemijskih, biohemijskih i fizioloških procesa; za simuliranje uslova eksploatacije na niskim temperaturama. Za napred navedene svrhe se koriste specijalni maloserijski ili unikatni ure đaji prilagođeni konkretnim potrebama. Obično su relativno malog učinka, ali mogu ostvariti i najekstremnije uslove. Međutim, mogu biti i jako veliki, sa rashladnim učinkom od više MW (npr. kod aerotunela
6
za ispitivanje modela letelica i njihovih delova u stratosferskim uslovima, velike ispitne komore za ispitivanje drumskih vozila, železničkih vagona, specijalne opreme i sl.).
1.4.10 Primena tehnike hlađenja u metalurgiji i mašinogradnji U metalurgiji gvožđa i čelika postižu se znatna poboljšanja kvaliteta primenom rashladnih uređaja koji se koriste za sušenje vazduha koji se uduvava u visoke pe ći i konvertore. Niske temperature se koriste i kod termičke obrade nekih čelika i legura aluminijuma. Veštačko hlađenje se ponekad koristi za dovođenje nekih materijala u stanje povišene obradivosti, a kod specijalnih reznih alata za povećanje njihove izdržljivosti. Pri izradi i demontaži presovanih sklopova sa velikim preklopom (zadorom), hla đenje čepa može sa uspehom da zameni ili smanji potrebu za grejanjem čaure. Time se znatno smanjuju sile presovanja ili razdvajanja sklopa, a sam postupak se olakšava. 1.4.11 Primena rashladnih mašina u cilju grejanja (toplotne pumpe) Visoke cene energije u kombinaciji sa pojeftinjenjem samih mašina doprinose naglom širenju primene tolotnih pumpi, a takođe i drugih termotransformatora. Primena levokretnih ciklusa u cilju grejanja može u velikoj meri da doprinese racionalizaciji potošnje energije. Posebno je to slu čaj kada se toplotnim pumpama supstituiše krajnje neracionalno elektrootporni čko grejanje. Procenjuje se da te uštede u razvijenim zemljama mogu da dostignu i do 10% od ukupne potrošnje energije. U novije vreme praktički svi rashladni uređaji za klimatizaciju vazduha mogu veoma lako da reverziraju ciklus da bi se koristili za grejanje klimatizovanog objekta. Na taj na čin se pospešuje plasman tih uređaja, jer se amortizacioni troškovi raspodeljuju na režim hlađenja i na režim grejanja.
Сл. 1 Примена геотермалне топлотне пумпе за грејање зграда
1.4.12 Ostale primene Osim u napred navedenim, rashladne mašine i toplotne pumpe se primenjuju i u mnogim drugim oblastima: npr. za hlađenje ploča veštačkih klizališta, za zagrevanje vode u plivačkim bazenima (često i kao mašine sa kogeneracijom rashladnog i grejnog učinka), u građevinarstvu za smrzavanje tla pri probijanju tunela kroz blatne terene, za prethla đenje vode i agregata pri izlivanju velikih betonskih masiva, za izmrzavanje vode iz rastvora (izdvajanje soli iz morske vode, koncentracija osetljivih voćnih sokova…), itd, ...itd. Međutim, nema potrebe dalje širiti izlaganja jer i do sada navedene primene dovoljno govore o značaju ove grane termotehnike. 7
Uvod u energetiku
1. UVOD Grejanje je tehnička disciplina koja se bavi uslovima i ure đajima za zagrevanje objekata različite namene u zimskim uslovima. To zagrevanje, u cilju obezbe đivanja termičkih uslova sredine, vrši se uglavnom u skladu sa potrebama ljudi koji borave u zatvorenom prostoru. Ponekad, uglavnom u industrijskin objektima, tehnološki proces koji se odvija, diktira termi čke uslove. Samo u tim slu čajevima, ljudski faktor nije primaran. Ventilacija predstavlja zamenu vazduha u prostoriji spoljnim, svežim vazduhom, a u cilju održavanja kvaliteta vazduha u prostoriji u zahtevanim granicama. Ventilacija može biti: ∗
prirodna (bez mehani čkih ure đaja) koja se ostvaruje prirodnim strujanjem vazduha kroz otvore na zgradi ili otvaranjem prozora. Ovaj vid ventilacije se još naziva i provetravanje, i koristi se u objektima u kojima nema velikog izvora zaga đenja;
prinudna (mehanička) koja se ostvaruje radom posebnog mehani čkog sistema koji služi za dovo đenje i odvo đenje vazduha iz prostorije. Sistem za prinudnu ventilaciju uglavnom se sastoji od ventilatora za ubacivanje, ventilatora za izvla čenje vazduha i pripadajućih kanala za distribuciju vazduha. Klimatizacija je najopštiji sistem za postizanje i održavanje termi čkih uslova ugodnosti u zatvorenim prostorima. Klimatizacija, pored grejanja i ventilacije ima i dodatne funkcije, kao što su: ∗
∗
regulacija relativne vlažnosti vazduha u prostorijama,
∗
održavanje odre đenog nivoa čistoće vazduha i
hlađenje prostorija u letnjem periodu. Prostorije u zgradama se greju da bi se stvorili povoljni uslovi za boravak ljudi u njima, ili kako se uobi čajeno kaže – da bi se obezbedili termički uslovi ugodnosti . Čovek uvek odaje toplotu okolini, a zagrevanje prostorija se vrši da bi to odavanje toplote bilo u granicama ugodnosti za čoveka. U čovečijem organizmu se neprekidno odvijaju fizičko-hemijski procesi, koji se jednim imenom nazivaju metabolizam. Pri tim procesima se oslobađa toplota, koju čovek mora neprestalno da odaje da bi održao stanje termičke ravnoteže, odnosno da bi održao stalnu temperaturu tela. Koli čina proizvedene i odate toplote zavisi od velikog broja faktora, od kojih je najvažniji – fizi čka aktivnost, zatim slede starosna dob, pol, odevenost, itd. Toplotu stvorenu metabolizmom čovek odaje okolini na više na čina – to su tzv. mehanizmi odavanja toplote. Tako se razlikuje: ∗
−
SUVA (osetljiva, osetna) toplota, koju čovek odaje preko površine kože – konvekcijom, zra čenjem i kondukcijom i
LATENTNA (vlažna) toplota, koju čovek odaje osloba đanjem vlage putem disanja i znojenja. Na odavanje toplote čoveka utiču dve vrste parametara, a to su: 1. Uticaj sredine – TERMI ČKI PARAMETRI SREDINE
−
∗ ∗ ∗ ∗
temperatura vazduha (t v = 20-26 oC), temperatura okolnih površina (t pov ~ tv), realtivna vlažnost vazduha ( ϕ = 40-60%) i brzina strujanja vazduha (w = 0.2 – 0.25 m/s) 1
Uvod u energetiku
Uvod u energetiku
2. Lični (subjektivni) uticaji ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
stepen fizičke aktivnosti, odevenost, zdravstveno stanje, uzrast (starosna dob), pol, telesna težina, itd.
1.1 OBLICI ENERGIJE Sva iskoristiva energija poti če iz tri osnovna izvora energije: energije Sunca, energije iz Zemlje i energije gravitacije. Izvori energije su prikazani dijagramom na slici 1.1. ENERGIJA
POTENCIJALNA - snaga vodotokova - energija plime i oseke HEMIJSKA - ugalj, - treset, - nafta, - uljni škriljci, - prirodni gas
UNUTRAŠNJA
TOPLOTNA - vrući izvori, - energija zemlje i mora
NUKLEARNA - uran, - torijum, - laki atomi upotrebljeni za fuziju
KINETIČKA - energija vetra
ZRAČENJE
1.1 Izvori energije
Energija Sunca nastaje procesima termonuklearne fuzije vodika koji se odvijaju u središtu Sunca. Produkti fuzije su helijum i velika koli čine energije koja se prenosi prema površini Sunca, prose čne temperature 5760 K. Sa površine Sunca energija se emituje u svemir elektromagnetskim talasima. Iako samo vrlo mali deo ukupne Sun čeve energije dolazi do površine Zemlje, na nju tokom jedne godine dospe ve ća količina energije od one sadržane u ukupnim rezervama uglja i nafte. Energija Sun čevog zra čenja na Zemlji pretvara se u druge oblike energije procesima fotosinteze, isparivanja i strujanja. Energija iz Zemlje posledica je toplote Zemljinog jezgra koja se iz unutrašnjosti provodi prema površini. Zemlja se od svojih po četaka, kada je postojala kao kugla užarene mase, hladi i stvara čvrsti deo Zemljine kore koji je debeo do 50 km. Prose čna dnevna koli čina energije koja se iz središta Zemlje dovodi površini iznosi 5,4 MJ/m 2 (gustina toplotnog fluksa 0,063 W/m 2), što je niska vrednost i nije pogodna za tehni čko iskorišćenje. Toplotni gradijent po dubini Zemljine kore može biti mestimi čno vrlo razli čit, a on je merodavan za iskoriš ćenje toplote iz Zemlje. Energija iz Zemlje se naj češće koristi kao toplota izvora vru će vode ili pare i kao toplotni izvor za rad toplotnih pumpi. 2
Uvod u energetiku
Uvod u energetiku
Energija gravitacije posledica je gravitacionih sila izme đu Sunca, Meseca i Zemlje. Gravitacione sile uzrokuju promene nivoa mora i time promenu potencijalne energije morske vode. Amplituda plime i oseke mestimi čno varira, a može iznositi od nekoliko centimetara do šesnaest metara. Zakon o održanju energije: Energija se ne stvara niti uništava. U svim realnim (nepovratnim) procesima energija se pretvara iz jednog oblika u drugi, pri čemu gubitak predstavlja deo koji se pretvara u neiskoristivu energiju. Zbir svih energija na ulazu u neki sistem jednak je zbiru energija na izlazu iz njega. Pretvaranje (transformacija) energije: prirodni oblici energije mogu se direktno koristiti ili se preko ure đaja za transformaciju mogu pretvarati u korisne oblike, naj češće u mehaničku ili toplotnu energiju. Tu se može govoriti o primarnoj, sekundarnoj, finalnoj i korisnoj energiji. Primarnom energijom se smatra ona energija koja je sadržana u energentu (nosiocu energije, kao što je hemijska energija goriva). Sekundarna energija je dobijena energetskom transformacijom iz primarne energije i predstavlja primarnu energiju umanjenu za gubitke pretvaranja (npr. elektri čna energija proizvedena sagorevanjem goriva u termoelektrani). Finalna (ili neposredna) energija je ona energija koja dolazi do krajnjeg korisnika (sekundarna energija umanjena za gubitke pripreme i transporta). Kona čno, korisna energija je ona koja je utrošena za zadovoljavanje potreba krajnjih korisnika (kona čna energija umanjena za gubitke pretvaranja kod korisnika). Šematski prikaz tokova energije i me đusobni odnosi navedenih oblika prikazani su na slici 1.2.
1.2 Oblici energije i nač ini pretvaranja u sekundarnu i finalnu energiju
3
Uvod u energetiku
Uvod u energetiku
1.2 ENERGETSKI BILANS REPUBLIKE SRBIJE Energetski bilans predstavlja dokument kojim se utvr đuju godišnji iznosi energije i energenata potrebni za uredno i sigurno snabdevanje korisnika energije (neposrednih potroša ča) za period od tri godine. Ovaj dokument se izra đuje na osnovu podataka o proizvodnji, preradi i snabdevanju energijom i energentima u skladu sa metodologijom Eurostata. Sve veličine iskazuju se u fizi čkim jedinicama i to čvrsta goriva u milionima t, te čna goriva u milionima t, gasovita goriva u milionima Stm 3 (standardni metar kubni gasa), elektri čna energija u GWh, toplotna energija u TJ i u milionima tona ekvivalentne nafte (Mtoe). Jedna tona ekvivalentne nafte iznosi 41,868 GJ ili 11,630 MWh elektri čne energije ili dve tone kamenog uglja odnosno 5,586 t sirovog lignita. Zgrade 2,361 М toe
Indus trija
Saobra ć aj
Zgrade
Industrija
Saobraćaj
3,219 Мtoe
19%
28%
38%
36% 45%
34%
2,832 Мtoe
Prema podacima za 2008. godinu
Indikativni ciljevi za budućnost
1.3 Potrošnja energije u Republici Srbiji i ciljevi za budućnost
Potrošnju energije u zgradama potrebno je minimizirati na na čin tako da ne do đe do narušavanja uslova komfora, što zna či da je neophodno, tokom cele godine, održavati termi čke parametre unutrašnje sredine, kvalitet vazduha, potreban nivo osvetljenosti, dovoljnu koli činu tople sanitarne vode. Tehni čki sistemi u zgradi, koji obezbe đuju uslove komfora jesu poroša či energije. Primenom razli čitih mera mogu će je poboljšati energetsku efikasnost, pri čemu treba voditi računa o finansijskim efektima primenjenih mera. Od ukupne potrošnje energije u zgradama 70% se troši u doma ćinsvima i stambenim zgradama, 18% u komercijalnim, dok se u zgradama javne namene potroši oko 12% energije (slika 1.4). Zgrade javne namene 12%
Komercijalne zgrade 18%
Domaćinstva 70%
1.4 Potrošnja energije u sektoru građ evinskih objekata u Republici Srbiji
4
Uvod u energetiku
Uvod u energetiku
1.3 TOPLOTNI BILANS ZGRADE Prilikom postavljanja toplotnog bilansa zgrade granicu sistema čini termički omotač, koji grejani prostor deli od spoljašnje okoline (vazduha i tla) i negrejanih prostorija u zgradi (tavanski i/ili podrumski prostor). Za zimski režim koriš ćenja zgrade potrebno je imati u vidu sledeće: - Prozori i zastakljene površine - termi čki najosetljiviji deo termi čkog omota ča, utiču na ventilacione i transmisione gubitke; - Uzimaju se u obzir korisni dobici toplote od Sunca i unutrašnjih izvora; - Sistem za grejanje treba da nadoknadi samo trenutne gubitke toplote tokom cele grejne sezone, kroz pravilnu regulaciju toplotnog u činka; - Izvor snabdevanja toplotom treba da bude efikasan. Prilikom postavljanja toplotnog bilansa zgrade granicu sistema čini termički omotač, koji Na slici 1.5 prikazani su ukupni gubici toplote kroz termi čki omotač zgrade (transmisioni i ventilacioni) sa okvirnim procentualnim udelom gubitaka kroz pojedine gra đevinske elemente.
15%
25%
15% 50%
10%
Slika 1.5 Gubici toplote kroz termič ki ki omotač zgrade zgrade
1.4 PARAMETRI KOJI UTIČU NA POTROŠNJU ENERGIJE Najvažniji uticajni parametri na potrošnju energije termotehni čkih sistema u zgradi (sistema grejanja, ventilacije i klimatizacije) mogu se podeliti u pet grupa: 1. Klimatski faktori, koji su odre đeni lokacijom na kojoj se zgrada nalazi; 2. Termički omotač i geometrija zgrade, 3. Karakteristike KGH sistema, izvora energije i nivoa automatske regulacije, 4. Režim korišćenja i održavanja zgrade i tehni čkih sistema i 5. Eksploatacioni troškovi, odnosno cene energenata i energije. 5
Uvod u energetiku
Uvod u energetiku
Klimatski faktori, kao što je godišnje kretanje temperature vazduha i relativne vlažnosti, insolacija i dozra čeni intenzitet sun čevog zra čenja, vetrovitost, i drugo, odlika su lokacije na kojoj se zgrada nalazi. Prema tome, prilikom projektovanja zgrade i tehni čkih sistema u njoj, neophodno je poznavati klimatske karakteristike podneblja, koje se, na odre đen način, uzimaju kao ulazni podaci za prora čune. Kada su u pitanju KGH ( Klimatizacija, Grejanje, Hlađenje) sistemi, neophodni ulazni podaci su: podaci o termi čkom omotaču (koeficijenti prolaza toplote građevinskih elemenata, zaptivenost prozora i vrata), spoljna projektna temperatura za zimu i leto, dužina perioda grejanja i hla đenja, vetrovitost predela, položaj i orjentacija zgrade, itd. Zgrade iste namene, a koje se nalaze u bitno razli čitim klimatskim podnebljima, veoma se razlikuju, kako po arhitekturi i primenjenim materijalima, tako i po tehni čkim rešenjima instalacija u njima. Termički omotač, geomerija zgrade, njen položaj u odnosu na izloženost Suncu i vetrovima direktno uti ču na energetske potrebe zgrade. Što je bolja termi čka izolacija i zaptivenost prozora i vrata, a manji faktor oblika, potrebna instalisana snaga sistema za grejanje će biti manja. Dobra zaptivenost prozora može zna čajno umanjiti ventilacione gubitke toplote. Podatak o specifi čnom potrebnom instalisanom kapacitetu grejnih tela q (W/m 2) govori o tome koja vrsta sistema za grejanje se može primeniti u zgradi. Na čin postavljanja termi čke izolacije i korišćenje toplotne inercije zgrade tako đe je važan podatak. Veli čina prozora i koriš ćenje dnevnog svetla uti če na vešta čko osvetljenje, potrošnju elektri čne energije i dobitke toplote od unutrašnjih izvora. Na čini zaštite od Sun čevog zra čenja tokom leta u velikoj meri mogu sniziti toplotno optere ćenje zgrade, kao i instalisani kapacitet rashladnog postrojenja. Raspored prostorija unutar zgrade, atrijumski prostori i galerije mogu imati zna čajan uticaj prilikom korišćenja prirodnog provetravanja zgrade. Pažljivim i stru čnim izborom KGH sistema, izvora snabdevanja energijom i nivoa automatske regulacije mogu će je ostvariti zna čajne uštede energije koju ovi sistemi troše tokom godine. Dve zgrade „bliznakinje“, koje su identi čne po nameni, geometriji i energetskim potrebama, mogu imati zna čajno različitu potrošnju energije u zavisnosti od vrste izvedenih tehničkih sistema u njima. Samo prilikom formiranja konceptualnog rešenja neophodno je uzeti veliki broj ulaznih podataka u razmatranje. Namena, režim koriš ćenja, geomerija, termi čka zaštita zgrade, kao i klimatski podaci samo su deo ulaznih parametara. Potrebno je razmotriti prostor za smešataj ure đaja i opreme, na čine vođenja instalacija kroz zgradu i uklapanje u enterijer, raspoložive na čine snabdevanja energijom, primenu obnovljivih izvora energije, integraciju rada razli čitih sistema, kao i potreban nivo nadzora i upravljanja sistemima u zgradi. Kod složenih i velikih zgrada, velikih investicionih vrednosti, često se razmatraju varijantna rešenja, na kojima rade multidisciplinarni timovi – arhitekte, a rhitekte, mašinski i inženjeri elektrotehnike. Kako bi zgrada, tokom svog životnog veka, imala zadovoljavaju će energetske performanse, potrebno je redovno i pravilno održavanje zgrade i sistema u njoj. Ukoliko izostane redovno održavanje a ne naruši se u potpunosti funkcionalnost sistema, gotovo redovno se javlja slučaj neracionalne potrošnje energije. Osnovni primeri su: ošte ćenje ili potpuno uklanjanje termičke izolacije ure đaja, cevovoda i kanala za vazduh, što za posledicu ima pove ćane gubitke toplote sistema, kondenzaciju vlage iz vazduha i ošte ćenja uređaja i enterijera; zaprljanje distributivne mreže i elemenata opreme, što rezultuje pove ćanim naporima pumpi i ventilatora a dovodi do ve će potrošnje elektri čne energije za njihov pogon; uklanjanje zaprljanih filtera za vazduh umesto njihove zamene dovodi do lošeg kvaliteta vazduha; prestanak funkcije regulacione armature ili opreme, osim pogoršanja termi čkih parametara sredine (pregrevanja zimi ili pothla đivanja leti) neminovno uti če na pove ćanu potrošnju energije, dok u ekstremnim slučajevima može izazvati havarijska ošte ćenja sistema i veliku štetu, a ponekad ugroziti i ljudske živote. Koliko je važno dobro projektovati i izvesti sisteme u zgradi, od jednake je važnosti njihovo održavanje i pravilno gazdovanje, kako bi oni mogli da pruže svoj maksimum. 6
Uvod u energetiku
Uvod u energetiku
1.5 MERE UNAPREĐENJA ENERGETSKE EFIKASNOSTI ZGRADA Prilikom projektovanja novih sistema, a češće prilikom izvo đenja projekata rekonstukcije postojećih, sastavni deo procedura je sprovo đenje tehno-ekonomske analize, odnosno sagledavanja investicionih i eksploatacionih troškova kroz životni vek projekta. Me đutim, ne može se uvek sa dovoljnom preciznoš ću predvideti na duži rok kretanje cena energije i energenata. Ukoliko postoji disparitet cena na tržištu, do ći će do pojave neracionalne potrošnje energije. Osnovna motivacija korisnika jeste cena koju pla ćaju za grejanje, odnosno klimatizaciju. Ekstremni primer je paušalna naplata troškova grejanja zgrada koje se toplotom snabdevaju iz sistema daljinskog grejanja. Fiksni mese čni trošak za grejanje nije uslovljen potrošenom energijom, pa samim tim ne postoji motiv korisnika da se racionalno odnosi prema potrošnji energije. Isto važi za ponašanje korisnika poslovnih zgrada u kojima sam korisnik ne plaća račune, ve ć to čini vlasnik. Niska cena pojedinog energenta uslovi će neracionalnu potrošnju jer je ona jeftinija nego sprovo đenje mera koje bi doprinele uštedama. Mere koje se primenjuju za poboljšanje energetske efikasnosti u zgradama mogu se podeliti u tri osnovne grupe (slika 1.6): 1. Mere poboljšanja karakteristika same zgrade kroz smanjenje potreba za grejanjem u zimskom i hla đenja u letnjem periodu (termi čka izolovanosti i zaptivenost, zaštita od Sunčevog zra čenja leti); enja termotehnič kih instalacija kroz primenu opreme i ure đaja sa 2. Mere unapređ enja visokim stepenom korisnosti, koriš ćenje otpadne toplote i obnovljivih izvora energije (bolje iskoriš ćenje primarne energije); 3. Mere optimizacije eksploatacije tehnič kih sistema kroz uvo đenje automatskog upravljanja rada instalacija grejanja, hla đenja, ventilacije i vešta čkog osvetljenja (termički parametri sredine se održavaju na željenom nivou samo u periodu korišćenja prostorija u zgradi). Termič ki ki motač zgrade
Izvor snabdevanja zgrade energijom za grejanje i hlađenje
Unutrašnje osvetljenje, Električ ni ni urađaji
Termotehnič ki ki sistemi u zgradi odr ž avanje temperature, vla ž nosti, nosti, ( odr ž avanje istoć e...) e...) č isto
1.6 Mere za unapre đ enje enje energetske efikasnosti zgrada
Prilikom analize primene mera unapre đenja energetskih performansi važno je problemu pristupiti odre đenim redosledom, po čevši sa grupom mera poboljšanja karakteristika same zgrade, preko mera smanjenja gubitaka toplote pri proizvodnji i distribuciji toplote, do grupe mera koje podrazumevaju zamenu ure đaja i opreme sistema za grejanje, klimatizaciju i pripremu sanitarne tople vode ili sistema osvetljenja, uz uvo đenje regulacije rada sistema. 7
Uvod u energetiku
Uvod u energetiku
•
•
•
•
•
•
•
•
Redosled analize mera za unapre đenje energetske efikasnosti zgrade: I grupa: poboljašanje termi čke izolovanosti i zaptivenosti zgrade uz primenu pasivnih mera zaštite od Sun čevog zračenja (rezultat: smanjenje potrebnog kapaciteta izvora toplote, instalisane snage grejnih tela i ukupnih toplotnih potreba zgrade; smanjenje potreba za hla đenjem i poboljšanje termi čkog komfora) II grupa: izolacija toplovoda i dela cevne i kanalske mreže (rezultat: smanjenje gubitaka u distribuciji toplote i potrebne primarne energije) III grupa: zamena izvora / energenta (rezultat: pove ćanje ukupnog stepena korisnosti postrojenja) IV grupa: centralna regulacija sistema grejanja - kvalitativna regulacija prema spoljnoj temperaturi (rezultat: smanjenje pregrevanja prostorija - 1 oC viša temperatura unutrašnjeg vazduha dovodi do pove ćanja potrošnje toplote za cca. 6%) V grupa: lokalna regulacija - termostatski ventili i cirkulacione pumpe sa promenljivim brojem obrtaja (kod zgrada sa više zona i razli čitog režima koriš ćenja) VI grupa: uvo đenje CSNU sistema (kod zgrada sa složenim termotehni čkim sistemima: grejanje, ventilacija, STV, klimatizacija; mogu ćnost povezivanja ostalih servisa: osvetljenje, protivprovalni...) VII grupa: primena OIE (npr. PSE za pripremu STV - rezultat: smanjenje potrebne primarne energije i emisije CO 2; toplotna pumpa u kombinaciji sa niskotemperaturskim sistemom grejanja - rezultat: visok stepen korisnosti; mogu ćnost sniženja unutrašnje projektne temperature; mogu ćnost koriš ćenja za potrebe hla đenja) ......Korišćenje otpadne toplote i tehnike no ćne ventilacije.....
8
Grejanje, ventilacija, klimatizacija
Primena toplote u tehnici: grejanja, hlađenja i klimatizacije 4E EFIKASNOST
ENERGIJA
EKONOMIJA
EKOLOGIJA
Potrošnja energije - energetska efikasnost
• Smanjenje potrebe za energijom – optimizacija omotača zgrade, kroz smanjenje guitaka i dobitaka toplote, korišćenje dnevnog svetla, pasivna solarna arhitektura, korišćenje prirodne ventilacije... • Racionalana potrošnja energije – dobro projektovan KGH sistem, dobra automatska regulacija, dobro održavanje sistema...
1
Sistemi centralnog grejanja Prostorija
3
3 2
1 – IZVOR TOPLOTE (kotao na čvrsto, tečno ili gasovito gorivo; obično toplovodni, a može i parni kotao) 2 – DISTRIBUCIJA TOPLOTE (ili razvod toplote, cevni razvod, cevna mreža koja služi da se grejni fluid razvede od izvora toplote do grejnih tela i da se obezbedi povratak grejnog fluida u kotao – zatvoreni sistem) 3 – GREJNA TELA (čija je funkcija odavanje toplote i zagrevanje prostorije; postoje različite vrste i konstrukcije grejnih tela)
1
Sistemi centralnog grejanja Kriterijumi za ocenu kvaliteta uređaja za grejanje:
1. Funkcionalnost 2. Ekonomičnost 3. Higijenski uslovi 4. Estetika 5. Bezbednost i 6. Ekologija
Centralno grejanje zgrada ima niz prednosti u odnosu na pojedinačne uređaje za grejanje:
- bolji (ravnomerniji) raspored temperature vazduha po prostoriji; - mogućnost grejanja sporednih prostorija; - veći kotlovi imaju bolji stepen korisnosti – bolje iskorišćenje goriva i bolju regulaciju rada kotla, što rezultuje ujedno i manjim zagađenjem okoline; - rad velikih kotlova nadgleda kvalifikovano osoblje; - manje prljanje stanova i zgrade; - manja opasnost od požara; - manji broj dimnjaka u zgradi; - manji transportni troškovi goriva; - manje angažovanje korisnika prostorija...
2
Sistemi centralnog grejanja SISTEMI CENTRALNOG GREJANJA:
• SISTEMI PARNOG GREJANJA (parom niskog pritiska) • SISTEMI TOPLOVODNOG GREJANJA U sistemu 90/70oC, 80/60oC: Radijatorsko grejanje Konvektori Kaloriferi Niskotemperatursko grejanje (pogodno za korišenje OIE) Ventilator konvektori Panelno grejanje
Provetravanje i ventilacija PRIRODNA
MEHANIČKA
3
Kimatizacija 1 – KLIMA KOMORA – centralni uređaj za pripremu vazduha za klimatizaciju; pripremljen vazduh u klima komori ima odgovarajuće parametre koji odgovaraju potrebama klimatizovanog prostora u svakom trenutku
3 4
2 – DISTRIBUCIJA VAZDUHA (ili kanalska mreža koja služi da se pripremljeni vazduh razvede od klima komore do prostorija i da se obezbedi povratak vazduha nazad do komore i/ili njegovo izbacivanje u okolinu
Prostorija
PV
1 OV SV
RV 2
3,4 – DISTRIBUTIVNI ELEMENTI (ANEMOSTATI, REŠETKE, DIFUZORI, MLAZNICE - č ija je funkcija ubacivanje i pravilna raspodela pripremljenog vazduha po prostoriji; takođe postoje i odgovarajući elementi za izvlačenje vazduha iz prostorije)
Kimatizacija – izgled klima komore
4