Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék KALORIKUS GÉPEK Segédlet az elıadásokhoz 009 BUDAPEST
Tartalomjegyzék Bevezetés...3 Tüzeléstechnika...1 Kazánok...30 Turbinák...56 Belsı égéső motorok...90 Mesterséges hőtés...13
Bevezetés Kalorikus gépek Hıerıgépek és tüzelıberendezések Mivel foglalkozunk? - termodinamikai körfolyamatok illetve munkafolyamatok megvalósításával - valóságos folyamatokkal és azok megvalósítási korlátaival Miért foglalkozunk hıerıgépekkel? - mert az élet majd minden területén megtalálhatók: hőtıgép, boiler, autó, repülıgép, villamos erımő - mert környezetbarát megvalósítása mindannyiunk érdeke - kis CO kibocsátás jó hatásfok - megújuló energiaforrások biomassza (gáz, növényolaj, alkoholok, szilárd anyagok) 3
Hıerıgéppel szemben támasztott követelmények 1. ár elvégzendı feladathoz mennyire kihasznált a befektetett összeg megtérülési ideje. üzemeltetés költsége - fajlagos tüzelıanyag felhasználás - fajlagos energiaigény 3. üzemeltetés igényessége 4. élettartam - megbízhatóság - karbantartási igény 5. éves kihasználtság - alaperımő legjobb hatásfok - csúcserımő kis beruházási költség, gyors terhelhetıség - kazán részterhelésen rosszabb hatásfok! 4
Hıerıgépek /történelmi sorrendben/ Gızgép 1690 Denis Papin (F) 1698 Thomas Savery (GB) 171 Thomas Newcomen η t 1% 1765 James Watt (skót) η t % 1900 η t 17% Gızturbina Kr. e. 1. sz Alexandriai Heron 1690 Denis Papin (F) 1883 Carl de Laval (S) 1884 Charles Parsons (GB) 1890 1999 00 η t 40 43% (47%) Gázturbina 1600 Leonardo da Vinci 1791 John Barber 1903 Armengan testvérek (F) η t,9% 1905 Hans Holzwarth 1936 Brown Boveri cég ipari gázturbina 1938 Jendrassik György η t 1% axiális kompresszor η 80% 000 η t 38 39% 5
Belsı égéső motor 1860 Etienne Lenoir gázmotor, szikragy. 1876 Nicolaus August Otto szénpor 1885 Gottlieb Daimler benzin 189 Rudolf Diesel Carnot körfolyamat 1893 Bánki Donát Csonka János porlasztó 1956 Felix Wankel forgódugattyú Hőtéstechnika Kr. e. 460 377 Hippokrates jéggel hőtés 1755 W. Cullen (skót) mesterséges jég elıállítása 1834 J. Perkins (USA) elsı kompresszoros hőtıgép 1860 E. Carre (F) abszorpciós hőtıberendezés 6
Carnot körfolyamat Gız-víz munkaközegre Clausius-Rankine körfolyamat - munkaközeg ideális gáz - hımérséklethatár adott qel T1 ( s s1 ) T η t = 1 = 1 = 1 q T s s T be q be = h 3 h q el = h 4 h 1 qel h η t = 1 = 1 q h ( 1 ) be 4 3 h h 1 1 7
8 Belsıégéső motor körfolyamatai A határok itt nem hımérséklethatárok, hanem térfogathatárok. Térfogathatár adott Otto motor ( ) 3 3 3 T T c u u q q v be = = = ( ) 1 4 1 4 41 T T c u u q q v el = = = 1 1 3 1 4 1 3 1 4 1 1 1 1 1 1 = = = κ η v v T T T T T T T T T T t Izentrópikus állapotváltozáskor áll. v p = κ ill.. áll v T = κ 1 3 4 1 4 3 1 1 1 T T v v v v T T = = = κ κ = ε 1 v v kompresszióviszony 1 1 1 = κ ε η t = 1,4 κ levegıre = 1,3 κ CO = 1, κ etán Valóságos motorban az égéstermék és a magas hımérséklet miatt κ csökken η t is kisebb
Diesel motor κ 1 ρ 1 ( ) ηt = 1 κ 1 (ρ nem sőrőség!) ε κ ρ 1 ε = 10 az Otto jobb mint a Diesel ε > 14 a Diesel jobb ρ = esetén Gázturbina (Joule - körfolyamat) 9
Motornál 1 η t = 1 κ 1 ε ε térfogathatár! Gázturbinánál 1 t = 1 κ 1 π nyomáshatár! π κ Melyik jobb? Bontsuk elemi Carnot körfolyamatokra! T η = 1 1 T t T1 A baloldali csak középen jó hatásfokú, a széleken nı, ezért η csökken! T 10
Hőtıgép körfolyamat q be = q0 = h1 h4 q el = h h 3 w = h h 1 Fajlagos hőtıteljesítmény: ε = q 0 w 11
Tüzeléstechnika Tüzelıanyagok tulajdonságai Kazánok és tüzelıberendezésekhez - gáz (földgáz (CH 4 )) - olaj (kıolaj lepárlás) - szén (kıszén, barnaszén, lignit) - hulladék Belsı égéső motorokhoz - benzin - dieselolaj - metanol - metilészter (repceolaj) - biogáz Gázturbinákhoz - gáz - tüzelıolaj - kerozin Tüzelıanyag alkotók C, H, S, O, nedvesség, hamu Égéshı É Főtıérték F=É-m HO r 1
Biomassza (szilárd) - tüzeléstechnikai jellemzıi (~CO semleges folyamat) víztartalom főtıérték hamutartalom hamulágyulási pont - fizikai mechanikai jellemzıi darabosság (méret, geometria) méreteloszlás, apró méretek aránya rétegsőrőség 16 % feletti nedvességtartalom biológiai folyamatok kiváltója lehet, főtıérték csökken, öngyulladásra hajlamos Főtıérték (vízmentes tömegre vonatkoztatva) 16,5-19,0 MJ/kg Fa tüzelıanyag főtıéréke átlagban ~ 9 %-kal nagyobb, mint a szalma és főfélék főtıértéke Hamu - faféléknél,5 5 % - szalma, gabona szár és főféléknél 4 1 % (15-0 %) 13
Egyéb szilárd tüzelıanyagok: - olajpala, olajhomok - biomassza - fa (egyesek ide sorolják) Olajpala összetétele: - hamu 40 60 % - illó 15 30 % - Főtıérték MJ 5 19 kg -a hı 80 85 %-a az illó égésébıl szabadul fel - a hamu SiO, CaO; a hamulágyulás és az olvadás hımérséklete közel van egymáshoz, ezért jelentıs a tőztéri elsalakosodás. Biomassza (szilárd): - valamennyi szerves eredető anyag (C tartalmú) - energianövények pl.: Miscanthus, akác, főfélék, nyárfa - aratási maradványok pl.: szalma, erdei fahulladék - olajnövények héja, préselt pogácsa Szárazanyag összetétel: - C 45-50 % - H 5 7 % - O 40 45 % 14
Folyékony tüzelıanyagok - kıolaj desztillátumok - könnyő benzin (fosszilis) - nehéz benzin - petróleum - gázolaj - pakura - megújuló folyékony tüzelıanyagok: - növényi olaj: - repce - napraforgó - mogyoró stb. - alkoholok: - etanol (C H 5 OH) (keményítı, cukor, cellulóz tartalmú növények) pl.: C 6H1O6 CH 5OH + CO cukor etanol szén dioxid 100 kg 51 kg 49 kg - metanol (CH 3 OH) (fa elgázosítással) pl.: szintézisgázból jellemzıi: (CO/H keverék) CO + H CH 3 OH + hı (katalizátor mellett 50 60 bar, 30 60 C-on) - mérgezı és korrozív MJ - alacsony főtıérték (19,7 ) kg - 10 C alatt hideg indítás nem megy, - benzinhez maximum 15 %-ban keverik 15
Folyékony tüzelıanyagok - felmelegített állati zsiradék Folyékony tüzelıanyag tulajdonságai - sőrőség - viszkozitás - dermedéspont - folyóssági pont ( 4 C-al a dermedéspont felett - zavarodási pont parafin kiválik, szőrık eltömıdnek - lobbanáspont I. tőzveszélyességi osztály lobbanás pont < 1 C (benzin) II. tőzveszélyességi osztály lobbanás pont < 55 C (diesel) III. tőzveszélyességi osztály lobbanás pont < 100 C (főtıolaj) - Conradson szám - vanádium, kén, hamu tartalom - víz, mechanikai szennyezıdés 16
Folyékony tüzelıanyagok Tüzelı és főtıolajok TH 5/0 TM FM H háztartási T tüzelı számláló: lefejtési hımérséklet nevezı: égı üzemi hımérséklet M kénmentes F főtıolaj 17
Szilárd tüzelıanyagok Kıszén: Tüzelıanyag kj Főtıérték kg fa 14 600 tızeg ~ 10 4 éves változó a meddı lignit ~ 10 4 10 5 éves aránya miatt barnaszén ~ 10 6 éves 8 000 kıszén ~3 10 6 5 10 6 éves 30 33 000 - zsíros szén (fekete szén) - sovány szén (antracit) kj Mesterségesen elıállított szenek: - koksz F = 8 30.000 kg Szilárd tüzelıanyagok összetétele - Tiszta szénre vonatkoztatva - 18
Égéshı (É) kj/kg; kj/m 3 Egységnyi tömegő vagy térfogatú tüzelıanyag tökéletes elégése során felszabaduló hı, az égésterméket visszahőtve a kiindulási hımérsékletre a H O folyékony állapotban van. Főtıérték (F) kj/kg; kj/m 3 Egységnyi tömegő vagy térfogatú tüzelıanyag tökéletes elégése során felszabaduló hı, az égésterméket visszahőtve a kiindulási hımérsékletre a H O gız állapotban van. 9H + w É = F + r 100 Németül: BRENNWERT HEIZWERT Angolul: Higher Heating Value (HHV) Lower Heating Value (LHV) r= 500 kj/kg illetve 000 kj/m 3 (0 C) w= tüzelıanyag víztartalma %-ban H= tüzelıanyag Hidrogén tartalma %-ban 19
0
Tüzeléstechnika Minıségbiztosítás Tüzelıanyagok jellemzıi: É - Égéshı F - Főtıérték összetétele: C, H, S, N, O, nedvesség, hamu ( NO, CO, CO, C x H y, SO ) Alapvetı reakciók: - kémiailag kötött energia hıvé alakul exoterm reakciók C + O 1 H + O = H O + hı S + O = SO + hı = CO + hı 3 1 1
Reakcióegyenletek moltömegekkel felírva 1 kg C + 3 kg O = 44 kg CO 1 kg +,67 kg = 3,67 kg + 34,1 MJ kg kg H + 16 kg ½ O = 18 kg H O 1 kg + 8 kg = 9 kg H O + 143 MJ kg 3 kg S + 3 kg O = 64 kg SO 1 kg S + 1 kg O = kg SO + 9,09 Elméleti oxigénszükséglet: O kg kg min =,67 C + 8 H + 1 S O Elméleti levegıszükséglet: MJ kg kg Omin 1 L0 = 4, 9 Omin kg L 0 = = 4, 9 0,33 0,33 kg L0 = 11,5 C + 34,3 H + 4,9 S + 4, 9 O kg 3 m 1 L0 = 4, 76 Omin = 4,76 kg 0,1
Légfeleslegtényezı: L λ = L 0 L valóságos levegımennyiség L 0 elméleti levegımennyiség Légfeleslegtényezı meghatározása méréssel: /száraz levegı, térfogatmérés/ 0 Égéstermék CO tartalmát mérve COmax V0 CO λ = 1+ 1 CO L0 Égéstermék O tartalmát mérve O V0 1 λ = 1+ 1 O L0 1 O max mért CO mért V0 - szilárd tüzelıanyag esetén 0,97 0,99 L folyékony tüzelıanyag esetén 0,93 0,96 gáz tüzelıanyag esetén 0,9 0,93 Légfelesleg szokásos értékei: λ földgáz 1,05 1,1 tüzelıolaj 1,1 1, szénpor 1,1 1,3 szén, mech. rostély 1,3 1,5 3
Tökéletes égéskor keletkezı elméleti füstgázmennyiség kg V 0 kg Égéshez szükséges valóságos fajlagos levegımennyiség kg L kg Égéskor keletkezı valóságos füstgáz mennyiség kg V = V0 + [ λ 1 ] L0 kg Tüzelıanyag L 0 V 0 CO max H,383 [m 3 /m 3 ] 1,881 [m 3 /m 3 ] - CH 4 9,559 [m 3 /m 3 ] 8,46 [m 3 /m 3 ] 11,75 [m 3 /m 3 ] barnaszén 5,509 [m 3 /kg] 6,503 [m 3 /kg] 19,67 [m 3 /kg] főtıolaj 10,53 [m 3 /kg] 9,915 [m 3 /kg] 15,8 [m 3 /kg] 4
Égés fizikai jellemzıi Lángterjedési sebesség: Λ Gyulladási határok: Minimális gyulladási energia: E = V ρ E = τ 0 k c p U I dτ m s ( T T ) láng kezdeti 5
Elméleti égési hımérséklet Energiamérleg: m h é é. = m tü h tü. + ml h Égéstermék entalpiája: h é l Tüzelıberendezés elvi rajza = V c ( T T0 ) ; ahol T 0 =73 K pé Tüzelıanyag entalpiája h tü = F + c p tü é ( T T0 ) tü Égéslevegı entalpiája h l = L c pl ( T T0 ) Elméleti égési hımérséklet T T h é é = + T 0 V c pé l F + c ( T T ) + L c ( T T ptü tü 0 pl l 0 é = Tad = Telm = + [ V0 + ( λ 1) L0 ] c pé ) T 0 6
Elméleti és valóságos égési hımérséklet Tüzelıanyag F [kj/kg] T elm [ C] T val [ C] Földgáz 36000 000 100 1600 Főtıolaj 40000 000 100 1500 Barnaszén 0000 1500 1000 100 Kıszén 30000 300 100 1500 ROSIN és FEHLING : c pé adott hımérséklettartományban gyakorlatilag független a tüzelıanyag fajtájától Disszociáció CO + 75, H O + 5, kj mol kj mol CO + 1 O 1 H + O 7
Koromképzıdés Gáztüzelésnél C C kötés szakad fel pl.: metán CH 4 H + C Koromképzıdési tényezı: Megadja, hogy a tüzelıanyag összes karbon tartalmából hány % válik ki korom formájában. pl.: metánnál: 1000 C on 5 % 600 C on 30 % 500 C on 50 % ez a tényezı Képzıdési mechanizmusok: CO CO + C fordított Boudouard reakció CO + H H O + C fordított vízgáz reakció CH 4 H + C Befolyásoló tényezı: - Tüzelıanyag fajtája (nagy C/H-val hajlamos) - láng típus (elıkevert, diffúziós) - láng hımérséklet, oxigén kínálat minél kisebb, annál inkább keletkezik. 8
Koromképzıdés elkerülése: - gyors keveredés - gyors hımérsékletnövekedés - elıkevert (kinetikus) lángnál intenzív elıkeveredés alig keletkezik Segíti a korom képzıdését: - levegıhiány - alacsony hımérsékletnövekedés Korom csak gázfázison keresztül jön létre! Koromszemcse mérete ~ 0,05 µm = 50Ǻ Felépítése: - diffúziós lángnál a tüzelıanyagban gazdag magban keletkezik - láng hőtött felülettel érintkezı részén van koromkiválás C 6 H; C 8 H 9
Kazánok Tüzelés fajlagos jellemzıi 0 kg L elméleti fajlagos levegıszükséglet; 0 kg kg V elméleti fajlagos füstgázmennyiség; kg L L λ = légfeleslegtényezı. 0 Anyag és energia mérleg gızkazánokban Energiamérleg: Qɺ be = Qɺ el Tömegmérleg: mɺ be = mɺ el mɺ tv = mɺ thg Vízoldali hıfelvétel: Qɺ = mɺ ( h h ) + p mɺ ( h h ) p leiszapolás tömeghányad; leiszapoláskor hasznos thg thg tv thg tv Tüzeléssel bevitt hıáram: Qɺ tü. a. = B F Qɺ Qɺ Qɺ = + tü. a. hasznos veszt 30
Kazán hatásfok Direkt hatásfok mérendı: m thg kg s p, tv ttv kj htv kg kg B ɺ kj s, F kg Indirekt hatásfok: pthg, tthg kj hthg kg Q hasznos η k = ɺ Qɺ tü. a. Q η k = 1 ɺ Qɺ veszt tü. a. 31
Veszteségek fı csoportba sorolhatók: - tüzelési - főtıfelületi Tüzelési veszteségek: minden, ami éghetı, de nem égett el, pl.: CO, C x H y, salakéghetı Qɺ = Bɺ F ν gázéghetı: gáz elégetlen gáz elégetlen ([ CO ] CO + [ H ] H + F ) F V ν gáz elégetlen = F CO CO koncentráció a füstgázban [ ] salakéghetı: S s e F ν salakégh = Bɺ F kg s s idıegység alatt kihordott salaktömeg; kg e kg salakéghetı tartalma. 3
Veszteségek Főtıfelületi veszteségek: Legnagyobb a füstgáz hıvesztesége korrózióveszély miatt nem hőthetı le a környezeti hımérsékletre Füstgáz hıveszteség: ( λ 0 ) Qɺ = Bɺ V c t L c t fg gk pfg fgki pl l Bɺ = Bɺ ν gk szilárd elégetlen elımelegített levegı ( λ 1) V = V + L 0 0 ( 1 szilárd elégetlen ) ν : olajtüzelésnél 0 széntüzelésnél 1 4% Qɺ fg ν fg = Qɺ tü. a. Falveszteség: meleg falfelület hıleadása a környezetnek Qɺ = α A t t Ezzel az indirekt hatásfok: ν fal hıveszt ( ) fal külsı fal környezet Q fal W qɺ ɺ fal = 100 00 A m 0,3 0, 0113 Q Qɺ MW = ɺ [ ] hasznos ηk = 1 ν hasznos -ban 33
Kisteljesítményő kazánok közvetlen hatásfokszámítása Tüzelési hatásfok: Sieqert közelítı számítása szerint q fg η = q tü. 1 füstgázzal távozó hı vesztesége q fg t fg t = f CO lev fg [%] f függ a tüzelıanyag összetételétıl, kismértékben λ -tól és t fg -tól. CO mért száraz füstgáz Tüzelıolaj 0,59 Füstgáz + ventilátor 0,46 Füstgáz ventilátor nélkül 0,4 CO tartalom [ ] Folyékonygáz 0,35 f % -ban. 34
Gızfejlesztık Fıbb típusok: - nagyvízterő kazán (lángcsöves, füstcsöves) - vízcsöves kazán - természetes cirkulációjú kazán - kényszer cirkulációs kazán - kényszerátáramlású kazán Nagyvízterő kazán gızteljesítmény 10 1 t/h, max 5 t/h gıznyomás 0 bar, max 5 bar egy lángcsıvel két lángcsıvel 9MW-ig 18MW-ig 35
Nagyvízterő kazán - kis gızteljesítmény 10 1 t/h - mérsékelt gıznyomás 0 bar - elınye: a gızelvétel ingadozását bizonyos határok között képes kompenzálni (nagy rugalmasságú) Vízcsöves, dobos kazán természetes cirkulációval Felületek: ha a gızelvétel megnı a nyomás lecsökken és a sraffozott területnek megfelelı hımennyiség szabadul fel, késıbb a szabályozás visszaállítja az eredeti helyzetet 36
Forrási folyamat szakaszai: - csendes forrás - buborékos forrás - áramlásos forrás krit Elgızölögtetés tartályban (pool boiling) q C C hirtelen t fal hımérsékletnövekedés 37
Természetes cirkulációjú kazán p = H g ρ v közeg sőrősége az ejtıcsıben ρ k közeg sőrősége az emelıcsıben h emelıcsı túlemelése a dob vízszintje felett ( ρv ρ ) h g ρk Cirkuláció jellemzıje keringési szám mɺ K K = K 5 50 nagyobb nyomásra K értéke csökken m g k 38
Természetes cirkulációjú kazán /folytatás/ Kazándob a fix pont, itt telített gız/víz állapot uralkodik vízleválasztó biztosítja, hogy a túlhevítıbe csak száraz telített gız távozzék. A kazánban a p nyomás növelésével a cirkulációs körben ρ v -ρ k csökken, ezért a cirkuláció fenntartásához H magasságot növelni kell. Ezzel viszont nı az anyagköltség. A p nyomás növelésével a dob méret csökken. p d s = /kazán formula/ σ Keringési szám természetes cirkuláció esetén: K=5 50 meg E kazántípus elınye: csekély részterhelésen is mőködik, ezért nem lépnek fel terhelésfüggı hőtési problémák. Figyelem! Instacioner üzemben (pl. hirtelen megnövekvı gızelvétel miatti nyomáscsökkenés) az ejtıcsövekben gızképzıdés léphet fel, ami termikus károk okozója lehet. Célszerő 3 bar/min-nél nagyobb nyomásváltozási sebességet elkerülni. 39
Forrás függıleges csıben áramló közegnél 40
A nyomás növelésével az emelıcsıben a gızbuborékok térfogata csökken, ezzel csökken a sőrőségkülönbség az ejtıcsı és az emelıcsı között. Ilyenkor kényszercirkuláció. Vízcsöves, dobos kazán kényszercirkulációval Kényszerátáramlású - itt a szivattyú állítja elı a megfelelı nyomáskülönbséget. - különben u.a. mint elıbb - nagynyomású rendszer (dobot már nem lehet beépíteni) - a nyomás csak nagyon szők tartományban változhat, hiszen más nyomáshoz más nagyságú hıcserélı felületek tartoznak 41
Kényszercirkulációs kazán / La Mont kazán/ 1 tápvíz-elımelegítı elgızölögtetı 3 túlhevítı 4 kazándob 5 tápszivattyú 6 keringtetı szivattyú Keringési szám K=3 5 Keringtetı szivattyú p=3 4 bar teljesítmény igény 0,6 kw/t gız Természetes cirkulációval szembeni elınye, hogy a kazán geometriai kialakításában megnı a szabadságfok. pl.: csıátmérı megválasztásában, áramlási irány megválasztásában, dob elhelyezésében 4
Kényszerátáramlású kazán 1 tápvíz-elımelegítı elgızölögtetı 3 túlhevítı 4 vízleválasztó 5 tápszivattyú a irány fix pont vándorol b irány fix pont a vízleválasztó helye A 3/1 és 3/ túlhevítı között a gızhımérséklet szabályozásához vízbefecskendezést alkalmaznak. Jellemzıi: - viszonylag nagy áramlási sebesség a jó falhőtés érdekében α hıátadási tényezı növelése - rögzített átfolyási keresztmetszet miatt korlátozott a párhuzamosan kapcsolható csövek száma, ezért a tőztérben a csövek spirálban vannak beépítve 43
44
Hıátvitel kazánokban Lehetséges módok: 1. Hıvezetés útján (hıterjedés anyagon belül). Hıátadás útján Egyik anyagból egy másik halmazállapotú anyagba Pl: gázból szilárd fal gızbıl szilárd fal ill. megfordítva 3. Sugárzás útján Lángból főtıfelületek felé Pl.: hıátadás kazánban síkfal esetén Füstgázból a fal felé átadott hı Falon vezetéssel átadott hı Falból a gıznek átadott hı állandósult esetben qɺ = qɺ 1 = qɺ = qɺ 3 ( f ) qɺ = α T T W m 1 1 1 1 λ qɺ = T T δ ( f f ) W m 1 ( f ) qɺ = α T T W m 3 T T ɺ = = 1 δ 1 + + α λ α ( ) 1 q k T1 T 1 [ ] Qɺ = A qɺ W hıáram A m felületen 45
Kazánoknál δ a másik két taghoz viszonyítva elhanyagolható λ Marad 1 1 1 + k α α 1 Általában α (gız ill. vízoldali) > α1 α = 1000 10000 W áramló hideg víznél m K α < 15000 W forrásban lévı víznél m K levegı illetve gáz esetén α 1 = 10 100 W kényszerített áramlásnál m K α 1 = 5 0 W szabad áramlásnál m K Ha α nagy Tf T kicsi, túl nagy falhımérsékletek elkerülhetık. Ha a falfelület egyik oldalára vízkı, a másik oldalára salak vagy korom rakódik, akkor k = 1 1 δi 1 + + α λ α 1 i i m K Minél vastagabb ( δ ) és minél kisebb hıvezetési tényezıjő az anyag ( λ ), annál rosszabb k csökken. W 46
Hısugárzás - Lángsugárzás - Gázsugárzás Hısugárzás tartománya 0,35 10 µ m Lángsugárzással átadott hı A besugárzott felületen 4 4 T T l f Qɺ S = A c f ε eff W 100 100 8 W c f = 10 σ = 5, 67 4 m K [ ] 47
Gázsugárzás CO, HO Szelektív sugárzás, 4 3,0 µ m CO H O 4, 0 4,8 µ m 1,5 16, 4 µ m 1,7,0 µ m, 3,0 µ m 1 30 µ m Nem I λ spektrális sugárzásintenzitással számolunk, hanem a teljes hullámhosszra átlagolt szürke testnek feltételezett ε értékekkel: n ε gáz = 1 e, ahol (,, H O, CO ) n = f p s ϕ ϕ p össznyomás ~ált. atm. s = 4 V egyenértékő rétegvastagság A V gáztérfogat A gáz által érintett falfelület ϕ, ϕ térfogatarány HO CO 3 m HO gız ϕ HO = 3 m tü. a. 3 m CO ϕ CO = 3 m tü. a. 48
Tőztér méretezése Tüzeléssel bevitt hı Sugárzással átadott hı Hımérleg: Füstgázzal elvitt hı ahol F V c T T ki elm pfg = T elm ( ) Qɺ = Bɺ F + L c T T tü. a. pl lev ki 4 4 Tláng T f Qɺ S = A c f ε eff 100 100 8 W c f = 10 σ = 5, 67 4 m K Q Q 1 Qɺ = Qɺ Qɺ 1 tü. a. Qɺ = Bɺ V c T 1 pfg ki QS = 1 ɺ Qɺ tü a µ tü. a... pfg S relatív hıfelvételi tényezı ( 1 µ ) Qɺ tü a ( 1 µ ) Qɺ 1 =.. Bɺ V c T = Bɺ F T ( ) = 1 µ T = T 1 µ ki elm ki ki F = ( 1 µ ) V c pfg 49
Kazán fajlagos jellemzıi Fajlagos térfogati hıterhelés q V Qɺ = V rostélytüzeléső gızkazán 30 580 kw 3 m szénportüzelés 110 190 kw 3 m olaj-, gáztüzelés 440 550 kw 3 m repülıgép gázturbinája 10 15 MW 3 m Fajlagos keresztmetszeti hıterhelés Tőztérfelület fajlagos hıterhelés szénportüzelés 100 kw m nagyvízterő kazán 300 kw m 500 600 kw m q q -nél szúróláng lép fel k A tü. a. tü. Qɺ = A tü. a. k Qɺ = A tü. a. t kw 3 m kw m kw m A a tőztér palástfelülete t 50
Terhelési tényezı Formatényezı Qɺ S q A Qɺ V q Qɺ A Qɺ V A t S tü. β = = = V tü. a. t tü. a. tü. At f = Vtü. 1 β = µ µ = β f f Tki = 1 β f T elm Ha nagyobb hıteljesítményő kazánt akarunk építeni Q ɺ tü. a. -t kell növelni növelni kell Vtü. de akkor csökken f. Ha f csökken β -t kell növelni, hogy T áll. maradjon. ki -t, 51
Hımérsékletek alakulása a főtıfelületek mentén 5
Vízbefecskendezés szerepe besugárzott túlhevítı konvektív túlhevítı sorba kapcsolt túlhevítık Q S 4 4 T T l f = áll A 100 100 Q = f mivel T l áll, ezért Q S áll B ɺ csökken, ( ) S T l T nı mɺ g csökken g ha csökken csökken fg mɺ, akkor csökken B ɺ, csökken g w, csökken α t 0 eléréséhez vízbefecskendezés V fg, 53
Energiamérleg Vízbefecskendezés /folytatás/ ( mɺ mɺ ) h1 + mɺ htv = mɺ h h1 h mɺ bef = mɺ thg h1 htv Miért a két túlhevítı közé érdemes a befecskendezést tenni? thg bef bef thg 54
Szerkezeti anyagok fejlıdése Kritikus felületek - Elgızölögtetı - Nagynyomású túlhevítı - Nagynyomású túlhevítı győjtıkamra 55
Turbinák Fúvókából kilépı közeg sebessége Áramlástanból ismert gázok kiömlése tartályból: κ p c1 = RT0 1 κ 1 p0 Átbocsátott gızáram / A keresztmetszeten/ κ 1 κ A c 1 κ p mɺ = = A RT0 1 v v κ 1 p 0 v A v v0 v 0 0 p = p 0 p v v v 1 κ 0 0 0 κ 1 κ 1 κ 1 p κ κ κ p p mɺ = A 1 p κ 1 p v Ψ 0 mɺ = A Ψ p v 0 0 0 0 0 56
A Ψ összefüggés más alakban: Ψ = 0, ha p 0 p =, illetve ha 0 0 0 p 1 p = dψ Ψ max = 0 helyen itt p d p ezzel 1 κ 1 κ p p Ψ = κ 1 p0 p0 p = p κ + 1 0 κ + 1 κ κ κ κ 1 κ Ψ max = κ + 1 κ + 1 a kritikus nyomásviszonynál. 57
Mire jó ezt tudni? Azonos nyomásviszonynál, és így azonos Ψ mellett a kifolyó mennyiség adott közeg esetén csak a kezdeti állapottól függ: mɺ = A Ψ p v A kritikus nyomásviszony csak a közeg κ -tól függ: Levegıre κ = 1, 4 Túlhevített gızre κ = 1,3 p p 0 kr. Száraz telített gızre κ = 1,135 Nedves gızre κ = 1, 035 + 0,1 x A kritikus sebesség ezzel c = 0,58 p p 0 kr. κ 1 κ κ p krit = p0v0 1 κ 1 p0 krit c krit 0 0 = 0,546 p p 0 kr. és κ = p v κ + 1 0 0 = 0,577 p p κ 1 κ 0 krit = κ + 1 Az egyszerő szőkülı fúvókában a legszőkebb keresztmetszetben ennél nagyobb sebesség nem léphet fel. 58
p Egyszerő szőkőlı fúvókában p 0 krit -nél A görbe bal ága vízszintes, c = áll. marad Laval fúvókánál felírható a folytonosság alapján Tehát egy bıvülı toldatot kapunk. Ψ max érhetı el. A Ψ = A Ψ = áll A A krit krit Ψ Ψ max = = 1. ábra max. AC AB 59
Vákuumba történı kiömlésnél továbbá, mivel c krit κ 1 κ κ p c = p v 1 c = c 1 0 0 1 1max κ 1 p0 κ = κ + 1 p v 0 0 c1max Levegıre =, 45 ckrit c1max Túlhevített gızre =,77 c krit c p = 0 κ = κ 1 p v 1max 0 0 c1max κ + 1 ezért = c κ 1 krit ( ha p = 0! ) A Laval fúvókából kilépı közeg sebessége tehát kb.,5-szerese lehet a hangsebességnek. 60
A fúvóka gızturbinában általában egyszerő szőkülı fúvóka. A kilépı keresztmetszet nem merıleges az áramlásra: p krit nyomásig ( 1) p < p ( M > 1) ha krit ha α 1 nı, c 1 csökken. M <, a kilépı sebesség iránya α 1,a közeg a fúvóka mögött tovább expandál, ami sugáreltérést okoz. 61
Turbinafokozat Egyszerősített energiaegyenlet h 0 1 c c iz 0 1 0 + = h1 + c h h = h = iz c 1iz 0 c = h + c 1iz iz 0 6
Turbina szabályozás 1. Fojtásos szabályozás. Mennyiségi szabályozás Fojtásos szabályozás Mennyiségi szabályozás 63
Utolsó fokozat lapátsora l 1 1 D 3 4 FC = m r ω m = A ρ l D r = u u r ω = = r D u FC = A ρ l D tehát FC u Hosszú lapát mentén a sebességi háromszög alakulása D π n m u = 60 s 64
Vízfékezési veszteség Kilépési veszteség utolsó fokozatnál w 1 forgólapát hátába ütközik csökkenti Fu -t. cmin = u sin β Kilépési veszteség c δ ki = u sin β δkimin = ahol c w 3 m ha V ɺ s csökken, akkor m w s csökken, vagyis m c s is csökken. Ha Vɺ = 0 c = u 65
Axiális erı egy fokozatra ax ( sinα sinα ) π ( ) F = mɺ c c + D l p p 1 1 1 c c 1a a Kiegyenlítı dob által létrehozott kiegyenlítı erı ( DD Db ) π FD = pkerékszekrény p 4 Tömszelence ( ki ) 3 m Expanzió: v kg nı A w kg mɺ = v s 66
Fokozatcsoport mɺ tömegáramának p, p nyomásoknak 1 T 1 hımérsékletnek összefüggı értékeit a fokozatcsoportra számított entalpiaváltozáskor kapjuk eredeti értékek mɺ p1, p, T1 megváltozott értékek mɺ p 1, p, T 1 ( ) ( ) p1 p T1 mɺ = mɺ p p T ha p 1 >> p, p 1 >> p és T 1 T 1 akkor, mɺ = mɺ p 1 p 1 1 1 Stodola összefüggés ez kondenzációs turbinára jellemzı, ahol p 0 67
Szabályozó fokozattal rendelkezı turbina nyomáslefolyása 1 szelep nyitva m ɺ kicsi p 1 kicsi szelep nyitva legyen ez a tervezési állapot 3 szelep nyitva jelentısen nı az utolsó fokozat terhelése 68
Fokozatcsoport nyomáslefolyása az ellennyomás változásával 69
Nyomáslefolyás turbinafokozatok közötti megcsapolás esetén Ha mɺ cs megcsapolási tömegáramot növeljük, akkor a megcsapolás elıtti fokozatok terhelése nı. Vigyázat lapáttörési veszély! 70
Turbina veszteségei Mechanikai Áramlástani - Profilveszteség η, η 1 - Lapáthossz veszteség = f l - Parcialitási veszteség - Kötözı vagy rezgéscsillapító huzal okozta veszteség - Lapátvég leélezési veszteség - Hosszú lapátok legyezısége okozta veszteség - Tárcsasúrlódási és ventilációs veszteség - Résveszteség - Vízfékezési veszteség - Kilépési veszteség 71
Akciós és reakciós turbinák összehasonlítása Akciós - Nagyobb átmérıjő, de kevesebb fokozatú, rövidebb forgórész hossz - Nem érzékeny a radiális rések nagyságára - Munkaigényesebb a forgórész és lapátozás; nagyobb felszerszámozást igényel - Forgórész tömege a gızzel öblített felületéhez képest kicsi forgórész gyorsabban melegszik, mint a ház terhelésváltozáskor! Reakciós - Kisebb átmérıjő, hosszabb, sokfokozatú, általában többházas kivitel - Radiális hézagra érzékeny - Hosszabb lapátok esetén hatásfok jó, profil szerepe kisebb, mint akciósnál - Forgórész és ház melegedése hasonló - Terhelésváltozás, indulás rövidebb idı alatt végrehajtható 7
Gázturbina munkafolyamat Hasznos teljesítmény ( P h ) Turbina teljesítménye P = P P h T K K kompresszor T turbina 1 PT = mɺ h34 = mɺ cpg ( T3 T4 ) = mɺ cpg T 3 1 T3 T 4 κ g 1 = 1 κ g 1 = ɺ p δ 3 = δ p κ g 1 T3 p κ g 3 T4 p4 PT m cpg T3 4 Tehát P = f ( mɺ, T, δ ) T 3 73
Kompresszor teljesítményfelvétele Tehát P = f ( mɺ, T, π ) K Hıbevezetés 1 Ideális munkafolyamat termikus hatásfoka Tehát η = f ( π, κ ) t T PK = mɺ h1 = mɺ cpl ( T T1 ) = mɺ cpl T1 1 T1 κl 1 T p κl κl 1 = T1 p κ 1 l PK = mɺ cpl T1 π 1 p = π p 1 be ( ) Qɺ = mɺ h = mɺ c T T Ph 1 ηt = = 1 Q π 3 pl 3 κ 1 κ π = δ ɺ pl pg be c l = c κ = κ g 74
Hatásfok alakulása a nyomásviszony függvényében Hasznos teljesítmény a nyomásviszony függvényében κ 1 κ 1 1 κ κ Ph = cp T3 1 cp T1 π 1 π P h = 0 helyen keressük Popt -ot π 1 cp T3 c 1 p T1 = 0 κ κ π T κ ( κ ) 1 3 opt = T1 π 75
Fıbb veszteségek ideálistól való eltérés 1. 1. Kompresszió, expanzió nem izentrópikus. Súrlódás miatti veszteségek 3. Mechanikai veszteség 4. Közegjellemzık változása (a hımérséklet és összetétel miatt) η Kompresszió iz adk = = pl ( 0 1) ( ) h cpl T T h c T T 1 κ 1 1 κ PK = mɺ cpl T1 π 1 η adk Expanzió ( 3 4 ) ( ) 3 40 η adt h cpg T T = = h c T T iz κ g 1 1 κ g P = mɺ c T 1 η δ T pg 3 adt pg 76
. Súrlódás miatti nyomásveszteségek p 1 σ be = kompresszor belépésnél (szőrı, hangtompító) p0 σ p p 3 tüz = 3 p3 p = p hıcserélı, tüzelıtér 0 σ ki = turbina után (kémény, hangtompító) p4 σ σ σ π = δ be tüz ki 3. Mechanikai veszteség (tengelysúrlódás + segédberendezések energiaigénye) 4. Közegjellemzı változása 77
Munkafolyamat veszteségekkel 78
Hatásfokjavítás lehetıségei a.) növelni kell T 3 hımérsékletet (anyag, hőtés) b.) csökkenteni kell T 1 hımérsékletet c.) turbinából kilépı nagyhımérséklető közeg hıjét hasznosítani kell a.) T 3 növelés lapáthőtés 79
c.) hıcserélı alkalmazása Hıcserélı hatásfoka η hıcs ( ) ( ) cp T T = c T T p 4 h η t = Q ɺ be Qɺ be = mɺ cp ( T3 T4 ) P hıcserélıs esetben: Qɺ = mɺ c T T be p p ( 3 ) ( ) ( ) mɺ c T T < mɺ c T T 3 p 3 tehát a hatásfok nı - rekuperatív hıcserélınél 0, 4 0, 7 - regeneratív hıcserélınél (forgó) 0, 7 0,9 80
Gázturbina kapcsolások Egyszerő gázturbina, nyitott munkafolyamat Nyitott munkafolyamat hıcserélıvel Nyitott munkafolyamat: Környezetbıl levegıt szív a kompresszor Környezetbe égésterméket bocsát ki a turbina Nyitott: nincs fizikai kapcsolat a levegı be és az égéstermék ki között. K kompresszor T turbina M indítómotor H hıcserélı K kompresszor T turbina M indítómotor 81
Zárt munkafolyamat K 1 kisnyomású kompresszor; K nagynyomású kompresszor; 1 T nagynyomású turbina; T kisnyomású turbina; H hıcserélı; 1 H közbensı újrahevítı; M motor (indító) 8
Jelentıs összhatásfok-javulás érhetı el kombinált ciklusú munkafolyamatokkal Carnot körfolyamat jobb megközelítése! veszteség 5 1 közötti hı 83
Kombinált ciklusú (gáz-gızturbina) kapcsolások 84
Hıhasznosító kazán Kényszer cirkulációs - Helyigény nem korlát - Egyszerő - Beépített by-pass rugalmasságot növeli 85
Kombinált munkafolyamat P Folyamat hatásfok: η = Gázturbina hatásfok: η Gızturbina hatásfok: η ö gázt gızt gázt + P Qɺ be P = Q ɺ gázt be P = Qɺ gızt el gızt ε Gızkörfolyamatba belépı hı = Q ɺ el ε = Q ɺ ε < 1 kihasználási tényezı Példa: gızbe ( 1 ) ( 1 ) Qɺ = Qɺ P = Qɺ η el be gázt be gázt Qɺ = Qɺ ε = Qɺ ε η gızbe el be gázt ( 1 ) P = η Qɺ = η Qɺ ε η gızt gızt gızbe gızt be gázt P η = ηgızt = 0,3 ηgázt = 0,3 ηö = 0, 47 ε = 0,8 ö ( 1 ) + η Qɺ ε η Qɺ gázt gızt be gázt η gızt ηö = ηgázt 1+ ε ηgızt ε η gázt be 86
Tüzelıtér p veszt w lev w 5 1 -re csökken de Λ -hoz képest túl nagy lángstabilizálás tüzelıtér nyomásvesztesége p = p + p hideg meleg hidraulikai veszteség lev T p = ρ w Tbe ki meleg 0,5 1 87
Csöves tüzelıtér Csöves tüzelıtér térfogati hıterhelése 0 30 MW 3 m Győrős tüzelıtér térfogati hıterhelése 100 150 MW 3 m 88
Turbinalapátok élettartama Lapát anyagok Ni bázisú 80% Ni, 0% Cr Ni egy részét: kobalt milobdén wolfram Kerámia anyagok - Szilikonnitrid 3 4 Si N - Szilikonkarbid SiC 89
Belsı égéső motorok Elméleti munkafolyamat V = lökettérfogat l V = kompresszió térfogat k Kompresszió viszony: Vl + Vk ε = V Hıközlés V = áll. szikragyújtású motor [Ottó] p = áll. kompressziógyújtású motor [Diesel] részben V = áll. + részben p = áll. Seiliger motor k 90
Valóságos motor munkafolyamat Lényeges eltérések az ideális munkafolyamattól: a.) Mindig friss töltetet kell a hengertérbe juttatni a munkát végzett égéstermék helyére van tehát töltéscsere munkafolyamat, ami csökkenti a hasznos munkafolyamatot; lehet visszamaradt égéstermék a hengerben; töltéscsere a szelepeken keresztül veszteséget okoz. b.) A kompresszió és expanzió nem adiabatikus: Van hıcsere a közeg és a fal között. c.) Égés véges sebességő nagysága függ λ -tól, Re számtól, keverék hımérsékletétıl égés tehát nem tud V = áll. -n végbemenni. d.) Égés alatt van hıleadás reakciók egy része befagyott ( H CO CH < ),, 5% 91
e.) Égés alatt nagy nyomáson az égéstérbıl a dugattyú és persely között gázcsere lép fel csökken az égéstérben a nyomás, és így a kinyerhetı munka. f.) Súrlódási veszteségek Dieselnél nagyobb nagyobb ε erısebb dugattyúgyőrők 9
A valóságos munkafolyamat (veszteségek figyelembevételével) SZNY szívószelep nyit SZZ szívószelep zár KNY kipufogószelep nyit KZ kipufogószelep zár ÉK égés kezdete 93
Motor mindenkori teljesítményét a friss töltet m tömege korlátozza A töltet tömege: A töltési fok: m ph T λ t = = m T p elm h 0 0 négyütemő motornál: λt 0, 7 0,9 λ t növelési lehetıségei: - több szívószelep alkalmazása p csökkentése: kis szelep ellenállás szívócsatorna kis ellenállása p V ( p0 p) Vl ( ) h l m = = R T h R T 0 + T - T csökkentése: szívócsı ne a meleg részeknél legyen - gyors szelepzárás: dinamikus töltés kihasználása Az elméleti töltet: környezeti állapotú közeggel töltve fel a hengert. p0 Vl melm = R T 0 94
Motorok fıbb jellemzıi Teljesítmény: P elméleti teljesítmény: 0 - veszteség mentes áramlás - nincs gázváltási munkafolyamat - tökéletes égés stb. - ideális gáz; P i indikált teljesítmény: a motor hengerterében mérhetı teljesítmény; P e effektív teljesítmény: a motor tengelyén mérhetı teljesítmény; Középnyomás: a munkafolyamat alatt a dugattyúra ható képzeletbeli átlagolt nyomás. W = p V p i = indikált középnyomás; p = effektív középnyomás: 4 ütemő Ottó motornál 10-1 e k l W pk = Vl ez a lökettérfogatra vonatkoztatott munka munkasőrőség 4 ütemő Diesel motornál 8-9 feltöltött 14-0 95
Motor fıbb jellemzıi (folytatás) Fajlagos tüzelıanyagfogyasztás Bɺ g kg g b = P kw h Bɺ ; tömegáram; h h Szikragyújtású motor: b = 60 85 g kw h Kompressziógyújtású motor: b = 190 50 g kw h Hatásfok: P kj η = Q ɺ Q ɺ h tüzelıanyaggal bevitt hı Qɺ = Bɺ F Szikragyújtású motor: η 0,3 0,35 Kompressziógyújtású motor: η 0,35 0, 45 Mechanikai hatásfok: Pe Pe η m = =, P P + P i e v ahol P v a veszteség teljesítmény. 96
Indikátor diagramm p ϕ 97
Keverékképzés Szikragyújtású motorban Külsı keverékképzés: - karburátor - befecskendezés szívócsıbe Belsı keverékképzés: - befecskendezés az égéstérbe (hengerbe) Karburátor: elemi porlasztó (Bánki-Csonka találmánya) cl = p, ahol p = p0 pt ρ l Levegı tömegáram: mɺ = µ A c ρ = µ A ρ p l T T l l T T l Tüzelıanyag tömegárama: mɺ = µ A c ρ = µ A ρ p t f f t t f f t 98
Fúvóka szőkítési tényezı tényezı ( µ f ) a Re szám függvényében ct d Re = ν fúvóka d = Re szám a lamináris-turbulens határán van 3 c lamináris esetben t l ν ρ p = t d ρt ct turbulens esetben p = p = p ρ g h h 10mm a szórócsı túlemelése t t Levegı/tüzelıanyag arány: 1 [ mm] m ct = 1 6 s ( ) 6 m ν = 0,7 1,0 10 s 1 1 1 1 µ ( ) T AT ρ l l p µ T A T ρ l p = 1 = t µ ( ) t f f t t f A ρ µ ρ ρ f ρ t mɺ mɺ p g h A p g h 99
Elemi porlasztó hátrányai: - kis terhelésen elszegényedik a keverék - tranzienseket nem képes követni gyorsítás, indítás és felmelegítés - magasságváltozásból adódó nyomásváltozást nem tudja követni: levegı sőrőség csökken, a keverék dúsul! A hátrányok kiküszöbölésére kiegyenlítı fúvóka gyorsító fúvóka üresjárati fúvóka 100
Befecskendezés közvetett szívócsıbe közvetlen hengertérbe Közvetett befecskendezés Befecskendezés: - Kezdete: gyújtáselosztó vezérli; - Idıtartama: ρ szívócsı, nmotor, tlevegı adataiból - Korrekciót végez: hidegindítás; felmelegítés; n esetén. max Befecskendezés elınye: - Jobb hengertöltés; - Szívócsı optimális töltésre alakítható; - Kopogási határ nagyobb ε felé tolódik minden henger azonos keverékminıséget kap; - Hengert a párolgó tüzelıanyag hőti; - Kisebb fajlagos tüzelıanyag fogyasztás. 101
Közvetlen befecskendezés /benzin/ 1 elektronikus vezérlı egység levegı tömegáram mérı hımérsékletérzékelıvel 3 fojtás 4 szívónyomás érzékelı 5 tüzelıanyag tartály 6 adagolószivattyú 7 nagynyomású szivattyú 8 nyomásvezérelt szelep 9 nyomásérzékelı 10 füstgáz visszavezetı szelep 11 λ szonda 1 NO x katalizátor - feltétele komplex motorvezérlés - Tüzelıanyagot tetszıleges idıpontban a tárolóval ellátott nagynyomású befecskendezı rendszer révén lehet befecskendezni. - Elektromágneses nagynyomású befecskendezı szelepen keresztül közvetlenül a hengerbe lehet befecskendezni. - A levegıáram a fojtással állítható. - Különösen dinamikus üzemben fontos a füstgáz visszavezetés pontos beállítása ezért szükséges a szívóvezetékben a nyomás mérése. 10
Közetlen befecskendezés mőködése Kis terhelésen Erısen rétegzett hengertöltet és nagy légfelesleg a kis tüzelıanyag fogyasztás érdekében; Röviddel a gyújtás idıpontja elıtti befecskendezéssel az égéstérbe ideális esetben két zóna alakul ki: 1. Égıképes tüzelıanyag/levegı keverék a gyertya körül;. A fenti körül levegı-égéstermék szigetelı réteg. Eredmény: fojtás nélküli üzem, égéstér falazat felé csökkent hıleadás (szigetelı levegı/égéstermék réteg) Növekvı terhelésen A keverék tüzelıanyagban dúsul koromképzıdési veszély, ezért: Homogén hengertöltet; Befecskendezés már a szívási ütemben levegı/tüzelıanyag jó átkeveredése; Beszívott levegıtömegáram nyomatékigény szerint fojtóretesszel állítható be; A szükséges tüzelıanyagot a levegı mennyiségébıl számítja és λ -szondán keresztül korrigálja. 103
A motorvezérlésének két jellegzetes tartománya van: a.) réteges üzem (kis terhelés); b.) homogén üzem (nagy terhelés). Motorvezérléssel szembeni követelmények: 1. Befecskendezési idıpont az üzemi pontnak megfelelıen kell: - Késıi befecskendezést (kompresszió végén) megvalósítani; - Korai befecskendezést (szívóütem) megvalósítani.. Beszívott levegıtömeg beállítása független kell, legyen a gázpedálállástól, hogy - Kis terhelésen fojtás nélküli üzem lehessen; - Nagyterhelésen a megfelelı fojtásállítás lehessen. Elınyök: - Csökken a tüzelıanyag fogyasztás; - Nagyobb motorteljesítmény. 104
λ -szonda: O érzékelı Zr O kerámiából készül. 105
Motor fıbb jellemzıinek összefoglalása Hengertérfogat V = V + V h l k Kompresszióviszony Vh ε = V k Nyomaték M = F k (fékpadon k karon mért F erı) Effektív teljesítmény P = π n M e Indukált középnyomás Pi pi = Vl n i i = : 4 ütemő i = 1: ütemő Indukált hatásfok Pi η i = F = főtıérték Bɺ F Effektív hatásfok Pe η eff = Bɺ F Fajlagos középfogyasztás Bɺ 1 be = = P F η e eff kj kg d = furat ( mm ) l = hajtórúd hossz ( mm ) s = löket ( mm ) ϕ = forgattyú szögelfordulás a Fhp-tól Lökettérfogat d π 3 Vl = s cm 4 V legkisebb térfogat (kompresszió térfogat) k 106
Égés Otto motorokban Égéstér lehetıleg gömb alakú: egyenletes lángterjedés Égési sebesség 0 30 m s Rendellenes égés - öngyulladás - kopogás Öngyulladás: - nagy hımérséklető helyrıl indul ki; Pl.: lerakódások: korom, koksz. - teljesítmény csökken, a motor rángat. 107
Kopogás Az érzékelhetı zaj, a kopogás nem mechanikai, hanem égési zaj. Befolyásoló tényezık: - Égéstér alakja; - Kompresszióviszony; - Elıgyújtás; - Légfelesleg; - Beszívott levegı hımérséklet; - Oktánszám. Szikragyújtás után az égés kezdeti szakasza normális: m végés = 0 30 s A közben kifejlıdı másodlagos gócok maguktól begyulladnak, m égési sebességük végés = 300 600 s A leválasztott jel frekvenciája f 6 7 khz Kerülendı, mert megnı a mechanikai (dugattyú győrők) és hıigénybevétel. 108
Kompressziógyújtású motor (Diesel) ε = 14 fordulat nmax = 1800 00 00 400 perc ( kw ) fordulat nmax = 3000 3500 50 90 perc ( kw ) Diesel olaj fıbb tulajdonságai: - illékonyképesség; 40 C-on,5-5 cst - viszkozitás ( ) - cetán szám ( 50 55) - gyulladási késedelemre jellemzı; 100 jól gyullad; - cetán ( ) - alfa-metil-naftalin ( ) 0. Gyulladási késedelem: az az idı, ami a tüzelıanyag elpárolgása, levegıvel való keveredése és az égés megkezdése között eltelik (τ 0,001s) Értéke változik: - A tüzelıanyag tulajdonságával; - A cseppmérettel; - A keveredés módjával; - A hımérséklettel. 109
Gyulladási késedelem Minél nagyobb a gyulladási késedelem, annál zajosabb lesz az égés ez az ú.n. Diesel-kopogás, indulásnál és kisterhelésen jellemzı. 110
Keverékképzés Elemei: - Adagoló szivattyú; (ciklusonkénti tüzelıanyag adagot biztosítja); - Porlasztó - Cseppekre bontás; - Behatolási mélység; - Égéstér egyenletes kitöltés. Cseppeknek a töltet levegıvel maximálisan el kell keveredni elpárologni elégni; mindezt nagyon rövid idı alatt. Kompresszió Véghımérséklet: 600 C ; Hidegindításnál: < 400 C izzítógyertya. Porlasztási nyomás: 300 bar elıkamrásnál, 1000 100 bar common rail rendszernél. Koromképzıdés veszélye: ha több a befecskendezett tüzelıanyag, mint O ehhez rendelkezésre áll, akkor a H -tartalom elég, és fekete füst (korom) jön ki a motorból, ezért korlátozni kell a maximális tüzelıanyag adagot. 111
Sugár behatolás elvi ábrája 11
maximális szállítás részleges szállítás üresjárat Mennyiségszabályozás elvi vázlata (Bosch adagoló) 113
Különbözı kialakítású égésterek közvetlen befecskendezéső motorokban a.) félgömb alakú égéstér; b.) lapos csésze alakú égéstér; d c.) toroid alakú égéstér 4 h d d.) mély toroid alakú égéstér h 114
Elıkamrás eljárás Örvénykamrás eljárás Közvetlen befecskendezés Tüzelıanyag befecskendezési eljárások M-eljárás 115
M-eljárás Égés mechanizmusa: 1. tüzelıanyag felkenése a falra;. elpárolgás (kevés levegı); 3. tüzelıanyag és levegı jó keveredése; 4. idegen gyújtás ( ) 5. égés 5% öngyulladás elıtt; λ 1, -ig le lehet menni. Párolgás a tüzelıanyag minıségétıl kevésbé függ, ezért mindenevı motornak is hívják. Lágy eljárás tüzelıanyag egyenletesen párolog és ég el. 116
Égéstér kialakítások - osztatlan égéstér közvetlen befecskendezés - osztott égéstér közvetett befecskendezés Osztatlan égéstér - kialakítása a dugattyúban - porlasztótipust kell hozzá illeszteni Osztott égéstér - elıkamra, Térfogata a kompressziótérfogat 0-50%-a. - örvénykamra Diesel motor új generáció (elektronikus vezérlés) 117
Turbótöltı felépítése 118
Turbo feltöltés Töltési fok mval λ t = m elm p0 Vl pv Vv melm = mval = R T0 R Tv p V R T p T V λt = = R T p V p T V p v p 0 v v 0 v 0 v v 0 l 0 v l = π feltöltési nyomásviszony; V = V + V = a lökettérfogat + kompressziótérfogat = Vhenger ; v l k T v a kompresszió véghımérséklete; 1 λt = f, ezért fontos a visszahőtés; Tv Visszahőtı lehet: Levegı-víz t 60 + 15 C vh Levegı-levegı t t0 + 0 C vh - üresen járó gázturbina - tüzelıtér helyén a motor 119
Állandósult állapotban P K = P T n K = n T mɺ K = mɺ T (tüzelıanyaggal több) Feltöltés növeli a hatásfokot: 1. növeli az effektív középnyomást. nagy levegı/tüzelıanyag arány és nagy középnyomás miatt növeli az indikált hatásfokot 3. nagy levegı/tüzelıanyag arány miatt kipufogógáz hımérséklete csökken 4. kipufogógáz energiája hajtja a töltıt, amely energia különben elveszne Feltöltés korlátai, hogy a feltöltéssel nı: - a munkafolyamat nyomásszintje - hımérsékletszintje - kibocsátott NO X (visszahőtés!) - hıterhelés - mechanikai terhelés 10
Feltöltött motornál a motorjellemzık alakulása A nyomatéknövekedés egyrészt η eff növekedés miatt, másrészt a tüzelıanyag adag ( d ) dózis növelése miatt. 11
1
Mesterséges hőtés Alkalmazás: - Táplálkozás: mezıgazdasági (málna, kukorica) hőtılánc, hőtıházak - Klimatizálás - Ipar: vegyipar, gyógyszeripar - Egyéb 13
Hőtıberendezésnél Fajlagos hőtıteljesítmény Qɺ 0 ε i H. B. = E Alkalmazott hőtıberendezések osztályozása: A befektetett energia alapján - Mechanikai munka; - Hıenergia; - Közvetlen villamos energia; Hıszivattyúnál Fajlagos főtıteljesítmény Qɺ f ε H. Sz. = E A hőtıközeg alapján: - Légnemő: a hőtıközeg halmazállapota változata; - Gıznemő: a hőtıközeg halmazállapota változik a hőtı-körfolyamatban; A hőtendı közegbıl történı hıfelvétel során a hőtıközeg elpárolog (folyadék gız). A hıleadás kondenzációval történik (gız folyadék). A mechanikai munkát igénylı folyamatokat megvalósító hőtıberendezések az ún. kompresszoros hőtıberendezések. Az alkalmazott hőtıközeg gıznemő. 14
Kompresszoros hőtıkörfolyamat Carnot körfolyamat Adott hımérséklethatárok között a lehetséges legkedvezıbb fajlagos hőtıteljesítményt nyújtó hőtıfolyamatok egyike. Ideális gáz 1 izentrópikus kompresszió; 3 izotermikus hıleadás; 3 4 izentrópikus expanzió; 4 1 izotermikus hıfelvétel; A Carnot hőtıkörfolyamat gyakorlati megközelítése: Gıznemő hőtıközeg p0 Izotermikus hıfelvétel: elpárolgás; t t < t Izotermikus hıleadás: kondenzáció. t t > t h a 0 0 p h a t h t a t 0 t Hőtendı közeg hımérséklete; Atmoszférikus közeg hımérséklete; Elpárolgási hımérséklet; Kondenzációs hımérséklet; 15
Carnot-hőtıfolyamat; hőtıközeg gıznemő; q0 ε C = Fajlagos hőtıteljesítmény; w T0 ε C = T T 0 Gyakorlati megvalósítása: - Az elpárologtatóban teljes elpárolgás (mechanikus kompresszor) - Az expanziósgép helyett fojtószelep h = áll. : 16
Összehasonlító hőtıkörfolyamat Eltér a Carnot-hőtıfolyamattól. A berendezési elemekben fellépı veszteségeket figyelmen kívül hagyjuk. 17
A hőtıközeg 1 kg -ja által felvett hımennyiség az elpárologtatóban q 0 = h h q0 1 4 kj kg A hőtıfolyamat fenntartásához szükséges bevezetendı fajlagos munka w kj w = h h1 kg A hőtıközeg 1 kg -ja által leadott hımennyiség a kondenzátorban q = h h q 3 kj kg q 0 A fajlagos hőtıteljesítmény ε = w Egy adott [ kw ] Qɺ mɺ = q 0i 0 ɺ hőtési igényhez a hőtıközeg tömegárama mɺ Q 0i kg sec A kompresszor által forgalmazandó térfogatáram V ɺ k 3 ɺ m m = mɺ v1, ahol v sec kg V k 3 Elméleti teljesítményfelvétel P P = mɺ w kw [ ] A kondenzátor hıteljesítménye Q ɺ Qɺ = mɺ q kw [ ] 1 hőtıközeg fajtérfogata ( ) ε > ε C Mert: Reális a hőtıközeg; A hıleadás bizonyos része nem izotermikus; Hasznos munkavégzés nélküli expanzió, fojtás miatt. 1 -nél. 18
Carnot-hőtıfolyamat fajlagos hőtıteljesítményének alakulása t 0 és t függvényében T0 ε C = T T 0 T 0 - elpárolgási hımérséklet T - kondenzációs hımérséklet 19
Eszményi és valóságos dugattyús kompresszor: A kompresszoros hőtıfolyamatot megvalósító berendezések kompresszora az esetek túlnyomó többségében dugattyús kompresszor. Eszményi: - nincs káros tere; - szívásnál, kitolásnál nincs nyomásesés; - hıcsere nincs; V Káros tér; 0 V L Lökettérfogat; V Hengertérfogat; h p Hengerben uralkodó nyomás szívásnál; hsz p Hengerben uralkodó nyomás kitolásnál; hny Valós: - káros tere van V 0 - szívásnál, kitolásnál nyomásesés van; - hıcsere van: hőtıközeg kompresszor fala; 130
η i Indikált hatásfok w η i = wi w Elméleti fajlagos munkaszükséglet; w Indikált fajlagos munkaszükséglet; i 1 h = + 1 i h1 w ηi t i > t λ Szállítási fok Vɺ k λ = Vɺ geo ɺ m A kompresszor szívócsonkjába beszívott hőtıközeg térfogatáram; sec ɺ π D n m = L z A geometriai szállítóteljesítmény; 4 60 sec V k 3 V geo 3 D A henger átmérı [ m ]; L A lökethossz [ m ]; z A hengerek száma; 1 n A fordulatszám min ; λ = η η η v F η Volumetrikus hatásfok; v η F Falhatásfok; η Tömörzárási hatásfok; t t 131
λ, η i függ: - A kompresszor konstrukciójától, méretétıl - A hőtıközegfajtájától; - Üzemeltetési körülményektıl ( ) A kompresszor indukált teljesítményfelvétele P i P Pi = η i A tengelyén bevezetett teljesítmény P t P Pt = η η mech i mech η mechanikai hatásfok p, p 0 ; A kondenzátor hıteljesítménye Qɺ = m ɺ ( h h ) [ kw ] i i 3 13
Az utóhőtés A hőtıfolyamat fajlagos hőtıteljesítményét javítja. = q0 h1 h4 q0 U = h1 h4* q U > 0 q 0 w U = w ε > ε U Azonos hőtıteljesítmény létesítéséhez mɺ U < mɺ Vɺ < ɺ geou V geo P U < P 133
Egyfokozatú kompresszoros hőtıberendezés alkalmazásának korlátai Fontos: - üzembiztonság - mőködıképes - gazdaságosság Elpárolgási és kondenzációs hımérsékletek változásának hatása a hőtıkörfolyamat jellemzıire 134
A hőtıfolyamatra jellemzı elpárolgási ( t 0 ) és kondenzációs ( ) távolodása a hőtıfolyamat változására vezet. 1. t = áll., t p = áll., p p p 0 0, 0 λ, η, v, q, w, t, t 0 ε, min i t, V ɺ, P geo 1. t 0 = áll., t p 0 = áll., p p, λ, η i, v 1 = áll., q 0, w, t i, p 0 ε, minden 0 t 0 max Üzembiztonság t < t i 0 t, V ɺ, P i olaj Mőködıképesség λ > 0 geo i i t hımérsékletek egymástól való Az egyfokozatú kompresszoros hőtıberendezés alkalmazását üzembiztonsági és gazdasági tényezık egyaránt korlátozzák. 135
Adott Qɺ 0i a hőtési igény; t a hőtendı közeg hımérséklete; h t a természetes hőtıközeg hımérséklete. a Kompresszoros hőtıberendezés részegységei és azok együttmőködése A kompresszoros hőtıberendezés fı berendezési elemei: kompresszor, elpárologtató és kondenzátor együttmőködésének vizsgálata alapján lehet és kell meghatározni a berendezés negyedik alapvetı elemével, az adagolószervvel kapcsolatos követelményeket, dönthetünk annak kialakításáról. 136
A berendezés hőtıteljesítménye = hőtési igény Egyensúlyi feltételek (állandósult üzemállapot): ɺ = ɺ Q0e Q0 k ɺ kond = Qɺ 0 k Q + P i Qɺ 0e az elpárologtató hőtıteljesítménye; ɺ a kompresszor hőtıteljesítménye; Q 0k P i a kompresszor belsı teljesítményfelvétele; Q ɺ kond a kondenzátor hıteljesítménye; mɺ = mɺ = mɺ = mɺ e k kond exp mɺ e hőtıközeg tömegárama az elpárologtatón keresztül; mɺ hőtıközeg tömegárama a kompresszoron keresztül; k mɺ hőtıközeg tömegárama a kondenzátoron keresztül; kond mɺ hőtıközeg tömegárama az expanziószelepen keresztül; exp Igaz csak meghatározott ( t, t 0 )-nál. 137
Elpárologtató Elpárologtató hőtıteljesítménye: Q = mɺ c t t ɺ 0e h h ( h1 h ) ( 1 ) ɺ ( th 1 th ) = k A ( ) Q0e e e th 1 t0 ln th t0 ɺ = ɺ ( 3 ) Q0 e m q 0 ( 1 ) és ( ) -bıl ke Ae = wɺ h ( t t ) Qɺ 0 e wɺ h h1 0 1 e ahol wɺ = mɺ c Adott peremfeltételek mellett: ( t,ɺ w, k, A ) akkor Qɺ e = f ( ) h h e e h h 0 t 0 h - nyomásesés nincs; - fázisváltozás nincs a hőtendı közeg oldalán. α változása elhanyagolható. 138
Kondenzátor Kondenzátor hıteljesítménye Q = mɺ c t t ɺ kond a a ( a a1 ) ( 1 ) ɺ ( ta ta 1 ) = k A ( ) Qkond kond kond t ta 1 ln t ta ɺ = mɺ q ( 3 ) Q kond ( 1 ) és ( ) -bıl kkond Akond = wɺ a ( t t ) Qɺ kond wɺ a a1 1 e ahol wɺ =ɺ m c Adott peremfeltételek mellett: ( t,ɺ w, k, A ) akkor Q ɺ kond = f ( t) a a kond kond a a a - nyomásesés nincs; - fázisváltozás a természetes közeg oldalon; α változása elhanyagolható. 139
A kompresszor Qɺ 0k a kompresszor hőtıteljesítménye: a kompresszor által beszívott térfogatáramban szállított tömegárammal az elpárologtatóban felvett hıáram. Vɺ Qɺ λ geo 0k = mɺ q0 = q0 v 1 P i a kompresszor indikált teljesítményfelvétele; λ Vɺ geo w Pi = v η 1 i Adott kompresszor esetén, akkor Q k = f t ɺ ( ), P f ( ) i = 0,t 0 t,t 0 140
Egyensúlyi feltételek: ɺ = ɺ Q0e Q0 k ɺ kond = Qɺ 0 k Q + P i Grafikus megoldása a következı: ɺ (kompresszor-kondenzátor)-ból álló egység a hőtıteljesítmény; Q 0 + ( k kond ) ( t ) t M, 0M -nál az egyensúly mɺ Qɺ 0b mɺ = ( t, t0 ) q 0 141
Adagolószerv (expanzió szelep) A hőtıberendezés különbözı üzemviszonyai mellett az elpárologtató hıátadó felületének teljes kihasználását biztosítja; t -ra. A hőtıközeg hımérsékletének csökkenése ( ) Qɺ 0exp =ɺ m q0 expanziószelep hőtıteljesítménye; Q ɺ 0 exp = f ( t,t0 ) ( p ) mɺ = Bɺ ASZ α ρ exp p 0 mɺ exp szelep áteresztı tömegárama; B ɺ hőtıközeg fajtától (fizikai jellemzı); α átfolyási szám; A keresztmetszet. SZ t 0 14