Energetyka zaoczni

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z GEWiŚ - ENERGETYKA
WYTWARZANIE I PRZESYŁ PARY, STRATY PRZESYŁU
Kocioł parowy - naczynia ciśnieniowe, których zadaniem jest wytwarzanie pary wodnej z
wody o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego. W kotle wytwarza się parę nasyconą lub
przegrzaną.
Powierzchnia ogrzewalna - powierzchnia ścian omywanych bezpośrednio spalinami z jednej
strony, a z drugiej parą, wodą lub powietrzem. Powierzchnia ogrzewalna liczona jest po
stronie spalin i wyrażana w m2.
Pojemność wodna - przestrzeń w kotle, w której podczas pracy znajduje się woda.
Pojemność wodna wyraża się w m3 lub litrach.
Przestrzeń parowa - jest przestrzenią w walczaku kotła, który wypełnia para. Im większa
przestrzeń parowa, tym większa jest możliwość otrzymania bardziej suchej pary bez potrzeby
stosowania specjalnych urządzeń (np. rur osuszających, zbiorników pary itp.)
Obciążenie powierzchni parowej - ilość pary przypadającej na m3 przestrzeni na godzinę
[m3/m3/h]. Dopuszczalne obciążenie jest zależne od ciśnienia w kotle i gęstości wody
kotłowej - im woda kotłowa ma większe zasolenie, tym jest mniejsze dopuszczalne
obciążenie przestrzeni parowej.
Najniższy poziom wody - jest to poziom, przy którym kocioł nie ulega uszkodzeniu wskutek
braku wody. Poziom ten powinien być 100 mm powyżej linii spalinowej.
Wydajność kotła - ilość wyprodukowanej pary w ciągu jednostkowego czasu w kg/h lub w
t/h.
Dopuszczalne ciśnienie kotła - [at, bar] - najwyższe ciśnienie na jakie kocioł został
dopuszczony do eksploatacji przez organ dozoru technicznego.
PROCESY ENERGETYCZNE ZACHODZĄCE W KOTLE PAROWYM
Energia cieplna ze spalania paliwa jest wykorzystywana do ogrzania wody, która ulega
odparowaniu. Powstała para wodna o odpowiednim ciśnieniu i temperaturze spełnia rolę
nośnika energii cieplnej i jest transportowana rurociągiem poza obręb kotła.
Bilans kotła
Q = Qu + Qs
Q = B*Qw
Qu = D(ip - iw)
Qu - ilość energii cieplnej zawartej w parze wodnej
Q - ilość energii cieplnej dostarczonej w procesie spalania paliwa
Qs - suma strat towarzyszących procesowi spalania [kcal]
B - masa spalonego paliwa [kg]
Qw - wartość opałowa paliwa [kcal/kg]
D - ilość wytworzonej pary wodnej przy spalaniu paliwa
ip - entalpia pary wodnej [kcal/kg]
iw - entalpia wody doprowadzonej do wnętrza kotła [kcal/kg]
BQW = D(ip – iw) + QS
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej
www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt
1
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z GEWiŚ - ENERGETYKA
Sprawność kotła

QU D(i p  iw )

Q
BQ w
 - współczynnik sprawności kotła
Sprawność kotła jest tym bardziej zbliżona do jedności, im niższa jest suma strat
towarzyszących procesowi spalania.
W praktyce  = 0,5 – 0,85
Kotły z paleniskiem opalanym pyłem
węglowym, gazem itp.
Kotły z ręcznym popielnikiem
Obciążenie ekonomiczne - jest to obciążenie, przy którym osiąga się maksymalną sprawność
kotła
ve 
De
Dmax
ve - współczynnik ekonomicznego obciążenia kotła
De - obciążenie ekonomiczne [t/h]
Dmax - maksymalne obciążenie kotła [t/h]
Straty przemian energii w kotle parowym:
1. Straty w palenisku:
- strata niezupełnego spalania
- strata przesypu (popielnikowa, niecałkowitego spalania)
- straty związane ze zjawiskiem promieniowania do otoczenia.
2. Straty w kanałach spalinowych i przewodzie kominowym.
3. Straty powstałe w kotle właściwym: nieszczelności aparatury, osadzanie kamienia
kotłowego.
4. Straty przy wygaszaniu i rozruchu kotła.
Straty ciepła nieizolowanych rurociągów:
Q = k(t1 - t2) [kcal/m2h]
m2 - powierzchnia boczna rurociągu
k - współczynnik przenikania ciepła, k = 8+0,036 (t1 - t) [kcal/m2h0C]
t - gradient temperatury (różnica temperatur między parą, a wewnętrzną ścianą rurociągu)
t1 - temperatura pary
t2 - temperatura otoczenia
t dla pary nasyconej = 0
t dla pary przegrzanej = 40 - 500C
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej
www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt
2
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z GEWiŚ - ENERGETYKA
Straty ciepła dla rurociągu izolowanego:
Q
 (t1  t 2 )
d
1
1
ln z 
2 d w d z
[kcal / mh]
 - współczynnik przewodzenia ciepła materiałów izolacji
dz - średnica rurociągu z izolacją
dw - średnica wewnętrzna
a - grubość izolacji
 - współczynnik przejmowania ciepła z powierzchni nagrzanej do powietrza
zewnętrznego [kcal/m2h0C]
 = 8,4 + 0,06 (t0 - t2)
t0 - temp. otuliny (zewnętrzna powierzchnia otuliny)
Straty ciepła rurociągów parowych nie zależą od ilości przesyłanej pary.
Zadania
1. Obliczyć straty ciepła nieizolowanego rurociągu parowego o  = 125/133 i długości 100m
przez który przepływa para nasycona o ciś. 5 atm. i temp. 1510C. Temp. otoczenia 180C.
sprawność cieplna urządzenia kotłowego  = 0,7, wartość opałowa paliwa Qw = 5200
kcal/kg. Wyrazić straty ciepła, jako straty masy paliwa na godz.
2. Jak zmienią się straty ciepła rurociągu parowego z zadania 1 po zaizolowaniu go otuliną o
grubości 60 mm,  = 0,1 kcal/mh0C, jeżeli temp. zewnętrzna powierzchni otuliny wynosi
400C?
3. Oblicz sumę strat kotła parowego podgrzewającego wodę o entalpii 15 kcal/kg i
wytwarzającego 800 ton pary wodnej o entalpii 664 kcal/kg, przy spalaniu 100000 kg
węgla o kaloryczności 5,2*106 kcal/tonę.
4. Ile węgla o kaloryczności 5,2*106 kcal/tonę należy spalić, aby wytworzyć 500 ton pary
wodnej nasyconej, w kotle o sprawności 0,7? Entalpia wody - 15 kcal/kg, pary - 664
kcal/kg.
KLASYFIKACJA I RODZAJ PALIW
Paliwami — nazywamy substancje zawierające określony związek chemiczny lub
mieszaniny różnych pierwiastków i związków chemicznych, które mogą wydzielać ciepło (w
trakcie spalania)
Paliwa dzielimy ze względu na stan skupienia oraz ze względu na pochodzenie:
 naturalne (węgiel kamienny, brunatny, torf, drewno, ropa naftowa, gaz ziemny)
 sztuczne — wytworzone przy przeróbce paliw naturalnych (koks)
 odpadowe — będące produktami ubocznymi różnych procesów.
Podstawowymi składnikami paliw są następujące pierwiastki: C, H, S oraz pierwiastki
niepalne jak O, N oraz nieznaczne ilości związków mineralnych.
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej
www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt
3
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z GEWiŚ - ENERGETYKA
Podstawowymi właściwościami paliw określającymi ich przydatność energetyczną są: ciepło
spalania i wartość opałowa.
Ciepło spalania (HO) — jest to ilość ciepła wydzielona przy całkowitym, zupełnym spaleniu
jednostki masy lub objętości paliwa, po oziębieniu produktów spalania do temp. początkowej
z jednoczesnym skropleniem pary wodnej zawartej w spalinach.
Wartość opałowa (H) — jest to ilość ciepła wydzielona przy całkowitym, zupełnym spaleniu
jednostki masy lub objętości paliwa, po oziębieniu produktów spalania do temp. początkowej
bez wykroplenia pary wodnej zawartej w spalinach.
HO = H + r(9h + w) kJ/kg
r — ciepło odparowania wody (2,5 MJ/kg)
w — zawartość wilgoci w paliwie
h — zawartość wodoru w paliwie
W energetyce przy porównaniu różnego rodzaju paliw w bilansach paliwowych dokonuje się
przeliczeń na masę paliwa umownego (Bu).
Jeden kg paliw umownego odpowiada energii 29,3 MJ (7000kcal).
Bu = B * H/29,3 [kg]
B — ilość paliwa rzeczywistego
H — wartość opałowa (MJ/kg)
Dla paliw gazowych
Bu = V * H/29,3 [kg]
V — objętość paliwa rzeczywistego (gazu)
H — wartość opałowa (MJ/kg)
Granica zapalności — (dotyczy gazów) najmniejsza i największa zawartość gazu w
powietrzu, przy której gaz zapala się w temp. 293K.
Temperatura zapłonu — (dotyczy cieczy i ciał stałych) najniższa temperatura, w której
wydzielające się pary z danego paliwa zapalają się przy zbliżeniu się otwartego płomienia.
Podział paliw pod względem temperatury zapłonu.
 bardzo niebezpieczne — t. z. poniżej 293 K (benzyna)
 niebezpieczne — t. z. 293–320 K (nafta, lekkie oleje napędowe)
 mało niebezpieczne — t. z. powyżej 320 K (oleje napędowe)
Liczba oktanowa — miernik odporności paliwa na spalanie detonacyjne.
Stwierdzenie, że paliwo ma np. LO = 66 oznacza, że jego odporność detonacyjna,
zbadana przy użyciu specjalnego silnika doświadczalnego, jest taka sama jak
mieszaniny: 66% izooktanu i 34% heptanu.
izooktan — duża odporność na detonacje
heptan — mała odporność na detonacje
Aby zmniejszyć skłonność do spalania detonacyjnego do paliwa wprowadza się
rozmaite dodatki przeciwstukowe (czteroetylenek ołowiu).
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej
www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt
4
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z GEWiŚ - ENERGETYKA
Teoretyczna ilość tlenu (powietrza) potrzebna do spalania.
Ot = 8/3 C + 8(H2 – 1/ 8O2 ) + S [kg/kg]
Lt = 1/0,23 [8/3 C + 8(H2 – 1/ 8O2 ) + S] [kg/kg]
Ot — teoretyczna ilość (masa) tlenu potrzebna do spalenia 1 kg paliwa [kg]
Lt — teoretyczna ilość (masa) powietrza potrzebna do spalenia 1 kg paliwa [kg]
C — zawartość węgla w paliwie (udziały masowy)
H2 — zawartość wodoru w paliwie
O2 — zawartość tlenu w paliwie
S — zawartość siarki w paliwie
Współczynnik nadmiaru powietrza 
 = Vpow. rzeczywista/Vpow. teoretyczna
Dla palenisk kotłowych współczynnik nadmiaru powietrza powinien wynosić:
— dla paliw gazowych 1,05–1,2;
— dla paliw ciekłych i pyłu węglowego 1,1–1,4;
— dla paliw stałych na ruszcie mechanicznym 1,3–1,6;
dla paliw stałych na ruszcie obsługiwanym ręcznie 1,6–2.
Proszę zapoznać się z następującymi pojęciami:
Analiza gazów spalinowych — budowa aparat Orsata
Wykresy Buntego
Zadania
1. Oblicz wagowo i objętościowo ilość tlenu niezbędną do całkowitego spalenia 1 kg
chemicznie czystego węgla.
2. Oblicz teoretyczną ilość powietrza potrzebną do zgazowania 1 kg koksu o zawartości 90%
węgla i 10% popiołu.
3. Dany jest skład gazu miejskiego [%]: wodór – 52, metan – 26, tlenek węgla – 14, eten – 4,
dwutlenek węgla – 1, resztę stanowi azot. Oblicz teoretyczną ilość tlenu potrzebną do
spalenia gazu oraz objętość wprowadzanego powietrza przy współczynniku 1,2.
4. Oblicz ile m3 powietrza należy doprowadzić, by spalić 1 m3 gazu o następującym składzie
chemicznym: 98% obj. butanu i 2% obj. azotu. Przyjąć współczynnik nadmiaru
powietrza = 1,1.
5. Oblicz ile m3 powietrza należy doprowadzić, by spalić 1 litr benzyny o składzie: 98%
wag. C8H18 i 2% wag. C9H20. Gęstość benzyny wynosi 0,696 g/cm3, współczynnik
nadmiaru powietrza = 1,2.
6. Oblicz ile m3 powietrza należy doprowadzić, by spalić 20 kg benzenu. Przyjąć
współczynnik nadmiaru powietrza (tlenu) = 1,2.
7. Oblicz masę i objętość teoretyczną tlenu niezbędnego do spalenia 100 m3 mieszaniny
gazów (75% CO, 20% CO2, 5% N2).
8. Oblicz teoretyczną ilość powietrza potrzebną do spalenia 500 m3 gazu ziemnego,
składającego się z 80% metanu, 15% azotu i 5% dwutlenku węgla.
9. Ile powietrza należy doprowadzić do kotła spalającego 0,1 ton/h koksu składającego się z
węgla 95%. (pozostałe 5 % to niepalne substancje mineralne). Uwzględnij współczynnik
nadmiaru powietrza =1,4.
10. Dany jest skład gazu miejskiego (% obj.) wodór 52%, tlenek węgla 14%, resztę stanowi
azot i dwutlenek węgla. Oblicz teoretyczną ilość tlenu potrzebną do spalenia objętości
gazu.
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej
www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt
5
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z GEWiŚ - ENERGETYKA
ENERGIA ELEKTRYCZNA
W sieciach elektrycznych można wyróżnić następujące obciążenia:
1. Obciążenie czynne bezindukcyjne i bezpojemnościowe (grzejniki, żarówki itp.)
2. Obciążenie bierno-indukcyjne (transformatory nieobciążone, silniki asynchroniczne na
biegu jałowym)
3. Obciążenie bierno-pojemnościowe (kondensatory, silniki synchroniczne na biegu
jałowym)
4. Obciążenie mieszane, czynno-indukcyjne lub czynno-pojemnościowe (obciążone silniki
asynchroniczne)
Podczas obciążenia czynnego prąd płynący w obwodzie ma w każdej chwili ten sam kierunek
co napięcie. Wektor natężenia (I) i wektor napięcia (U) pokrywają się:
U
I
Przy obciążeniu czynno-indukcyjnym zmiany natężenia i napięcia nie zachodzą jednocześnie.
Wektor prądu opóźnia się względem wektora napięcia o kąt .
U
I
Icz

Ib
W przypadku obciążenia czynno-pojemnościowego wektor prądu wyprzedza wektor napięcia
o kąt .
U
I
Icz

Ib
W obu przypadkach kąt  może oscylować od 0-900.
Pojęcie mocy
1. moc czynna
2. moc bierna
3. moc pozorna
Układ jednofazowy
P = U*I*cos [kW]
Q = U*I*sin [kVAr]
S = U*I
[kVA]
Układ trójfazowy
P = 3 U*I*cos
Q = 3 U*I*sin
S = 3 U*I
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej
www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt
6
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z GEWiŚ - ENERGETYKA
cos - współczynnik mocy
cos  
P

S
R
R2  (X L  X C )2
R - oporność czynna
XL - oporność indukcyjna
XC - oporność pojemnościowa
Z - oporność zastępcza
Trójkąt mocy
Trójkąt oporności
XC
S
XL
Z
Q


P
R
Moc czynna związana jest z wykonywaniem pracy użytecznej, a bierna reprezentuje tzw. prąd
magnesujący (nie wykonuje pracy czynnej).
Wpływ cos na straty energii elektrycznej.
P = 3I2R — straty mocy
P = 3( I cz2  I b2 )2R = 3Icz2R + 3Ib2R = Pcz + Pb
Ib = Icztg
P = 3IczR + 3Icz2(tg2)R = 3Icz2R(1+tg2) = Pcz(1-tg2) = Pcz
1
cos 2 
Poprawa wartości cos
1. naturalne
- dobór mocy znamionowej silników i transformatorów ściśle do wartości obciążenia
- organicznie biegu jałowego silników
- stosowanie przełączników gwiazda - trójkąt (przy niskich - połączenie w gwiazdę, a
wysokich w trójkąt)
2. sztuczne - kompensacja mocy biernej - polega na instalowaniu urządzeń pobierających
bardzo mało mocy czynnej, "wytwarzając" dużo mocy biernej (baterie kondensatorów)
Qbk
S
Q
1
Q -Qbk
2
Q = Ptg1
Qbk=P(tg1 - tg2) [kVAr]
Q - Qbk = Ptg2
Qbk - moc bierna wytworzona
przez kondensator
P
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej
www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt
7
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z GEWiŚ - ENERGETYKA
Jednostkowe straty mocy Kk
Kk = P/Q [kW/kVAr] - jaką moc czynną w kW pobiera urządzenie do wytworzenia
1 kVAra mocy biernej
Energetyczny równoważnik mocy biernej Ke
Ke = P/Q1 - Q2 [kW/kVAr] - o ile kW zmniejszą się straty mocy czynnej w przeliczeniu na
1 kVAr mocy biernej
Ke - Kk > 0 - ten warunek musi być spełniony, aby kompensacja miała sens
Współczynnik jednoczesności (kj) - określa jaka część mocy zainstalowanej w zakładzie
pracuje w danej chwili
kj = Pu/Po
Pu - uruchomiona moc zainstalowana w zakładzie
Po - ogólna moc zainstalowana w zakładzie
Zadania
1. Pobierana jest średnia moc czynna 190 kW, przy współczynniku mocy = 0,56. Jaką moc
bierną baterii kondensatorów należy zastosować, aby uzyskać współczynnik mocy = 0,85?
2. Jaką moc czynną zainstalowano w zakładzie, jeśli po uruchomieniu baterii kondensatorów
oddających do sieci moc bierną = 0,2 MVAr, uzyskano wzrost współczynnika mocy z 0,5
do 0,8? Podaj wynik w kW.
3. Jakie jest natężenie prądu pobieranego z sieci o napięciu 380/220 V przez silnik o mocy
użytecznej = 15 kW, współczynniku mocy = 0,85 i sprawności = 0,87? Jaką moc bierną
pobiera silnik?
4. Oblicz współczynnik mocy silnika asynchronicznego zasilanego prądem o napięciu 380V,
pobierającego moc bierną = 10 kVAr, jeżeli składowa czynna prądu wynosi 46,5 A.
5. W zakładzie przemysłowym pracującym z obciążeniem 60 kW (zasilanie trójfazowe)
i współczynniku mocy = 0,75 znajduje się niepracujący generator synchroniczny, mogący
oddawać moc bierną = 30 kVAr. Energetyczny równoważnik mocy biernej = 0,18, w
jednostkowe straty mocy wynoszą 0,12. Rozważ, czy celowe byłoby uruchomienie
generatora, jako kompensatora mocy biernej. Jakie straty energii czynnej będą związane z
eksploatacją w czasie 5500 godzin pracy? Jaki będzie końcowy współczynnik mocy?
Literatura:
Całus H.: Podstawy obliczeń chemicznych. PWN 1987.
Galus Z.: Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej. PWN 1993, str. 19-43.
Germański A.: Gospodarka paliwowo-energetyczna, WG Warszawa 1982.
Kotlarski W.: Aparaty i urządzenia elektryczne, WSziP Warszawa 1984.
Kudra T.: Zbiór zadań z podstaw teoretycznych inżynierii chemicznej i procesowej. PWN 1985.
Minczewski J., Marczenko Z.: Chemia analityczna. tom II, PWN 1997, str. 365-369.
Neryng A., i in: Energia i woda w przemyśle rolno spożywczym, WNT Warszawa 1990.
Resnick R., Haliday D.: Fizyka t.2, PWN Warszawa 2001.
Wilk S.: Technika cieplna. WSiP 1975.
Wojdalski J., i in.: Energia i jej użytkowanie w przemyśle rolno-spożywczym, SGGW Warszawa 1998
Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej
www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt
8