ESZS Přednáška č.11 Tepelné zdroje TE

Přednáška č.11 Definice TZ Uvolnění tepla z jednotlivých energetických forem PZ– energetický zisk uvolnění tepla Způsoby oxidace paliva Palivo a jeho energetický obsah Způsoby dodávky tepla do pracovní látky TO Výroba páry - druhy parogenerátorů Přednášky ESZS - 2013

Definice TZ před.1: každý energetický systém kde probíhá transformace energetického obsahu primárního zdroje (PZ) na elektřinu nepřímým způsobem přes tepelnou energii (teplo) lze klasifikovat jako: TEPELNOU ELEKTRÁRNU. energetické změny (přívodu a odvodu tepla do/z pravotočivého tepelného oběhu TO) probíhají v energetických zařízeních TZ a TM, což jsou termodynamické soustavy ve který probíhají energetické změny = prostor oddělený hranicí od okolního prostředí. teplo nelze beze zbytku transformovat na jinou energetickou formu, ale obráceně ano – pro transformaci je nutný vždy teplotní rozdíl. Přednášky ESZS - 2013

Definice TZ Tepelný zdroj je termodynamický systém ve kterém dochází k přívodu tepla Qp do pracovní látky TO. Přívod tepla může být proveden: přímo do pracovní látky – plynové oběhy (látka je v průběhu TO pouze v jednofázovém prostředí) prostřednictvím tepelného výměníku (parogenerátor PG, steam generator SG) – parní oběhy (látka se v průběhu oběhu nachází ve dvoufázovém prostředí) Přednášky ESZS - 2013

Definice TZ – přívod tepla do TO do pracovní látky – transformace PZ do tepla (uvolnění tepla v pracovní látce) – transformace chemicky vázané energie v palivu na teplo. prostřednictvím tepelného výměníku: ve výměníku probíhá transformace PZ na teplo - transformace chemicky vázané energie v palivu, jaderné, sluneční: společný TZ + parogenerátor ve výměníků neprobíhá transformace – sdílení tepla mezi teplonosnou látkou a ohřívanou pracovní látkou TO: samostatný TZ + výměníkový parogenerátor Qp Qp TZ Qp TZ Přednášky ESZS - 2013

Definice TZ – dodávka tepla výměníkovými parogenerátory přívod tepla do PG je proveden ze: zdroje tepla kterým může být: transformační systém PZ na teplo – reaktor, ... tepelný zásobník – geotermální teplo, ... odváděného tepla z jiného TO – rekuperace tepla prostřednictvím kombinované výroby KVE – rekuperační parogenerátory, heat recovery steam generators - HRSG Qp Qp Přednášky ESZS - 2013

Definice TZ – dodávka tepla výměníkovými systémy netransformující teplo na práci v TO – dodávka tepla Systémy které slouží pro dodávku tepla a ne dodávku technické práce používají transformační řetězec: Teplárna PZ TZ TEPELNÁ Zisk tepla Pokud je dodávka tepla prováděna prostřednictví tepelných výměníků ve kterých se přivádí teplo do pracovní látky která jej transportuje do tepelných spotřebičů, nedochází většinou ke změně fáze pracovní látky. Takové TZ se často nazývají - KOTEL UNIMAT teplovodní / horkovodní plamencový žárotrubný kotel Přednášky ESZS - 2013

Definice TZ – Kotle Opět ve výměníku může probíhat transformace PZ na teplo - transformace chemicky vázané energie v palivu, jaderné, sluneční, elektrické: společný TZ + tepelný výměník ve výměníku neprobíhá transformace – sdílení tepla mezi teplonosnou látkou a ohřívanou látkou sloužící pro dodávku tepla: samostatný TZ + samostatný tepelný výměník = rekuperační výměník elektrokotel Rekuperační jednotka Air Minder Přednášky ESZS - 2013

Definice TZ – kotel jako TZ parních elektráren s ohledem na definici kotle je lze rozčleňovat podle toho zda v nich: dochází ke změně skupenství pracovní látky parní kotle nedochází ke změně skupenství horkovodní kotle Tepelný zdroj PE může být tedy parní kotel parní kotel teplárna parní kotel elektrárna Přednášky ESZS - 2013

Transformace PZ na teplo – zisk tepla v TZ Dva nejdůležitější energetické postupy zisku tepla: oxidace paliv = spalování paliv (uvolnění chemicky vázané energie) jaderná reakce = štěpení nebo slučování atomových jader (uvolnění vazební jaderné energie) Přednášky ESZS - 2013

Transformace PZ na teplo – zisk tepla oxidací paliv Při oxidaci paliva probíhá exotermická (uvolnění tepla) chemická reakce jednotlivých prvků paliva (hořlavých prvků) s kyslíkem Oxidační proces probíhá v zařízení který se nazývá spalovací komora Přednášky ESZS - 2013

Provozní parametry spalovacích zařízení Výhřevnost - množství tepelné energie, uvolněné dokonalým spálením 1 kg paliva a ochlazením spalin na teplotu 200 C bez kondenzace vodních par ve spalinách. Spalné teplo - množství tepelné energie, uvolněné dokonalým spálením 1 kg paliva a ochlazením spalin na teplotu 20oC se započítáním tepla,uvolněného kondenzací vodních par ve spalinách. Vazba spalné teplo - výhřevnost výparné teplo vody množství vody v palivu Fosilní palivo se skládá z hořlaviny a přítěže. Hořlavina – část paliva, reagující s okysličovadlem. Přítěž - obsah popela (nespalitelné částice) a vody . Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – hodnocení procesu Hodnocení spalovacího procesu: skupenství paliv a okysličovadla homogenní heterogenní rychlosti spalování kinetické difúzní tlaku spalování atmosférické přetlakové teploty spalování nízkoteplotní vysokoteplotní rychlosti pohybu paliva a okysličovadla Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – druhy spalování Zatřídění jednotlivých energetických zařízení podle vzájemné rychlosti pliva a okysličovadla typ spalování relativní rychlost paliva a okyslič. charakteristika typ kotle filtrační malé palivo stojí okysličovadlo kolem něj proudí roštový kotel ve vznosu větší palivo se vznáší v proudu okysličovadla fluidní kotel v letu -prostorové blízká nule palivo a okysličovadlo se pohybují stejnou rychlostí práškový kotel cyklónové, vířivé vysoká palivo se pohybuje rychlostí jako v letu, okysličovadlo má výrazně vyšší rychlost cyklónový kotel Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – spalovací zařízení kotle Kotel = společný TZ + parogenerátor, představují spalinový tepelný výměník, kdy je teplo dodáváno do parogenerátoru přes výhřevné plochy spalovací komory kotle mající objem V [m3], ve které je teplota ts a tlak ps. Mp, ta, pa, ia vzduch Mvz, tvz PG SK Qs Vs, ts, ps palivo Mpal, qpal Mp, tnv, pa, inv nespalitelné látky Mnd, qnd, tnd spaliny Msp, tsp Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – energetická bilance spalovacího prostoru = ohniště Energetickou bilanci účinnosti transformačního procesu oxidace paliva lze získat: bilancí vstupů a výstupů systému Mvz.tvz+Mpal.qpal = Mnd.tnd+Msp.tsp´+Qs rozborem ztrát SK=1- ztráty SK= = energetický obsah pliva – ztráty PG Mp, ta, pa, ia Mp, tnv, pa, inv vzduch Mvz, tvz SK Vs, ts, ps palivo Mpal, qpal Qs QSO nespalitelné látky Mnd, qnd, tnd spaliny Msp, tsp Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – ztráty spalovací komory Jednotlivé ztráty SK Komínová Qso= tepelným (fyzickým) teplem spalin. Vznikající vyšší teplotou spalin než je teplota okolního prostředí to. Nedopalem Qnd = nedokonalým spalováním. Vznikajícím energetickým obsahem odcházejícího nespáleného paliva. Fyzickým teplem tuhých zbytků QTZ = tepelným obsahem tuhých zbytků. Vznikající jejich vyšší teplotou oproti okolnímu prostředí. Sdílením tepla do okolí QSO = sálání tělesa o vyšší teplotě do okolí o nižší teplotě. Vznikající nedokonalým odizolováním systému. Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – energetická hustota SK jednotlivé typy SK = kotle, mají různou energetickou výtěžnost, tj. energetický zisk vztažený na objemovou jednotku SK – Vs [m3] střední měrné tepelné objemové zatížení ohniště: Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – Filtarční spalování Filtarační spalování = Roštový kotel vratisuvný stupňovitý rošt Martin Funkce roštu: nese vrstvu paliva a umožňuje průtok okysličovadla zajišťuje správný průběh spalování – vysoušení, zahřátí na zápalnou teplotu, vznícení a co nejdokonalejší vyhoření, odvádění tuhých zbytků přívod vzduchu do jednotlivých míst SK podle intenzity hoření, aby byl vždy optimální přebytek vzduchu. reguluje tepelný výkon ohniště Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – Výtěžnost filtračního spalování střední měrné tepelné objemové zatížení ohniště: tepelný výkon roštu: měrný tepelný výkon vztažený na jednotku plochy roštu pevný stupňovitý rošt 600 – 800 mechanický a pásový 600 – 1200 pohyblivý stupňovitý 600 - 1200 regulace tepelného výkonu roštu: změnou toku paliva Mpal změnou výšky vrstvy h (hradítko) změnou rychlosti posuvu roštu wR Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – Prostorové spalování Spalování v letu = Práškový kotel Příprava a spálení paliva: je nutné provést semletí paliva na jemný prášek v mlýnech vyžaduje nejen vzduchové hořáky ale i práškové hořák palivo se vysušuje horkým vzduchem ze SK palivo se vzduchem tvoří tangenciální vír ve SK tuhé zbytky gravitací padají do výsypky Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – Prostorové spalování – odvod tuhých zbytků Druhy výsypek: výtavná tuhé zbytky = struska se udržuje v tekutém stavu snižuje se ztráta nedopalem grnulační nespálené částice odcházejí ze SK ve formě tuhých částic střední měrné tepelné objemové zatížení ohniště: granulační: výtavná: Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – Cyklónové spalování Vířivé spalování = Cyklónové ohniště střední měrné tepelné objemové zatížení ohniště: Přednášky ESZS - 2013

Zisk tepla oxidací paliv – Fluidní spalování spalování Spalování ve fluidní vrstvě = Fluidní kotel střední měrné tepelné objemové zatížení ohniště: Přednášky ESZS - 2013

Funkcec parogenerátoru V parogenerátoru dochází k dodávce tepla do pracovní látky TO Přívodem tepla dochází ke zvyšování energetického obsahu pracovní látky Látka přechází ze skupenství kapalného do plyného V parogenerátoru se dodává látce: kapalinné teplo qk – I – potřebné k ohřevu na bod varu - qo výparné teplo – ql – II – potřebné ke změně skupenství (výparné) - qv popřípadě přehřívací teplo qpr - II Přednášky ESZS - 2013

Základní typy parogenerátorů Průtočný parogenerátor Bubnový parogenerátor Přednášky ESZS - 2013

Charakteristické vlastnosti bubnového parogenerátoru Nucený průtok vody je pouze v ohříváku vody a je přerušen bubnem parogenerátoru, který plní funkci gravitačního separátoru páry. V bubnu je vždy rozhraní mezi vroucí vodou a sytou parou – hladina vody v bubnu je důležitá řídící veličina regulace napájení kotle Přirozená cirkulace zajišťuje chlazení varnic a trvalé vyrovnávání chemického složení kotelní vody ve spádových a varných trubkách a umožňuje snadný odluh kotle, udržující koncentraci solí v kotelní vodě v daných mezích. Výhřevné plochy ohříváku vody a přehříváku páry se nemění s výkonem kotle Relativně velká zásoba vody zlepšuje akumulační a regulační vlastnosti kotle ( po určitou dobu je bubnový kotel schopen dodávat větší hmotnostní průtok páry, než odpovídá jeho okamžitému tepelnému výkonu). Přednášky ESZS - 2013

Charakteristické vlastnosti průtočného parogenerátoru Průtok vody, parovodní směsi i přehřáté páry ve všech výhřevných plochách kotle je vynucen výstupním tlakem napájecího čerpadla. Průtočné rychlosti jsou mnohem vyšší, než je obvyklé u bubnových parogenerátorů. Vyšší průtočné rychlosti odpovídá i vyšší přestupní součinitel a z něj plynoucí materiálové úspory. Mezi ohřívací, odpařovací a přehřívací částí parogenerátoru nejsou u některých typů (Benson, Ramzin) pevné hranice. Při snižování výkonu kotle se obvykle hranice začátku a konce odparu posunují směrem ke vstupu do parogenerátoru Regulace průtočného kotle je obtížnější. K dispozici není výška hladiny v bubnu, parogenerátor má ve srovnání s parogenerátorem bubnového kotle podstatně menší akumulační schopnost. Kotel vyžaduje dokonalou demineralizaci napájecí vody. Hodnota admisního tlaku páry není omezena. Při nuceném průtoku je možno použít trubky menšího průměru, odpadá buden a tím klesá hmotnost kotle. Teplotu admisní páry lze udržet konstantní v širokém rozsahu výkonu kotle. Větší regulační pružnost, rychlejší najíždění a odstavování kotle. Odpadá ztráta odluhem . Přednášky ESZS - 2013

Účinnost a ztráty parního kotle přímá metoda –energetická bilance nepřímá metoda – pomocí ztrát Ztráty tepelné energie při provozu kotelní jednotky jsou dány součtem ztrát způsobených nedokonalým uvolněním tepelné energie při spalovacím procesu a ztrát, vyvolaných nedokonalým využitím uvolněného tepla. Do prvé skupiny patří tzv. ztráta mechanickým nedopalem a ztráta chemickým nedopalem. U moderních kotlů jsou obě tyto ztráty relativně velmi malé. Ve druhé skupině se jedná zejména o ztrátu citelným teplem spalin (tzv. komínová ztráta). Jedná se o největší ztrátu parního kotle. Závisí přímo úměrně na množství spalin a na teplotě spalin v patě komína Přednášky ESZS - 2013