Curs1 1. Considerații generale privind sistemele energetice de forță navale [626651]

Curs1 1. Considerații generale privind sistemele energetice de forță navale

1. Diagrame de abur

Diagrama Andrews

Fig. Diagrama Andrews p -V

Model Van der Waals (1873) – s-a preluat idea lui J. Thomson de a exprima transformarea gazelor intr -un continuum.

𝑝=𝑅𝑇
𝑣−𝑏−𝑎
𝑣2

Punctul critic ca punct stationar de inflectiune in diagram P -V satisfice conditia:

(𝜕𝑝
𝜕𝑉)
𝑇=(𝜕2𝑝
𝜕𝑉2)
𝑇=0

Deasupra punctului criticse se considera ca fluidul este in stare supercritical. Parametrii punctului critic:
𝑇𝐶=8𝑎
27𝑏𝑅 ; 𝑝𝐶=𝑎
27𝑏2 ; 𝑉𝐶=3𝑏

a) b) c)
Fig. Proprietati ale substantei: a) substanta solida; b) substanta reala pura; b) gaz ideal

Diagrame uzuale folosite in termotehnica (diaagrama de vapori de apa)

a) b)

c) d) e)

Transformarea izobara

Transformarea i zoterma

Transformarea izocora

Transformarea adiabatica (izentropica)

Laminarea (dh=0)

Alte d iagrame uzuale folosite in termotehnica si mecanica fluidelor

a) b)
Fig Diagrame: a) harta psihometrica b) Diagr ama Moody de curgere a fluidelor prin conducte rugoase

Tabele cu proprietatile vaporilor de apa

Interpolare liniara la valorile dintr -un tabel

X1 Y1
X Y=????
X2 Y2

𝑌=𝑌1+(𝑌2−𝑌1)
(𝑋2−𝑋1)(𝑋−𝑋1)=𝑌1+∆𝑌
∆𝑋(𝑋−𝑋1)

𝑌=𝑌2−(𝑌2−𝑌1)
(𝑋2−𝑋1)(𝑋2−𝑋)=𝑌2−∆𝑌
∆𝑋(𝑋2−𝑋)

Formulele de interpolare sunt in analogie cu seria Taylor trunchiata:

𝑦≅𝑦0+𝜕𝑦
𝜕𝑥(𝑥−𝑥0)

Constructia diagramelor

Se pune intrebarea cum se construiesc diagramele de genul h -s, T-s, lg(p) -s considerand ca h si s sunt marimi derivate si nu se calculeaza direct.

ℎ=𝑐𝑝𝑇
𝑠=𝑛𝑐𝑝ln𝑇−𝑛𝑅ln𝑝

Temperatura aburului saturat

Este de remarcat o formul a empirica specifica curbei limita de saturatie:

𝑡𝑠=𝑇𝑠−273 .15=100 √𝑝𝑠4 [℃] ; 𝑝𝑠=(𝑡𝑠/100 )4=[(𝑇𝑠−273 .15)/100 ]4 [𝑏𝑎𝑟]

Proprietatile vaporilor de apa

Titlul vaporilor (concentratia) este raportul dintree masa vaporilor saturati uscati si masa amestecului de lichid si vapori satura ti uscati:

𝑥=𝑚𝑣
𝑚𝑣+𝑚𝑙=[0,1]

Marimile caracteristice ale vaporilor saturati umezi (situati in spatial delimitat de curba limita de saturatie) respective v olumul masic, energia interna masica,
entalpia masica si entropia masica sunt:

𝑣=𝑥𝑣′′+(1−𝑥)𝑣′

𝑢=𝑥𝑢′′+(1−𝑥)𝑢′

h=𝑥ℎ′′+(1−𝑥)ℎ′

𝑠=𝑥𝑠′′+(1−𝑥)𝑠′

Prelucrand cele 4 ecuatii de mai sus se obtine ca:

𝑥=𝑣−𝑣′′
𝑣′′−𝑣′=𝑢−𝑢′′
𝑢′′−𝑢′=ℎ−ℎ′′
ℎ′′−ℎ′=𝑠−𝑠′′
𝑠′′−𝑠′

Vaporizarea ca process izobar are asociata caldura latent de vaporizare:

𝑙𝑣=ℎ′′−ℎ′

Daca mai departe se considera pentru curba limita de saturatie formulele entalpiei:

ℎ=𝑢+𝑝𝑣

𝑑ℎ=𝑑𝑢+𝑝𝑑𝑣 +𝑣𝑑𝑝⏟
0
𝑑ℎ=𝑇𝑑𝑠 +𝑣∙𝑑𝑝⏟
0
Atunci se obtine :

𝑙𝑣=ℎ′′−ℎ′=𝑢′′−𝑢′+𝑝(𝑣′′−𝑣)=𝑇(𝑠′′−𝑠′)

Ca concluzie, relatiile caldurii latent de vaporizare sunt:

𝑙𝑣=ℎ′′−ℎ′

𝑙𝑣=𝑢′′−𝑢′+𝑝(𝑣′′−𝑣′)

𝑙𝑣=𝑇(𝑠′′−𝑠′)

Marimile caracteristice ale vaporilor saturati umezi functie de caldura latent de vaporizare si de titlul vaporilor este:

𝑣=𝑥𝑣′′+(1−𝑥)𝑣′

𝑢=𝑥𝑢′′+(1−𝑥)𝑢′=𝑢′−𝑥𝑝(𝑣′′−𝑣′)+𝑥𝑙𝑣=(1−𝑥)[𝑢′′+𝑝(𝑣′′−𝑣′)−𝑙𝑣]

ℎ=𝑥ℎ′′+(1−𝑥)ℎ′=ℎ′+𝑥𝑙𝑣=(1−𝑥)(ℎ′′−𝑙𝑣)

𝑠=𝑥𝑠′′+(1−𝑥)𝑠′=𝑠′+𝑥𝑙𝑣
𝑇=(1−𝑥)(𝑠′′−𝑙𝑣
𝑇)

Ecuatia Clapeyron -Clausius a tranzitiei de faza

In urma unor prelucrari de ecuatii diferentiale ale echilibrului ditre faze s -a definit ecuatia Clapeyron -Clausius

𝑑𝑝
𝑑𝑇=𝑙𝑣
𝑇∆𝑣=∆𝑠
∆𝑣=∆ℎ
𝑇=∆𝑢+𝑝∆𝑣
𝑇=𝑙𝑣
𝑇(𝑣′′−𝑣′)=𝑠′′−𝑠′
𝑣′′−𝑣′=ℎ′′−ℎ′′
𝑇=𝑢′′−𝑢′+𝑝(𝑣′′−𝑣′)
𝑇

Pentru cazul temperaturilor joase, se poate scrie ca:

∆𝑣≅𝑣=𝑅𝑇/𝑝

In consecinta:

𝑑𝑝
𝑑𝑇=𝑙𝑣𝑝
𝑅𝑇2
𝑝′=𝑝′′exp [−𝑙𝑣
𝑅(1
𝑇′−1
𝑇′′)]
Avantajul solutiei ecuatiei Clapeyron -Clausius este ca nu necesita valoarea volumului specific.

Lucrul mecan ic intr -o destindere adiabatica
𝑙12=−∫𝑣𝑑𝑝2
1=𝑖1−𝑖2=𝑐𝑝(𝑇1−𝑇2)=𝑣12
2−𝑣22
2

Marimi caracteristice ale caldaria ca parte a ciclului Rankine

Randamentul termic al cazanului:

𝜂𝑘=𝐷(𝑖𝑣−𝑖𝑎)+𝐷𝑣𝑣(𝑖𝑣𝑣−𝑖𝑣𝑖)
𝐵𝑄𝑖=𝑄
𝐵𝑄𝑖

In care 𝑄𝑖[𝐽/𝑘𝑔] este puterea calorifica inferioara iar B [kg/h] este consumul orar de combustibil.

Capacitatea de vaporizare aferenta combustibilului U [kg v / kg cb]
𝑈=𝐷
𝐵

In care D [Kg/s] este debitul de abur si d [kg/Ws] consumul specific de abur:

𝑑=1
(𝑖1−𝑖2)∙1
𝜂𝑖𝑠𝜂𝑚𝑒𝑐𝜂𝑒

Incarcarea termica a focarului Φ𝐹[𝑘𝑔/𝑚3ℎ]

Φ𝐹=𝐵𝑄𝑖
𝑉𝐹

Factorul de forma a focarului 𝑓[𝑚−1]

𝑓=𝐴
𝑉𝐹

Consumul specific de combustibil b [kg comb/KWh]

𝑏=𝑖1−𝑖4
(𝑖1−𝑖2)𝑄𝑖1
𝜂𝑡ℎ𝜂𝑝𝑜𝑙𝜂𝑚𝑒𝑐𝜂𝑒

Randamentul isentropic ( politropic ) al ciclului:

𝜂𝑖𝑠=𝑙12′
𝑙12=𝑖1−𝑖2′
𝑖1−𝑖2=0.65…0.80

Consumul specific de caldura q[KJ/KWh] necesar producerii unui KWh de energie electrica:

𝑞=𝑖1−𝑖4
𝑖1−𝑖2∙1
𝜂𝑖𝑧𝜂𝑚𝑒𝑐𝜂𝑒

Puterea CTE

𝑃=𝐷
𝑑 [𝑊]

Randamentul CTE

𝜂𝐶𝑇=𝑃
𝐵𝑄𝑖=1
𝑏𝑄𝑖=𝑖1−𝑖2
𝑖1−𝑖4𝜂𝑘𝜂𝑖𝑠𝜂𝑚𝑒𝑐𝜂𝑒

Randamentul efectiv absolut al ciclului Rankine este da t de relația

𝜂𝑒𝑓=𝐿
𝑄𝑖𝑛=1−𝑇2
𝑇1

Aplicatie pentru ciclul Rankine

Se cunosc:

1) presiunea si temperatura aburului in turbina p1=100 bar, t1 = 500 oC
2) presiunea in condensator p2=0.05 bar

Se cere:
1) reprezentarea ciclului în diagrama T -s
2) valorile caracteristice în punctele ciclului p, t, i, s, x

Rezolvare:

1)

2)
Tab A – Marimile de stare ale apei si aburului supraincalzit in functie de presiune si temperatura
Tab B – Marimile de stare ale apei si aburului la saturatie in functie de presiune

Diagrama i –s pentru vapori de apa

Pentru punctul 1:

presiunea p1 = 100 bar
temperatura t1 = 500 oC
entalpia i1 = 3374,6 kJ/kg – rezulta din Tab A pentru presiunea p1 si temperatura t1 sau din diagrama i -s
entropia s1 = 6,5994 kJ/kg – rezulta din Tab A pentru presiunea p1 si temperatura t1 sau din diagrama i -s

Pentru punctul 2:

presiunea p2 = 0,005 bar
temperatura t2 = 32,90 oC – rezulta din Tab A pentru presiunea p2
entropia s2 = s1 = 6,5994 kJ/kg
entalpia 12 = 2020 kJ/kg – rezulta din diagrama i -s pentru p2
titlul x2 = 0,78 – rezulta din diagrama i -s pentru p2

Pentru punctul 3:

presiunea p3 = p2 = 0,005 bar
temperatura t3 = 32,90 oC – rezulta din Tab B pentru presiunea p2
entalpia 13 = 137,71 kJ/kg – rezulta din T ab B pentru presiunea p2 pentru apa
entropia s3 = 0,4761 kJ/kg – rezulta din Tab B pentru presiunea p2 pentru apa

Pentru punctul 4:

presiunea p4 = p1 = 100 bar
entropia s4 = s3 = 0,4761 kJ/kg
entalpia 14 = 148 kJ/kg – rezulta din calcul (media valorilor din Tab A pentru presiunea p1)
temperatura t4 = 33,18 oC !!!

Pentru punctul 5:

presiunea p5 = p1 = 100 bar
temperatura t5 = 310,96 oC – rezulta din Tab B pentru presiunea p1
entalpia 15 = 1407,0 kJ/kg – rezulta din Tab B pentru presiunea p1 pentru apa
entropia s5 = 3,3582 kJ/kg – rezulta din Tab B pentru presiunea p1 pentru apa

Pentru punctul 6:

presiunea p6 = p1 = 100 bar
temperatura t6 = t5 = 310,96 oC
entalpia 16 = 2725,6 kJ/kg – rezulta din Tab B pentru presiunea p1 pentru abur
entropia s6 = 5,61 55 kJ/kg – rezulta din Tab B pentru presiunea p1 pentru abur

Cicluri termodinamice de referință

Probleme rezolvate

LINK DROPBOX:
https://www.dropbox.com/sh/d7l0okqi3gw5ws9/AAC82HcHqo8IkEHhV6LMtdTCa?dl=0

BIBLIOGRAFIE SELECTIV A

Aldea M et al – Cazane de abur si recipiente sub presiune Indrumator, Bucure?ti: Editura Tehnica, 1972
Aldea M et al – Cazane de abur si recipiente sub presiune Indrumator, 1982
Aldea M – indrumator pentru cazane de abur, 1957
Aldea M, Antonescu G, Cazacu C et al – Cazane de abur si recipiente sub pres iune Indrumator, EDITURA TEHNICA, 1964
Antonescu N, Caluianu A – Cazane si aparate termice, 1975 EDP
Bocanete P – Caldari navale de abur, 2005 Gaudeamus
Bocanete P et al – Ghid de pregatire profesionala în termoenergetica, Editura Tehnica, 1989
Cazane si turbine cu aburi, 1962
Cioclov D D – Recipiente sub presiune
Constantinescu I. sa Manualul mecanicului de nava Bucuresti, Ed. Tehnica, 1969
DOBROVSCHI G S – Calauza fochistului de la instalatiile de cazane, Editura energetica de stat
Foanene A – Combustibili generatoare de abur lucrari de laborator, Academica Brâncusi
Iancu P. Manualul caldaristului naval Bucuresti, Ed. Militara, 1964
Mihaescu L et al – Cazane si turbine Vol. I, Editura Perfect, 2002
Neaga C C – Tratat de generatoare de abur, vol I, Editura AGI R, Bucure?ti, 2001, ISBN 973 -8130 -67-0
Neaga C C – Tratat de generatoare de abur, vol II, Bucure?ti: Editura Matrix Rom, 2003, ISBN 973 -685-650-X
Neaga C C – Tratat de generatoare de abur, vol III, Bucure?ti: Editura Printech, 2005, ISBN 973 -718-262-6
Panoiu N- Cazane de abur Bucuresti, 1982 Ed. Didactica si Pedagogica
Popa T et al – Cazane si turbine cu abur, Editura Didactica si Pedagogica, 1968
Pruiu A. sa – Manualul ofiterului mecanic maritim. Vol.II Bucuresti, Ed. Tehnica, 1998
SCEGOLOV M M – Combustibili focare si instalatii de cazane { 1956, 625 p.}
Sirokov S I – Cartea cazangiului, 1962
Sorin S S – Instalatii de cazane
Toaca I. Caldari navale. Defectiuni si reparatii Constanta, 1994
Toaca I. Exploatarea caldarilor navale Constanta, Ed. Muntenia, 1995
Ungur eanu C. Generatoare de abur pentru instalatii energetice, clasice si nucleare, 1977 EDP Bucuresti
Ungureanu C. – Generatoare de abur, 1979
Uzunov G. sa – Manualul ofiterului mecanic maritim. Vol.I Bucuresti, Ed. Tehnica, 1997

Bibliografie – problem e termotehnica

Bazil P, Vintila C – Termotehnica, masini si instalatii termice, 1973 EDP
Leonachescu N et al – Probleme de termotehnica, 1977 EDP

Carti de la biblioteci din Constanta
Bib. Univ. Ovidius Bocănete Paul. Melinte Stelian. Căldări navale de abur : Teorie, construcție și exploatare III 26062

Bib. Univ. Ovidius Ungureanu C.. Gutmayer H.. Jădănean ṭ M.. Rădulescu L.. Generatoare de abur : Probleme, Cota II 27384

Bib. Univ. Ovidius Foanene Adriana. Paliță Valentin. Combustibili generatoare de abur : lucrări de laborator III 28337

Bib. Judeteana
Căldări navale de abur : Teorie, construcție și exploatare
de: Bocănete, Paul (Inginerie); Melinte, Stelian
Editură: Gaudeamus <$! Constanța>
Locul publicării: [Constanța]
Anul Ediției: 2005
ISBN: 973 -86133 -6-1

Bib. Judeteana Mașini navale : Căldări navale; Caldarine; Mașini cu abur; Turbine cu aburi; Tu…
de: Stan, Liviu -Constantin
Editură: Nautica
Locul publicării: Constanța
Anul Ediției: 2010
ISBN: 978 -606-8105-17-8
Bib. Judeteana
Generatoare de abur pentru instalații energetice, clasice și nucleare
de: Ungureanu, Cornel (Ing.)
Editură: Editura Didactică și Pedagogică
Locul publicării: București
Anul Ediției: 1977
Cota: III 16714

Bib. Judeteana
Cazane de abur
de: Gheorghiu, Ștefan
Editur ă: Editura Didactică și Pedagogică
Locul publicării: București
Anul Ediției: 1966
Cota: III 4444