Cursuri Termotehnica

TERMOTEHNICA II - Note de curs 2013-2014

1 Sl. dr.ing Paula UNGURESAN

CURS 1-2- VAPORI. INSTALATIITERMOENERGETICE CU VAPORI1.1 Procesul de vaporizare la presiune constanta

Vaporizarea este procesul izobar-izoterm de trecere a substantelor din starea lichida instarea de vapori (sau gazoasa).

Procesul de vaporizare implica trei subprocese:

I. Incalzirea lichidului (1-2'), caracterizata prin cresterea temperaturii; Lichidul, aflat initial in starea 1, la temperatura t1, este incalzit pana atingetemperatura de fierbere, denumita si temperatura de saturatie, ts. Aceasta starecorespunde cu aparitia primelor bule de vapori si este denumita stare de lichidsaturat (2’). Caldura necesara incalzirii unui kilogram de lichid pana la temperatura desaturatie se numeste caldura sensibila a lichidului, ql:

]kg/J[)tt(cq 1spl (1)II. Vaporizarea propriu-zisa

Dupa atingerea temperaturii de fierbere se continua incalzirea pana cand ultimapicatura de lichid se transforma in vapori, denumiti vapori saturati uscati (2”).

Temperatura ramane constanta pe durata acestui proces, iar caldura introdusain este denumita caldura latenta de vaporizare si se noteaza cu rv sau lv [kJ/kg]. Starile intermediare dintre 2' si 2" reprezinta amestecuri de lichid si vapori indiferite proportii; Ponderea vaporilor din amestec este exprimata printr-o

Fig.1. Variatia temperaturii unei agent, intimpul procesului de vaporizare

t

q1

2’ 2””

3

ql lv=rv qs

ts

tF



marime denumita titlul vaporilor, notata cu x, reprezinta raportul dintrecantitatea de vapori saturati uscati mv din amestec si masa amestecului m:iamesteculu

amestecdinvaporilor

mm

x (2)

III. Supraincalzirea vaporilor

Daca se continua procesul de incalzire, se observa o noua crestere atemperaturii, pana la atingerea starii finale, caracterizata de temperatura finalatf, denumita stare de vapori supraincalziti. Caldura introdusa in sistem, notata (qvs), este denumita caldura sensibila avaporilor supraincalziti.

]kg/J[)tt(cq SFps (3)Prin unirea starilor de lichid saturat la diferite presiuni se obtine curba lichiduluisaturat, sau curba limita inferioara caracterizata prin x = 0 iar prin unirea starilor de va-pori saturati uscati se obtine curba limita superioara, caracterizata prin x = 1. (fig. 2)

Fig. 2. Reprezentarea in diagrama p-va curbelor limita (inferioara , x=0 si superioara x=1)Pe diagrama p-v din figura 3 se observa ca cele doua curbe limita, denumite si curbede saturatie, se unesc in punctul critic K. In acest punct vaporizarea se produce brusc, decisubstanta trece din stare de lichid in stare de vapori, fara cresterea volumului specific.

Fig. 3. Reprezentarea in diagrama p-va domeniilor de lichid, amestec si vapori supraincalziti.

x = 0 x = 1

Kp

V

x = 0 x = 1

Kp

V

lichid vapori supraincalziti

amestec



1.2 Determinarea marimilor de stare ale aburuluiMarimile de stare ale vaporilor se pot determina atat din tabele cat si din diagrame.Din tabele

1. Marimile de stare ale lichidului si ale vaporilor supraincalziti sunt date in tabele infunctie de temperatura si presiune: (Tabel I)Tabel I

pbar

1 1.5 2

ts = 99.640C ts = 111.380C ts = 120.230Ct

0Cv

m3/kgh

kJ/kgs

kJ/kgK

cpkJ/

kgK

vm3/kg

hkJ/kg

skJ/

kgK

cpkJ/

kgK

vm3/kg

hkJ/kg

skJ/

kgK

cpkJ/

kgK0 0.0010001 0.1 0.0000 - 0.0010000 0.1 0.0000 - 0.0010000 0.2 0.0000 -10 0.0010003 42.0 0.1511 - 0.0010002 42.0 0.1511 - 0.0010002 42.1 0.1511 -20 0.0010018 83.9 0.2964 - 0.0010017 83.9 0.2964 - 0.0010017 84.0 0.2964 -30 0.0010044 125.7 0.4363 - 0.0010043 125.7 0.4363 - 0.0010043 125.8 0.4363 -40 0.0010079 167.5 0.5715 - 0.0010078 167.5 0.5715 - 0.0010078 165.7 0.5716 -50 0.0010121 209.3 0.7031 4.17 0.0010120 209.3 0.7031 4.17 0.0010120 209.4 0.7033 4.1760 0.0010171 251.1 0.8307 4.18 0.0010170 251.1 0.8307 4.18 0.0010170 251.2 0.8307 4.1870 0.0010227 293.0 0.9546 4.19 0.0010227 293.0 0.9546 4.19 0.0010227 293.1 0.9546 4.1980 0.0010289 334.9 1.0748 4.19 0.0010289 334.9 1.0748 4.19 0.0010289 335.0 1.0748 4.1990 0.0010359 376.8 1.1924 4.20 0.0010358 376.8 1.1924 4.20 0.0010358 376.9 1.1924 4.20100 1.695 2676 7.361 2.09 0.0010434 419.0 1.3067 4.22 0.0010434 419.0 1.3067 4.22110 1.746 2697 7.414 2.06 0.0010515 461.3 1.4181 4.23 0.0010515 461.3 1.4181 4.23120 1.795 2717 7.465 2.03 1.188 2712 7.268 2.11 0.0010603503.7 1.5269 4.25130 1.842 2737 7.514 20.1 1.221 2733 7.319 2.07 0.9108 2728 7.177 2.14140 1.889 2757 7.562 1.99 1.253 2753 7.368 2.04 0.9357 2749 7.227 2.10150 1.937 2776 7.608 1.98 1.285 2773 7.416 2.02 0.9603 2769 7.276 2.07160 1.984 2796 7.654 1.97 1.317 2793 7.462 2.00 0.9840 2790 7.324 2.04170 2.031 2816 7.699 1.97 1.348 2813 7.507 1.99 1.008 2810 7.370 2.02180 2.078 2835 7.743 1.96 1.380 2833 7.551 1.99 1.032 2830 7.415 2.01190 2.125 2855 7.786 1.96 1.412 2852 7.594 1.98 1.056 2850 7.458 2.00

2. Marimile de stare ale lichidului saturat (indice prim) si ale vaporilor saturati sunt date intabele functie de temperatura (tabel II) sau de presiune (tabel III).Tabel II

t0C

pbar

v’

m3/kgv”

m3/kgh’

kJ/kgh”

kJ/kgs’

kJ/ kgKs”

kJ/ kgKrv

kJ/kg

95 0.8451 0.0010396 1.982 398.0 2668 1.2502 7.4155 227096 0.8767 0.0010404 1.915 402.2 2669 1.2617 7.4030 226797 0.9093 0.0010412 1.851 406.4 2671 1.2731 7.3907 226598 0.9429 0.0010420 1.789 410.7 2673 1.2845 7.3786 226299 0.9775 0.0010427 1.730 414.9 2674 1.2958 7.3666 2259100 1.0132 0.0010435 1.673 419.1 2676 1.3071 7.3547 2257101 1.0499 0.0010443 1.618 423.3 2677 1.3184 7.3429 2254102 1.0876 0.0010450 1.566 427.5 2679 1.3297 7.3311 2251103 1.1265 0.0010458 1.515 431.7 2680 1.3409 7.3193 2248104 1.1666 0.0010466 1.466 436.0 2681 1.3521 7.3076 2245



105 1.2079 0.0010474 1.419 440.2 2683 1.3632 7.2959 2243106 1.2504 0.0010482 1.374 444.4 2685 1.3743 7.2834 2241107 1.2941 0.0010490 1.331 448.6 2687 1.3854 7.2728 2238108 1.3390 0.0010498 1.289 452.9 2688 1.3964 7.2614 2235109 1.3852 0.0010507 1.249 457.1 2689 1.4074 7.2500 2232110 1.4326 0.0010515 1.210 461.3 2691 1.4184 7.2386 2230

Tabel IIIp

bart

0Cv’

m3/kgv”

m3/kgh’

kJ/kgh”

kJ/kgs’

kJ/ kgKs”

kJ/ kgKrv

kJ/kg

0.08 41.54 0.0010085 18.10 173.9 2576 0.5927 8.227 24020.5 81.35 0.0010299 3.239 340.6 2645 1.0910 7.593 23040.6 85.95 0.0010330 2.732 360.0 2653 1.1453 7.531 22930.7 89.97 0.0010359 2.364 376.8 2660 1.1918 7.497 22830.8 93.52 0.0010385 2.087 391.8 2665 1.2330 7.434 22730.9 96.72 0.0010409 1.869 405.3 2670 1.2696 7.394 22651 99.64 0.0010432 1.694 417.4 2675 1.3026 7.360 2258

1.1 102.32 0.0010452 1.550 428.9 2679 1.3327 7.328 22501.2 104.81 0.0010472 1.429 439.4 2683 1.3606 7.298 22441.3 107.14 0.0010492 1.325 449.2 2687 1.3866 7.271 22381.4 109.33 0.0010510 1.236 458.5 2690 1.4109 7.246 22321.5 111.38 0.0010527 1.159 467.2 2693 1.4336 7.223 22261.6 113.32 0.0010543 1.091 475.4 2696 1.4550 7.202 22211.7 115.17 0.0010559 1.031 483.2 2699 1.4752 7.182 22161.8 116.94 0.0010575 0.9773 490.7 2702 1.4943 7.163 22111.9 118.62 0.0010591 0.9290 497.9 2704 1.5126 7.145 22062 120.23 0.0010605 0.8854 504.8 2707 1.5303 7.127 2202

3. Marimile de stare ale vaporilor umezi, fiind dependente de continutul de vapori (x) dinamestec se determina cu relatiile:

.]kg[mxv"+vx)-(1=v 13 (4);]kg[kJxrh=h -1

v' (5)

;]kg[kJpvhxu"+ux)-(1=u -1 (6)

.]Kkg[kJTr

xsxs"+sx)-(1=s 11-

s

v' (7)

APLICATIA 1Un kg de substanta se afla la presiunea de 2 bar. Precizati pentru ce gama de valori aletemperaturii substanta este in stare : lichida; amestec; respectiv vapori supraincalziti.

APLICATIA 2Intr-un proces de incalzire se foloseste caldura obtinuta prin condensarea aburului. Avetiposibilitatea sa folositi abur condensat la 10 bar sau 4 bari. Optati pentru una din variante.Justificati.



Din diagrameO alta metoda utilizata pentru estimarea marimilor de stare ale vaporilor este cu ajutorul

diagramelor termodinamice.

Diagrama p-v a vaporilor

Fig.4. Diagrama p-v a vaporilorDiagrama T-s a vaporilor

Fig.5. Diagrama T-s a vaporilor



Diagrama h-s a vaporilorAceasta diagrama a fost propusa pentru apa, in anul 1904 de Molier, iar in prezent este

cea mai utilizata diagrama termodinamica a apei. In cazul apei, este utilizata doar portiunea dindreapta punctului critic K, pentru a fi reprezentat mai detaliat in principal domeniul vaporilorsupraincalziti si al vaporilor umezi avand titlul mare, domenii in care se desfasoara cele maiimportante procese de lucru din echipamentele energetice functionand cu abur in special inturbine.

APLICATIA 3. Sa se determine, utilizand diagrama h-s, parametrii: temperatura, entalpia sientropia, pentru un kilogram de vapori umezi, avand titlul x = 0.9 si presiunea de 2bar.REZOLVARELa intersectia presiunii de 2 bar si titlul de x = 0.9 se obtine starea vaporilor umezi. Acesteistari ii corespund urmatorii parametri: t =... 0C, h =....... kJ/kg si s =...... kJ/kgK

Fig. 6. Diagrama h-s a vaporilor.



1.3 Ciclul Clausius-RankineEnergia mecanica si electrica pot fi obtinute in mod clasic prin utilizarea energieichimice continute de combustibili.Una din metode o reprezinta utilizarea ciclurilor motoare cu vapori, dupa carefunctioneaza instalatiile termoenergetice, denumite si centrale termoenergetice.Partile componente ale unei centrale termoenergetice sunt prezentate in figura 7.

in cazanul de abur are loc procesul de incalzire a apei (3’-4), urmat de vaporizareapropriu-zisa (4-5) si de supraincalzirea vaporilor in supraincalzitor (5-1) (care de obiceieste inglobat in cazan). In toate aceste procese, energia necesara incalzirii este obtinutape baza arderii combustibililor. in turbina de abur are loc destinderea teoretic adiabata a vaporilor (1-2).Presiunea scade de la p1 la p2, iar agentul de lucru, daca la inceput se gasea in stare devapori supraincalziti, la sfarsitul acestui proces devine vapori umezi. In condensator are loc condensarea (2-3) vaporilor umezi, care la sfarsitulprocesului se gasesc in stare de lichid saturat. Procesul care inchide ciclul este comprimarea adiabatica (3-3') din pompa. Procesulse realizeaza cu un consum energetic sub forma de lucru mecanic, marindu-se presiuneade la cea de destindere in turbina p2, pana la presiunea de lucru din cazan p1.Ciclul teoretic descris 1, 2, 3, 3', 4, 5, 1, compus din doua izobare (3'-4-5-1, respectiv2-3) si doua adiabate (1-2, respectiv 3-3') se numeste ciclu Clausius-Rankine.

Fig. 7. Partile componente aleunei instalatii termoenergetice.

Cazan

Turbina

3’

1

2

3

Condensator

Pompa dealimentare

Apa deracire



Calculul schimburilor energetice Fluxul de caldura preluat in cazan , procesul 3'-4-5-1:

.kW)h-h(m=Q 31aburcazan (8) Fluxul de caldura cedat in condensator in timpul condensarii 2-3, este:

.kW)h-h(m=Q 23aburrcondensato (9) Puterea teoretica dezvoltata in turbina- destinderea 1-2 este:

.kW)h-h(m=P 21aburturbina (32) Puterea consumata de pompa , pentru comprimarea 3-3',:

.kW)h-h(m=P 3'3aburpompa (10) Puterea totala, dezvoltata in ciclu:

.kWP-P=P PT (11) Randamentul termic t al ciclului Clausius-Rankine este :

h-h

h-h-h-h=Q

P=31

3321

cazant

. (12)

Fig. 12. Ciclul instalatiei termoenergetice cu vaporisupraincalziti:a) diagrama p-v, b) diagrama T-s, c) diagrama h-s.0 0

p

v

T

S0 0 0a

1

23

3' 4 5 1

233'

4 5

b

1

2

3

3' 4

5

S =S

KK

K

x2

) ) )

x2

h

x2

cS

x=1

x=0 x=

0 x=1 x=0

x=1

3 3'S =S

1 2



TURBINA

CAZAN

APLICATIE 4Intr-o instalatie termica de forta se produce un debit de 2.78 kg/s abur la presiunea de 25bar si temperatura de 4000C; aburul supraincalzit intra in turbina unde se destindeadiabatic pana la presiunea de 0.8bar, dupa care urmeaza condensarea si reintroducereacondensului in cazan.Sa se determine:a) Cantitatea de caldura primita de agentul termic in cazan;b) Titlul aburului la iesire din turbina;c) Daca apa de racire in condensator se incalzeste cu 120C, ce debit de apa este necesarracirii aburului?d) Puterea teoretica a turbinei;e) Daca randamentul cazanului este de 80% , iar combustibilulul utilizat are o puterecalorifica inferioara de 20000 kJ/kg, ce cantitate de combustibil se consuma orar in cazanpentru a produce abur?f) Cat este randamentul teoretic al ciclului?



Obs. Se neglizeaza consumul din pompa.a) Fluxul de caldura primit de agent in cazan este:

]kW[)hh(mQ '31aburcazan

Se determina initial entalpiile aburului:

La iesire din cazan se determina in functie de presiunea de p1= 25 bar si detemperatura de t1= 4000C; rezulta o valoare h1= 3239 kJ/kg si entropia des1=7.015 kJ/kgK.

La iesire din turbina entalpia se determina in functie de presiunea p2 = 0.8bar si din conditia destinderii adiabate din turbina (s2 = s1); rezulta o valoare de h2= 2195 kJ/kg.

La iesire din condensator, aburul se afla in stadiul de lichid saturat; lapresiunea p2 = 0.8 bar, entalpia lichidului saturat este de h3 =173.7 kJ/kg. Inaceasta stare, entropia lichidului saturat este de s3 = 0.5921 kJ/kg .K.

La iesire din pompa, entalpia se determina in functie de presiunea de lucrudin cazan p1= 25 bar si din conditia de comprimare adiabata din pompa s3’= s3; seobtine o valoare a entalpiei de h3’= 176.3 kJ/kg.

Se determina astfel caldura preluata de agent in cazan:MW5.8kW8514)3.1763239(78.2)hh(mQ '31aburcazan

b) titul aburului la iesire din turbina se determina din diagrama h-s in functie de presiuneade condesare p2 = 0.08 bar si din conditia de destindere adiabata s1=s2. Rezulta un titlu dex = 0.84.

c) In condensator, aburul este condensat cu ajutorul apei, care se incalzeste cu 120C.Fluxul de caldura cedat de abur in condensator este:

]kW[)hh(mQ 32aburrcondensato Prin inlocuire, se obtine:MW6.5kW5619)7.1732195(78.2)hh(mQ 32aburrcondensato Din ecuatia de bilant pe schimbatorul de caldura, se determina debitul de apa necesar

condensarii:

s/kg117124

5619tc

Qm

];kW[tcmQQ

apa

aburapa

apaapaapaabur

c) Puterea teoretica a turbinei:MW9.2kW2902)21953239(78.2)hh(mP 21aburturbina

d) Randamentul cazanului reprezinta raportul dintre fluxul de caldura primit de abur incazan si cel dezvoltat prin arderea combustibilului:



icomb

'31abur

ardere

cazan

Hm)hh(m

QQ

unde Hi reprezinta puterea calorifica inferioara a combustibilului, kJ/kg.Se obtine astfel debitul de combustibil:h/kg1915s.kg53.0

200008.08514

Hi)hh(m

m '31aburcomb

e) Randamentul teoretic al ciclului:34.0

851422.72902

Q)PP(

cazan

pompaturbina

.kW22.7)7.1733.176(78.2)hh(mP 3'3aburpompa

Cursuri Termotehnica

Documents

Transcript of Cursuri Termotehnica