ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Transkript

1 František KEPÁK ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ (část skript)

2

3 Obsah 1. Základní pojmy z technické termodynamiky 1 2. Spalování paliv Způsoby výroby tepla a elektrické energie, energetické stroje, koroze Pomocné a odpadní látky ze spalovacích procesů Jaderná energetika Ochrana životního prostředí v jaderné energetice 103 Seznam literatury 127 Příklady 130

4

5 1. Základní pojmy z technické termodynamiky 1. 1 Druhy energie, přeměny energie, energetické stroje Druhy energie V technice posuzujeme energii podle změny pohybu hmoty a podle chemického a fyzikálního stavu hmoty. Podle druhu lze energii rozdělit: mechanická energie - pohyb hmoty (kinetická energie), poloha hmoty (potenciální energie) tepelná energie - tepelný pohyb molekul chemická energie - chemická změna molekul látek elektrická energie - pohyb elektronů energie pole - změna elektrického, elektromagnetického, gravitačního pole jaderná energie štěpení nebo slučování atomových jader Přímé využití zdrojů energie je možné jen v málo případech (tepelné záření slunce). Energii určitého zdroje měníme na vhodnější formu pro její využití. Přeměnu energie a vztah mezi jednotlivými druhy energie lze schematicky znázornit v diagramu rovnostranného trojúhelníka (obr. 1. 1). Obr. 1.1 Přeměny energie Přeměna středem přes tepelnou energii je podřízena 2. zákonu termodynamiky. Účinnost přeměny tepelné energie v mechanickou práci je nižší než účinnost Carnotova tepelného oběhu. 1

6 Přeměny podél stran mohou mít teoreticky účinnost rovnou 1. Přímou přeměnu chemické energie v mechanickou nelze uskutečnit Energetická zařízení: technická zařízení k těžbě zdrojů energie, k výrobě, přenosu, rozvodu a spotřeby všech druhů energie. Nejdůležitější jsou stroje a zařízení, které mění: 1. přírodní formy energie na technicky využitelné (parní generátor,vodní motory), 2. jeden druh energie na jiný (elektrické generátory, elektromotory), 3. parametry toho samého druhu energie (transformátory, tepelné výměníky). Energetické stroje mění primární a sekundární zdroje energie, mluvíme tedy o primárních a sekundárních strojích, které dělíme na generátory, hnací stroje a měniče parametrů. Sekundární zdroje energie vznikají zpracováním těžených paliv: koks, brikety, topné oleje, topné plyny, uhelný prášek Přehled základních veličin a vztahů v technické termodynamice Termodynamika: zabývá se zákony, jimiž se řídí přeměna tepla v jiné formy energie, především v mechanickou práci Technická termodynamika: je nauka o energiích, rozlišuje jednotlivé druhy energií, poznává jejich vzájemné souvislosti a meze možnosti jejich přeměn. Pojednává o přeměnách tepla na práci, např. o tepelných strojích a o přeměnách opačných v chladicích strojích. Přeměna tepla na práci se realizuje tak, že teplo uvolněné spalováním paliva nebo jadernou reakcí se předá pracovní látce, jejíž pomocí se přeměna zprostředkuje. Energie soustavy: Pro každou hmotnou soustavu existuje veličina (E), která závisí jen na okamžitém stavu oné soustavy a má tu vlastnost, že její pokles (vzrůst) způsobený přechodem soustavy ze stavu A do stavu B je roven součtu mechanické práce a ekvivalentních forem energie, které soustava při tom okolí úhrnem odevzdala (od okolí úhrnem přijala). Veličina E je energií soustavy. Vnitřní energie U: úhrnný obsah energie látky nebo soustavy látek za definovaných podmínek, velikost vnitřní energie, která se může skládat z různých druhů energie, nelze absolutně stanovit, ze zákona o zachování energie lze určit změny vnitřní energie U mezi stavy 1 a 2: U = U 2 - U 1 U vyjadřuje součet energií přijímaných soustavou ve formě práce W a tepla Q: U = W + Q nebo u = w + q Malými písmeny (např. w, q) se označují veličiny vztažené na jednotkovou hmotnost. Vykonává-li soustava práci a/nebo uvolňuje teplo jsou uvedené veličiny záporné. Vztah pro U ( U) je matematickým výrazem 1. věty termodynamiky, která vyjadřuje princip zachování energie: energie izolované soustavy zůstává konstantní při všech dějích v ní probíhajících. 2

7 Přeměny různých forem energie, hlavně tepla na práci se řídí zákonem o zachování energie. Vztahy mezi teplem a prací se opírají o první a druhou termodynamickou větu. Entalpie H: místo vnitřní energie U pro děje probíhající při konstantním tlaku se zavádí entalpie: H = H - H 2 1 Entalpie H je definována vztahem: H = U + pv Změna entalpie spojená s přechodem soustavy z jednoho stavu do druhého představuje množství tepla, které soustava vydává nebo přijímá za konstantního tlaku: H = Q Entropie Kromě vnitřní energie U je funkcí stavu entropie S. Změna entropie vzniklá převedením látky z počátečního stavu o entropii s do jiného stavu o entropii s 1, je nezávislá na cestě, kterou změna 2 proběhla. Pro vratné změny je entropie definována vztahem: ds = dq/t z čehož dq = Tds, T teplota lázně, při které bylo teplo dq látce přivedeno nebo z látky odvedeno Změna entropie při změně stavu mezi stavy 1 a 2 je dána integrálem: 2 s 2 - s 1 = dq /T 1 Označíme- li stav 1 nulovou hodnotou entropie (s 1 = 0), je možné na základě tohoto vztahu určit pro veškeré změny stavu přírůstek nebo úbytek entropie. Rozměr měrné entropie je J.kg -1.K -1. Soustava, systém: oddělená část hmotného světa, kterou se z termodynamického hlediska zabýváme, nebo kterou si pro studium dějů definujeme. Stav systému: charakterizujeme pomocí extenzivních a intenzivních veličin. Extenzivní veličiny jsou závislé na množství látky (objem, teplo, energie, entalpie, entropie). Intenzivní veličiny nejsou na množství látky závislé (čas, tlak, rychlost, teplota). Termodynamické veličiny popisují stav systému. Uzavřený systém: přes jeho hranici přechází teplo a mechanická práce ne však látka, která má v systému stálé množství. Hranice uzavřeného systému se může zvětšovat nebo zmenšovat (např. plyn v uzavřeném válci pístového stroje při expanzi nebo kompresi). Otevřený systém: přes jeho hranici přechází teplo, mechanická práce i látka. Hranice otevřeného systému je neměnná (např. tepelná turbina, kompresor, výměník tepla). Homogenní soustava: obsahuje jednu fázi (např. kapalinu). 3

8 Heterogenní soustava: alespoň 2 fáze (např. tuhá fáze a kapalná fáze). Vnější absolutní (jednorázová) práce Absolutní elementární práce - vykonaná např. expanzí plynu je dána: dw = -p dv kde p je tlak a V je objem Pro absolutní práci w mezi stavy plynu 1 a 2 platí: V 2 w = - pdv Tato práce je jednorázová. Za adiabatických podmínek (q = 0) se práce koná na úkor vnitřní energie U: V V1 w = - 2 pdv = U 2 - U 1 V 1 Trvalou práci můžeme získat pomocí tepelného stroje - to je trvale pracujícího systému. Technická práce První větu termodynamickou lze vyjádřit ve tvaru: Integrací této rovnice mezi stavy 1 a 2: dq = dh - vdp q 1, 2 = h 2 - h 1 + vdp Integrál v tomto vztahu definuje technickou práci w t ideálního plynu: p p w t = vdp Integrál má pro zápornou hodnotu (systém koná práci) kladné znaménko. Zjednodušená energetická rovnice tepelného stroje (při zanedbání hodnot rozdílů kinetické a potenciální energie): p p q + w t = h h = h 1 h 2 4

9 h 1 entalpie látky přivedené do stroje, h 2 entalpie látky odvedené ze stroje, q množství tepla dodaného z vnějšku Jestliže se do pracovního prostoru stroje teplo nepřivádí ani neodvádí (q = 0, děj blízký poměrům v parní turbině), tak platí: w t = h Při jednorázové expanzi plynu bez přívodu a odvodu tepla (expanze adiabatická) se koná práce na úkor vnitřní energie, při technické práci na úkor entalpie pracovní látky. Tepelný stroj - zařízení přeměňující teplo na mechanickou práci kruhovým dějem (obr. 1. 2). Tepelné stroje představují otevřené systémy, do nichž je pracovní látka přiváděna periodicky (pístové stroje) nebo kontinuálně (proudové stroje) a po vykonání práce je ze stroje odváděna. Otevřené systémy na rozdíl od uzavřených konají trvalou práci, která se nazývá technická. Obr Schéma činnosti tepelného stroje Kruhový děj - probíhá tehdy, vrátí-li se systém po vykonání různých stavových změn do počátečního stavu a další změny jsou periodické (obr ). 5

10 Obr Schéma zařízení kruhového děje Princip práce tepelných strojů: Teplo se přivádí z teplejší lázně, část tepla se přemění na práci a zbytek přechází do chladnější lázně. Přeměna tepla na práci probíhá za následujících podmínek: 1. K trvalé přeměně tepla v mechanickou energii je nutný tepelný stroj, v němž se uskutečňuje kruhový děj. 2. Aby přeměna tepelné energie končila ziskem mechanické energie, musí teplo přecházet z teplejšího tělesa na těleso chladnější. Musí být tedy k dispozici alespoň dva zásobníky tepla odlišných teplot. 3. Jen část tepla z teplejšího zdroje koná práci, zbytek odevzdá pracovní látka jímači. Tepelná účinnost každého tepelného stroje je vždy menší než jedna. Tyto závěry zobecňuje druhá věta termodynamická: Není možné sestrojit periodicky pracující stroj, který by nic jiného nekonal, než odebíral teplému zásobníku teplo a konal rovnomocnou práci. Příklad kruhového děje: 1 kg plynu jako pracovní látka je uzavřen ve válci. Při pohybu pístu doprava se přivádí pláštěm válce plynu teplo q 1, jeho stav se mění podle křivky abc, teplota od T 1 do T 2. Při zpětném chodu pístu odvádí plyn teplo q 2, jeho stav se mění podle křivky cda a vrací se do počátečního stavu. Systém prodělal cyklus. Na obr je uveden kruhový děj v p-v dia-gramu. Chod pístu doprava (abc), expanze q = u - u - w, kde u, u 1 jsou vnitřní energie 1 kg pracovní látky v bodech 2 a 1, w je vykonaná práce při změně 1-2. Komprese plynu (cda), - 1 q = u - u w, kde w je práce spotřebovaná. Během cyklu přivedené teplo q = q - q = w - w = w ; w

11 w 1 = w (plocha abcda) představuje práci vykonanou během jednoho cyklu. Termická účinnost η = q/q = (q - q )/q = 1 - q /q, kde q je přivedené teplo a q t je odvedené teplo. Obr Kruhový děj v p-v diagramu U skutečných strojů se po každém oběhu část pracovní látky odstraní a odnáší nevyužité teplo. To se pro následující oběh přivádí čerstvou pracovní látkou nebo se získá spálením paliva uvnitř válce. Předchozí diagram p - v platí pro kruhový děj v libovolném stroji, např. parním. Carnotův cyklus Libovolným kruhovým dějem lze převést jen část tepla na mechanickou práci. Nejvyšší účinnost tohoto cyklu představuje Carnotův cyklus, který sestává ze 4 vratných změn. Účinnost tohoto cyklu závisí jen na absolutních teplotách (T 1, T 2 ) a je menší než 1. Tepelná účinnost s vyššími teplotami T 1 stoupá, zvyšování teploty omezuje však odolnost materiálu. Obr představuje Carnotův cyklus v p-v diagramu. Obr Carnotův cyklus v p-v diagramu 1-2 izotermická expanze, teplo q 1 se přivádí 1 kg pracovní látky při teplotě T 1. 7

12 2-3 adiabatická expanze. 3-4 izotermická komprese, teplo q 2 se odvádí při teplotě T adiabatická komprese, termická účinnost η t = (q 1 - q 2 )/q 1 = q/q 1 = (T 1 - T 2 )/T 1 = 1 - T 2 /T 1 Carnotův cyklus lze také zobrazit v tepelném T - s diagramu obdélníkem 1234 (obr. 1. 6). Obr : Carnotův cyklus v T-s diagramu. V diagramu značí: 1-2 izotermní expanzi, při níž se přivádí teplo úměrné ploše , 2-3 adiabatickou expanzi, při níž klesne teplota z T na T 1, 3-4 izotermní kompresi, při níž 2 se odvede teplo , 4-1 adiabatickou kompresi, při níž stoupne teplota z T na T. 2 1 Obrácený Carnotův cyklus představuje chladicí stroj (obr. 1. 7) Obr Schéma činnosti chladícího stroje. Na obr je uveden obrácený Carnotův cyklus v T-v diagramu 8

13 Obr. 1. 8: Obrácený Carnotův cyklus v T-v diagramu. 1-4 adiabatická expanze, teplota klesne z T na T izotermická expanze, plyn získá teplo 2 q z chladnějšího zásobníku, který má teplotu T adiabatická komprese, teplota vzroste 2 z T na T. 2-1 izotermní komprese, plyn odevzdá teplo q zásobníku o teplotě T Vynaložením práce w (mechanická práce vynaložená z vnějšku na kompresi) se získalo teplo q 1 o vyšší teplotě (q 1 = q 2 + w). Topný faktor ε této přeměny je dán poměrem: ε = q 1 /w = q 1 / (q 1 - q 2 ) = 1/η t = T 1 / (T 1 - T 2 ) Termokomprese (přečerpávání tepla) Carnotův cyklus v opačném smyslu se používá také k vytápění, účinnost je tím vyšší, čím je menší rozdíl teplot. Teplo zdroje o nízké teplotě (brýdové páry, voda v řece) lze převést na systém s vyšší teplotou dodáním mechanické práce. Tento pochod se v technické literatuře nazývá termokomprese (přečerpávání tepla) a zařízení se nazývají termokompresory, tepelná čerpadla. Tepelné diagramy - závislost teploty T a entropie s 1 kg látky pro sledování tepelných oběhů. Přivedené nebo odvedené teplo při určité změně je dáno plochou pod křivkou změny (obr. 1 9). dq = Tds s 2 q= Tds s 1 9

14 Obr Změna stavu v T-s diagramu Při každém vratném cyklu se celková hodnota entropie systému + entropie okolí nemění. Porovnávací cykly Carnotův cyklus představuje ideální vratný kruhový proces. Je kriteriem pro porovnávání účinnosti cyklů. Carnotovu cyklu se může přiblížit jen velmi pomalu probíhající děj, který pro technickou praxi nemá význam. Cykly, které se uskutečňují v technických tepelných strojích, jsou nevratné a nejsou uzavřené, protože látka s níž pracují (pára, spálená směs) je vypuzována ven. Zařízení pro parní oběh - oběh Clausius-Rankinův Pracovní stroj tvoří parní turbina, která pohání elektrický generátor. Realizuje se cyklus přeměny tepla na mechanickou práci a elektrickou energii. Nasycená pára, vzniklá v parním kotli adiabaticky expanduje v pracovním stroji a v kondenzátoru dochází k její kondenzaci. Voda se čerpá do kotle napáječkou. Vznikl tak nový oběh, snížila se termická účinnost. Tento oběh se nazývá oběhem Clausiovým-Rankinovým. Jeho pracovní látkou je voda, případně pára. Místo kompresoru se používá napáječky. Termická účinnost η t tohoto cyklu je η t = (q 1 - q 2 ) / q 1 q 1 - přivedené teplo, q 2 - odvedené teplo Termická účinnost bude tím vyšší, čím vyšší budou parametry vstupní páry (teplota, tlak) a čím nižší bude tlak a teplota páry vystupující z turbiny. V praxi se pohybuje v rozmezí 0,36-0,40. Termickou účinnost lze zvýšit regeneračním ohřevem vody před vstupem do kotle a přihříváním páry po částečné expanzi ve vysokotlaké části turbiny. Zařízení pro parní oběh tvoří: 1. kotel, 2. pracovní stroj (parní stroj, turbina), 3. kondenzátor, 4. kompresní stroj, čerpadlo (obr ). Pracovní stroj může pracovat s výfukem, okolí přejímá funkci kondenzátoru. V tepelných strojích se mění teplo v mechanickou práci pomocí pracovní látky (páry, plynu), která je nositelkou tepelné energie. Pracovní látce je teplo dodáváno buď mimo tepelný stroj (výroba páry v parním kotli) nebo přímo uvnitř stroje spalováním vhodného paliva (spalovací motory). 10

15 V pístových strojích působí tlak pracovní látky na pohyblivý píst, přetlakem na jedné straně se uvede píst do pohybu, koná práci. U rotačních tepelných strojů se mění tepelná energie v kinetickou energii plynu. Kinetická a objemová energie proudícího plynu se přivede do oběžných kol turbiny, způsobí jejich otáčení, tím se koná práce. Obr Schéma zařízení pro parní oběh Exergie Od množství energie, kterou máme v energetickém zdroji k disposici rozlišuje tu část, kterou lze přeměnit např. na mechanickou práci. Tato část energie se nazývá exergie neboli pracovně technická energie (e). Využitelná tepelná energie závisí na termodynamickém stavu látky a na dané teplotě okolí. Mění se tedy u téže látky s jejím termodynamickým stavem a se stavem okolí. 11

16 2. Spalování paliv Spalování paliv je chemický pochod, při kterém vyrábíme z paliva teplo. Chemicky vázaná energie v palivu se mění v tepelnou. Pracovními látkami spalovacího procesu jsou: 1. palivo 2. oxidovadlo - látka, obsahující kyslík, v technické praxi atmosférický vzduch 3. produkty spalovacího procesu - plynné spaliny a tuhá nebo kapalná struska Aby došlo ke spalování, musí být zajištěna dostatečně vysoká teplota. Spalování je dáno exotermickými reakcemi: C + O 2 CO kj kg -1 H 2 + l/2 O 2 H 2 O kj kg -1 S + O 2 SO kj kg -1 Tepla na pravé straně jsou výhřevnosti. Hoření prudká oxidace, která po zavedení probíhá samovolně a je provázena vývojem tepla a světelným efektem. Spalování - oxidace látek až na konečné zplodiny reakce s maximálním uvolněním tepla. Celková doba hoření paliva je dána dobou míšení paliva a oxidovadla a dobou vlastní chemické reakce. Spalovací zařízení V širším smyslu sestává z vlastního spalovacího zařízení, tj. ohniště s roštem nebo s hořáky a pomocného zařízení, tj. vzduchové a sací ventilátory, ohříváky vzduchu, zařízení pro přípravu paliva (např. mlýny), odškvárovaní, atd. Ohniště dělíme podle druhu paliva: a) pro tuhá paliva (uhlí,koks, tuhé odpady) b) pro kapalná paliva (topná nafta, topný olej, kapalný odpad) c) pro plynná paliva (svítiplyn, zemní plyn, vysokopecní plyn) Hlavní úkoly spalovacího zařízení: zajistit správné rozdělení přivedeného paliva, aby rychle a dokonale vyhořelo přivést spalovací vzduch v optimálním přebytku spalovat palivo proměnných vlastností bez podstatnějšího poklesu účinnosti spalování zajistit stabilitu hoření v celém výkonovém rozsahu zařízení umožnit jednoduchou ale účinnou regulaci výkonu v širokém rozmezí docílit spalování bez rušivých vlivů ( nánosy, koroze) zaujímat co nejmenší objem a půdorys při malé hmotnosti a malých pořizovacích nákladech 12

17 přizpůsobit se tvarem a rozměry požadavkům příslušné technologie. 2.1 Ohniště pro tuhá paliva Ohniště na tuhá paliva dělíme podle způsobu spalování na: roštová (ve vrstvě) prášková (v letu) cyklonová fluidní (v kypící vrstvě) Prášková ohniště jsou podle způsobu odvodu popele granulační nebo výtavná. Roštová ohniště Rošty jsou vybaveny kotle od nejmenších výkonů až asi do 50 tun páry hodinově (výjimečně 100 t/h). Rošty: pevné (rovinné a šikmé čili stupňové), mechanické (řetězové a pásové, přesuvné, strmosuvné). Obr. 2.1 a 2.2. Obr. 2.1 Pevný rošt s ručním přikádáním 1 - roštnice, 2 - přední stěna s dvířky, 3 - jízek, 4 - ohniště, 5 - dvířka popelníku 13

18 Obr. 2.2 Rošt pásový Na pevném roštu se palivo nepohybuje, na mechanickém roštu je unášeno na pásu. Uhlí je na roštu ve vrstvě určité tloušťky, která je nehybná nebo je prohrabávána. Touto vrstvou proudí spalovací vzduch, rošt musí umožnit rovnoměrné rozdělení vzduchu, aby palivo dokonale vyhořelo. Na roštu zůstávají tuhé zbytky spáleného paliva, u mechanických roštů se transportují do škvárové výsypky. Hlavní součásti roštu: nosná konstrukce, roštnice, případně jízek, u mechanických roštů násypka, vrstevník, pohybové ústrojí. Palivo prochází na roštu několika fázemi: sušení, uhlí se ohřívá na teplotu do 120 o C, odchází povrchová a hygroskopická voda odplyňování, probíhá nad 250 o C hoření prchavé hořlaviny a zápal vrstvy tuhé hořlaviny dohořívání tuhé fáze a postupné chladnutí tuhých zbytků Fáze zápalu paliva: zápal spodní - od vrstvy již hořícího paliva nebo přívodem horkého vzduchu pod rošt zápal vrchní - přívodem tepla do vrstvy od sálajících plamenů, sáláním obezdívky kombinovaný Spalování na pásovém roštu Vrstva paliva se postupně snižuje. V přední polovině roštu je vzduchu nedostatek, protože vysoká vrstva paliva ( mm) klade odpor, který se s prohoříváním a snižováním vrstvy zmenšuje. Proudění vzduchu dosahuje maxima na konci roštu, kde je přebytek vzduchu (obr. 2.3). Základní části roštového ohniště: spalovací prostor omezený stěnami, přední a zadní klenbou, rošt s palivovou násypkou a palivovým hradítkem, škvárový jízek, škvárová výsypka a zařízení pro přívod a regulaci vzduchu. 14

19 Obr. 2.3 Průběh spalování na pásovém roštu Odstraňování strusky z roštových ohnišť ruční, škvára přepadá s konce roštu do popelové jímky, odkud se vyváží vozíky mechanické, mají velké kotlové jednotky, používá se odstruskovače řetězového, hydraulického odstruskování nebo ejektorového zařízení Spalování na roštech se nazývá filtrační (obdoba filtrace kapalin zrnitou vrstvou) Prášková ohniště Vznikla po roce 1920 s rozmachem elektrárenství, rošty nedávaly dostatečný výkon pro velké parní kotle. Práškové ohniště není co do výkonu omezeno, spaluje paliva s obsahem popela vyšším než 55 % a s vyšší účinností než ohniště roštová. Na roštech lze spalovat uhlí s obsahem popela %.V práškových ohništích probíhá spalování uhlí v letu, spaluje se jemně umletý prášek, který se přivádí tryskami hořáků spolu se vzduchem do prostoru ohniště. Uhelný prášek se dopravuje ze mlýnů pneumaticky. Spalování uhelného prášku je heterogenní chemická reakce, závisí na velikosti měrného povrchu, který je u prášku více než 200 krát větší než u tříděného paliva. Palivo se drtí a mele. Před mletím nebo během mletí se suší horkým vzduchem nebo spalinami. Používají se trubnaté (kulové) mlýny, tlukadlové mlýny, ventilátorové mlýny. Hořáky - musí zaručit rychlé a dokonalé spálení prášku. Do hořáku se přivádí směs prášku s primárním vzduchem. Sekundární vzduch se přivádí rovněž hořákem, ale promíšení nastane až v ohništi. Hořák: a) vířivý, turbulentní kruhový (čelní), b) hubicový hořák. Na obr. 2.4 je znázorněn kruhový hořák. Jsou dvě konstrukční varianty práškových ohnišť: granulační a výtavná. 15

20 Obr 2.4 Kruhový hořák 1 - prášek s primárním vzduchem, 2 sekundární vzduch Granulační ohniště U granulačních ohnišť vyhovuje nejnižší teplota plamene, která zajišťuje ještě stabilní vzněcování a dostatečně rychlý průběh hoření. Granulační ohniště jsou vhodná pro spalování méně hodnotných paliv, u nichž vysoký obsah vody snižuje spalovací teplotu. Podmínkou bezporuchového provozu je udržení teplot na nižší úrovni, v jádru plamene nebývají vyšší než o C, zvýšení teploty může mít za následek nalepování změklé strusky na stěny ohniště. Granulační ohniště mají ve spodní části vychlazené komory granulační rošt, tj. řídkou soustavu málo nakloněných varných trubek, o kterou se kapky roztavené strusky ochladí. Výtavná ohniště Ve výtavných ohništích se spaluje palivo při vyšších teplotách, popeloviny se roztaví a odstraňují se z ohniště v tekutém stavu.výtavná ohniště jsou dvouprostorová se stropními hořáky (oddělený výtavný a ochlazovací prostor) nebo jednoprostorová s rohovými hořáky. Výtavná ohniště dvouprostorová jsou uvedena na obr Pro výtavná ohniště se používá hubicový hořák rohový, (obr. 2. 6). Hořák neprovádí mísení primární směsi (prášek s primárním vzduchem) se sekundárním vzduchem, to probíhá ve víru ve středu ohniště. U práškových ohnišť je nevýhodou vysoký úlet paliva. 16

21 Obr. 2.5 Výtavná ohniště dvouprostorová a ohniště ve tvaru U (USA), b ohniště ve tvaru U (ČR), c ohniště ve tvaru U s nižším stropem (až 70% popela se zachytí) Obr. 2.6 Rohový hořák Cyklónová ohniště Odlišnost cyklónového ohniště od práškového: palivo spalované v cyklónovém ohništi se nemele tak jemně jako pro prášková ohniště, výstupní rychlost sekundárního vzduchu z trysek je třikrát až pětkrát vyšší než u práškových hořáků. Velká kinetická energie sekundárního vzduchu vyvolá silné víření v celém prostoru ohniště velké relativní rychlosti mezi částečkami paliva a vzduchem a velké rychlostní gradienty v celém prostoru cyklónového ohniště umožňují intenzivní spalování i při malém přebytku vzduchu 17

22 tvar cyklónového ohniště a jeho stěny pokryté roztavenou struskou umožňují zachytit velké množství popela. Ve výtavném prostoru cyklónového ohniště je možné zachytit až 95 % všeho popela ve formě roztavené strusky. Schéma horizontálního cyklónového ohniště je na následujícím obrázku: Obr. 2.7 Schema horizontálnío cyklonového ohniště 1 - vstup paliva s primárním spalovacím vzduchem, 2 - vstup sekundárního spalovacího vzduchu, 3 - směr pohybu spalin v ohništi, 4 - výstupní otvor s límcem spalin, 5 - vstup terciárního spal. vzduchu, 6 - výtokový otvor pro strusku Fluidní ohniště Ve fluidním ohništi se spaluje drcené palivo v kypící vrstvě, částečky paliva a popílku jsou nadnášeny proudem vzduchu a spalin, které proudí svisle vzhůru. Aby mohla nastat rovnováha tíhy a aerodynamického odporu pro částice různé velikosti, snižuje se postupně rychlost spalin zvětšováním průtočného průřezu ohniště, ohniště má nálevkovitý tvar. Palivo se rozvrství podle velikosti do různých výšek, větší částice se spalují ve spodní zúžené části, menší zrna v rozšířené části ohniště. Spalování ve vznosu je charakterizováno velkým hmotovým a tepelným přenosem uvnitř vrstvy, dlouhou dobou pobytu větších částic ve vrstvě (obr. 2.8). Na trubkách výhřevných ploch nevznikají nánosy, lze spalovat méně hodnotná paliva, dávkujeli se do fluidní vrstvy vápenec, omezí se tvorba oxidů síry. Srovnání účinnosti kotle s odlišnými ohništi a rošty je na obr Tah Aby palivo mohlo dokonale shořet, musí být zajištěn přívod vzduchu a odvod spalin. Tuto činnost vykonává tah, který může být přirozený nebo umělý. Přirozený tah je dán vztlakem horkých spalin, umělý ventilátorem nebo ejektorem. 18

23 Obr. 2.8 Fluidní pec na spalování odpadů 1 - přívod odpadu, 2 odvod spalin, 3 přívod primárního vzduchu, 4 přívod sekundárního vzduchu Obr. 2.9 Porovnání účinnosti kotlů 1 - výtavná ohniště, 2 - granulační ohniště, 3 - mechanické rošty, 4 - posuvné rošty 2. 2 Ohniště na kapalná paliva Předností kapalných paliv je jejich vysoká výhřevnost, snadnost těžby, dopravy a skladování. Spalovací zařízení má vyšší účinnost. Odpadá ztráta tepla struskou, obsah popelovin je nepatrný, odpadají odlučovače popílku. 19

24 Kapalná paliva musí být před spálením rozptýlena na jemné částečky, případně převedena na páry, které se smísí se vzduchem a ve velmi krátké době shoří. Kapalnými palivy jsou topné oleje ropné, dehtové, tj. oleje podřadné. Kapalná paliva se připravují ke spálení v tzv. olejovém hospodářství, ve kterém se palivo skladuje, zbavuje mechanických nečistot filtrací a ohřívá. Schéma zařízení na spalování kapalných paliv je na obr Obr : Schéma zařízení na spalování kapalných paliv 1 - zásobník, 2 - větrník, 3 - ohřívák, 4 - filtr, 5 - hořák, 6 - tvárnice (silimanit) Hořáky na kapalná paliva Kapalná paliva musí být před spálením rozptýlena na jemné částečky, případně převedena na páry, které se smísí se vzduchem a ve velmi krátké době shoří. K rozptylování paliva se používá hořáků. Hořák je zařízení,v němž se palivo rozprašuje, vypařuje se v části ohřívané sáláním z ohniště, mísí se se vzduchem a vstupuje do ohniště, kde shoří. K rozprašování paliva se používá sytá nebo mírně přehřátá pára, případně tlakový vzduch. Hořáky jsou na nízký tlak vzduchu nebo vodní páry ( MPa), na vyšší tlak vzduchu nebo vodní páry ( MPa) nebo tlakové (0.8-2 MPa). Obr a, b. Nízkotlaký hořák je pro řídká paliva, vzduch se stlačuje ventilátorem, olej přitéká samospádem. Hořák pro vyšší tlak je pro viskosní paliva (asfalty, smoly). U tlakových hořáků odpadá zařízení a vedení pro páru nebo stlačený vzduch, rozprášení oleje se děje expanzí. 20

25 Obr 2.11 Nízkotlaký hořák Obr : Hořák na vyšší tlak Obr : Tlakový hořák 21

26 Obr a, b Tlakové hořáky 2. 3 Ohniště pro plynná paliva Topné plyny jsou ideálním palivem pro parní kotle. Doprava plynů je jednoduchá, levná, plyn není nutné před spalováním upravovat. Úpravy se provádějí v místě těžby. Plynná paliva se snadno mísí se vzduchem, spalují se s velmi nízkým přebytkem vzduchu. Používané plyny: svítiplyn, vysokopecní plyn, generátorový plyn, vodní plyn a zemní plyn. Hořáky na plynná paliva Zařízení pro spalování plynu jsou hořáky. Směšují plyn s potřebným množstvím vzduchu, aby plyn shořel plamenem požadovaných vlastností (délka, svítivost, teplota, oxidační, redukční). Hořáky se dělí na 2 skupiny: a) s plamenem svítivým b) s plamenem nesvítivým. Hořáky s plamenem svítivým se používají v pecích, plyn a vzduch se do nich přivádí téměř paralelními kanály, vyústěnými vedle sebe nebo nad sebou. Hořáky s plamenem svítivým představují obr Křížením vzduchu a plynu (obr ) se plamen zkracuje a zvyšuje se jeho teplota. Obr Paralelní hořák 1 - přívod topného plynu, 2 - přívod předehřátého vzduchu 22

27 Obr Kovový hořák Obr Křížení proudu plynu a vzduchu Hořáky s plamenem nesvítivým jsou nízkotlaké (atmosférické), tlakové a pro povrchové spalování. Nízkotlaké jsou znázorněny na obr a 2. 19, hořáky se stlačeným plynem na obr a, b, c, hořák se stlačeným vzduchem na obr Obr Bunsenův hořák 23

28 Obr Hořák typu Mecker Obr a, b, c Hořáky se stlačeným plynem Obr Hořáky se stlačeným vzduchem 24

29 3. Způsoby výroby tepla a elektrické energie, energetické stroje, koroze 3. 1 Pára v parních generátorech Ve varném systému kotle dochází k vypařování vody, v bubnových kotlích se vznikající pára odděluje od vody a vede se do přehříváků páry. V bubnových kotlích dochází k zahušťování solí ve vodě, je nutný odkal (přetržitý), odluh (nepřetržitý). Rozpuštěné látky v kotelní vodě jsou hlavně v iontové formě, se stoupající koncentrací solí se zvyšuje náchylnost kotelní vody k pěnění, zvláště za přítomnosti OH - 3- a PO 4. Pro každou konstrukci bubnového kotle a kvalitu napájecí vody existuje kritická solnost, při jejím překročení začíná voda pěnit. Při nedostatečné úpravě napájecí vody dochází k tvorbě nánosů kotelního kamene, jsou to málo rozpustné soli Ca 2+, Mg 2+ jako jsou sírany, uhličitany, křemičitany. Usazují se na stěnách trubek, zhoršují přestup tepla stěnou, která se může přehřát, deformovat, roztrhnout. Pro vysokotlaké kotle se voda upravuje demineralizací, nánosy nerozpustných solí se tvoří zřídka, dochází k tvorbě nánosů z korozních produktů Technicky čistá pára Pára má dosáhnout takové čistoty, aby nedocházelo k usazování solí v přehřívácích páry (poruchy z přehřátí stěn trubek) a v parní turbině ( snížení výkonu soustrojí). Pára, která nezpůsobuje nánosy je technicky čistá pára Dělení směsi páry a vody Směs vody a páry se v bubnu kotle dělí, vzniká vrstva se vzrůstajícím obsahem páry, která je v horní části ohraničena pásmem parních bublin. Obalové blány bublin praskají, rozpadají se na vodní tříšť, její částečky jsou vymršťovány do parního prostoru bubnu (obr a, 3. 1 b). Obr a, b: Výška parního prostoru a) za studena, b) za provozu Pro dělení směsi je důležitá dostatečná výška parního prostoru, má být vyšší než dolet vodní tříště.za výšku parního prostoru se považuje výška nad normálním vodorysem, který je 25

30 za studena vyznačen na vodoznaku. Vodoznak však neukazuje skutečnou výšku parního prostoru za provozu, neboť je rozdíl měrné hmotnosti vody ve vodoznaku a směsi vody a páry v bubnu. Výška parního prostoru se může snížit natolik, že není unášena jen vlhkost ale i vodní tříšť. Dochází k přestřiku. Pára se může znečistit přestřikem kotelní vody, která obsahuje až o několik řádů vyšší koncentrace solí, než je limitní koncentrace solí v páře. Proto je nutné páru na výstupu z bubnu co nedokonaleji zbavit zbytků kotelní vody. Kotle se opatřují vestavbami, aby nedocházelo k přestřiku (vnitřní cyklony, kluzné plechy) Příměsi ve vodní páře Rozpustnost příměsí v přehřáté páře V přehřáté páře se rozpouštějí jak přírodní příměsi tak i korozní produkty. Rozpustnost v páře je menší než ve vodě, to souvisí s nižší měrnou hmotností páry.při konstantní teplotě je rozpustnost látek (c p, mol/kg) v přehřáté páře závislá na měrné hmotnosti páry ρ: c p = K c. ρ m m - koordinační číslo dané látky, tj. průměrné množství molekul vody obklopujících částici rozpuštěné látky, Kc - konstanta, je funkcí teploty a chemických vlastností rozpuštěné látky, stanoví se experimentálně. Iontově nedisociované látky ve vodě (oxidy kovů) mají v páře vyšší rozpustnost než látky disociované (soli). Velký význam má chování příměsí v páře o nadkritických parametrech při průchodu turbinou. V turbinách nadkritických parametrů je pára od cca 24,0 MPa do několika kpa. Při vysokých tlacích je rozpustnost látek v páře vysoká, ale při poklesu tlaku klesá a soli vypadávají jako pevná fáze. Oxid železitý a oxid křemičitý tvoří v turbině obtížně odstranitelné nánosy Rozdělení příměsí mezi vroucí vodu a sytou páru Při podkritických tlacích přecházejí příměsi do syté páry 2 způsoby: únos kapek vlhkosti obsahujících příměsi se sytou parou, hydrodynamický proces rozpouštění příměsí ve vznikající páře, fyzikálně-chemický proces. Před počátkem tvorby páry jsou všechny látky rozpuštěny ve vodě, v parovodní směsi se látky rozdělí mezi vodu a páru, poměr rovnovážných koncentrací v páře a ve vodě se nazývá koeficient rozdělení K r. Čím je větší měrná hmotnost prostředí, tím větší je v něm rozpustnost příměsí. Koeficient K r je funkcí poměru měrných hmotností páry a vody: K r = ( ρ p/ρ v ) n = c p /c v, kde n je koordinační číslo, které závisí na vlastnostech rozpuštěné látky ρ p - měrná hmotnost páry, ρ v - měrná hmotnost vody, c p rovnovážná koncentrace příměsí v páře, c v rovnovážná koncentrace příměsí ve vodě. 26

31 3. 2. Parní kotle Typy parních kotlů a hlavní části parního kotle Parní kotel je zařízení pro výrobu tlakové páry. Kotle elektrárenské, teplárenské, průmyslové, kotle pro vytápění, na odpadní teplo, pro dopravní účely. Horkovodní kotel-analogický kotli pro dodávku syté páry, teplosměnná plocha slouží jako ohřívák vody. Kotle pro energetické závody mají výkon v rozsahu od několika tun do několika tisíc tun páry za hodinu. Elektrárenské kotle dodávají páru o tlaku až 35 MPa a teplotě do 600 o C. 2 hlavní části kotle: spalovací zařízení a parní generátor. Spalovací zařízení sestává z ohniště, kde se spaluje palivo ve vrstvě nebo v prostoru (obr. 3. 2) Obr. 3. 2: Schéma kotle s pásovým roštem 1 - ohniště kotle, 2 - pásový rošt, 3 - násypka, 4 - hradítko, 5 - škvárový jízek, 6 - přední klenba, 7 - zadní klenba a z pomocného zařízení tj. zařízení pro přípravu paliva ke spalování, ohřívák vzduchu, ventilátory, zařízení k odstraňování tuhých produktů spalování. Obecné schéma palivového hospodářství je na obr

32 Obr. 3. 3: Obecné schéma uhelného palivového hospodářství 1 - vlečka (přísun paliva), 2 - váha, 3 - přijímací (vykládací) zařízení, 4 - dopravní zařízení, 5 - překládací stanice, 6 - drtící stanice, 7 - skládka, 8 - automatická pásová váha, 9 - zásobníky paliva v kotelně Parní generátor - část kotle, kde se z vody vyrábí pára, sestává z ohříváku vody, výparníku a přehříváku páry. Ohřívák vzduchu - část spalovacího zařízení sloužící k ohřátí spalovacího vzduchu na potřebnou teplotu. Z hlediska přenosu tepelné energie lze kotel definovat jako soustavu výměníků tepla, v nichž se předává tepelná energie plamene a spalin pracovní látce a vzduchu. Výlučně používanou pracovní látkou je upravená voda. Uspořádání hlavních částí parního kotle podle umístění v proudu spalin je na obr Obr. 3. 4: Uspořádání hlavních částí kotle podle umístění v proudu spalin 28

33 Rozdělení parních kotlů 1. Podle konstrukce: kotle plamencové kotle žárotrubné a kombinované kotle vodotrubné 2. podle spalovacího zařízení: kotle roštové kotle práškové (s granulační nebo s tavnou komorou) kotle fluidní 3. Podle paliva tuhé kapalné plynné 4. Podle tlaku vyráběné páry kotle s podkritickým tlakem: nízkotlaké do 1,6 MPa, středotlaké 1,6-5 MPa, vysokotlaké 5-13 MPa, velmi vysokotlaké 13-22,5 MPa kotle s nadkritickým tlakem: nad 22,5 MPa. 5. Podle vodního obsahu s velkým obsahem vody (plamencový, žárotrubný) s malým obsahem vody (strmotrubný, průtočný) 6. Kotle speciální: kotle na odpadní teplo, kotle s nepřímou výrobou páry aj Charakteristické hodnoty parních kotlů přetlak, pohybuje se v rozmezí 0,15-17,8 MPa (u dnešních zařízení) přehřátí páry, do cca 600 o C výkon ( hmotnostní průtok páry na výstupu z kotle, t/h) až 1000 t páry/h průměrné zatížení výhřevné plochy, kw m -2, u moderních kotlů kw m -2, v sálavé části ohniště kw m -2 poměr vodního obsahu k hodinovému výkonu (výroba páry za 1 h): staré kotle 7-14, vodotrubné kotle na střední výkony 1-2, kotle na velké výkony 0,5-0,2 29

34 měrné zatížení ohniště, roštová vyvinou 0,2-0,5 MW m -3, prášková až 0,6 MW m -3, vírová až 6 MW m Základní typy parních kotlů Kotle s velkým vodním obsahem válcový kotel, nýtovaný buben velkého průměru (do 2,5 m), délky (až 10 m). Kotel výráběl sytou páru, odváděnou z parního dómu. Kotel byl opatřen manometrem, vodoznakem a pojišťovacím ventilem, na spodu v zadní části bubnu byl bahník, kterým se kotel odkaloval. Kotel měl průlez k čištění. Výhřevná plocha malá, cca 33 m 2. Napájen neupravenou vodou (obr. 3. 5) plamencový kotel, má větší výhřevnou plochu při stejném průměru bubnu než válcový kotel, plamenec je vlnitá trouba, uložená ve vodním prostoru kotle, roštové ohniště je uvnitř plamence, spaliny procházejí plamencem, zvětšení výhřevné plochy (až 150 m 2 ) se dosáhne dvěma plamenci vedle sebe a příčnými trubkami v plamenci, plamencové kotle jsou ještě v provozu tam, kde je potřeba páry nárazová, napájecí voda se většinou neupravuje, kotle se čistí (obr. 3. 6, 3. 7 a, b ). kotel žárotrubný je válcový kotel, do jeho vodního prostoru jsou umístěny bezešvé trubky, kterými proudí spaliny, výhřevná plocha 3 krát větší než u kotle plamencového (až 600 m 2 ), napájecí voda je změkčená. kotle kombinované, vznikly spojením kotle plamencového a žárotrubného, výhřevná plocha až 750 m 2 (obr. 3. 8). Obr Válcový kotel 1 - buben, 2 - vodní prostor, 3 - parní prostor, 4 - parní sběrač, 5 - odkal, 6 - odběr páry, 7 - vodoznak, 8 - pojistný ventil, 9 - manometr, 10 - odkalovací ventil, 11 - sběrač kalu (bahník), 12 - napáječka, 13 - napájecí hlava, 14 - rošt, 15 - popelník, 16 - ohniště, 17 - jízek, 18 - spalinový kanál, 19 - spalinový průtah, 20 - regulace tahuh (klapka nebo šoupátko) 30

35 Obr. 3. 6: Kotel plamencový Obr a, b: Kotel plamencový a) příčné trubky, b) dva plamence Obr. 3. 8: Plamencový kotel se žárovými trubkami - kombinovaný kotel 31

36 Charakteristika kotlů této skupiny Vodní obsah je několikanásobek (7-14) hodinového parního výkonu, mohou být nárazově zatěžovány, vodní obsah působí jako parní akumulátor, při poklesu tlaku se uvolní velké množství páry, výkon je omezen průměrem a délkou bubnu, přehřátí páry pokud se provádí je nízké do 300 o C, topení ruční s mechanickými nahazovači i mechanické, napájecí voda pro válcové kotle většinou bez úpravy, pro plamencové, trubkové změkčená, odkalování přetržité, obsah solí v kotelní vodě může být vysoký až 10 g/l, na čistotu páry nejsou požadavky. Kotle s malým vodním obsahem Pro výkony vyšší než 6 t páry/h, jak rostly požadavky pro energetiku, vznikly kotle vodotrubné, výhřevná plocha je tvořena varnými trubkami (topené zevně spalinami), v nichž obíhá kotelní voda a vzniká pára, buben není vytápěn, slouží k dělení vody a páry. Spaliny předávají teplo sáláním, zčásti prouděním. Napájecí voda musí být upravována. Jedná se o následující kotle: kotle s přirozeným oběhem vody (kotle se šikmými trubkami, kotle se strmými trubkami) kotle s nuceným oběhem vody (La Mont) kotle průtočné (Benson, Sulzer) Kotle strmotrubné Tyto kotle se vyznačují tím, že se skládají z několika bubnů vzájemně propojených varnými trubkami. Původně to byly trubky rovné, nyní se používají trubky ohnuté, radiálně zaústěné do bubnů kotle. Počet bubnů se postupně snižoval, nyní se používají dva nebo jeden, ke spojování trubek na stěně se používá zavodňovacích a sběracích komor. Strmé trubky zlepšily oběh vody v kotli, varné trubky pokrývají stěny ohniště, výsypku (granulační ohniště) nebo dno (výtavné ohniště) a někdy i strop. Zlepšení cirkulace vody se dosáhlo užitím vnějších, netopených spádových (zavodňovacích) trubek, přivádějících vodu do spodních komor varných trubek chladícího registru, byl zaveden zdvihový oběh vody - varné trubky jsou zavedeny nad hladinu vody v bubnu. Za ohništěm a z části i v ohništi je přehřívák páry, dále je tam vodní ekonomizér. Ohniště do výkonu 100 t/h roštové nebo práškové, pro větší výkony práškové, přehřátí páry až 550 o C, přetlak až 16 MPa, slouží energetickým účelům. Schéma strmotrubného kotle je na obr Oběh vody v kotli Dosud uvedené kotle mají přirozený oběh, voda vstupuje do kotle ohřátá na teplotu varu, oběh vody je podmíněn rozdílem měrných hmotností sloupce vody v zavodňovací trubce a sloupce vody a páry ve varné trubce. Oběh vody je tím rychlejší čím více se vyrobí páry a čím větší je rozdíl hustot medií ve varné a spádové trubce ( obr , ). Cirkulační číslo C (násobnost oběhu vody) udává kolikrát oběhne voda v kotli než se odpaří. Pro tlaky do 6 MPa je cca 30, při tlacích 10 MPa je

37 Obr Moderní parní generátor na vysoké výkony Obr Přirozený oběh 33

38 Obr Zdvihový oběh Kotle s nuceným oběhem vody Oběh vody obstarává čerpadlo, tlačí vodu z bubnu do soustavy varných trubek, cirkulační číslo je Kotle průtočné Kotle průtočné mají nucený průtok vody celým systémem výhřevných ploch. Kotelní voda neobíhá soustavou trubek, ale je protlačována paralelně řazenými trubkami, ve kterých se voda postupně ohřívá, odpařuje a přehřívá. Žádná část vody se nemůže akumulovat nebo cirkulovat. Cirkulační číslo je 1,0. Výhodou kotle je jednoduchá konstrukce. Nemá buben na dělení vody a páry, soli se mohou usazovat na teplosměnných plochách, případně přecházet do páry. Napájecí voda musí být zbavena solí. Charakteristika kotlů s nuceným oběhem a průtokem Zaručený oběh vody nebo páry, libovolný výkon, malý obestavený prostor. Napájecí voda musí být dobře upravena. Příklady průtočných kotlů jsou na obr , Kotle na odpadní teplo Z chemických, metalurgických a jiných provozů odchází často plyny o teplotách až 1000 o C. Jejich teplo lze využívat v kotlích na odpadní teplo, které jsou zařazeny do technologického celku. Teplo se využívá k ohřevu vody nebo k výrobě vodní páry ( syté, přehřáté), teplota přehřáté páry o C, maximální výkony kotlů cca 50 t/h. 34

39 Obr Kotel Benson Obr : Kotel Sulzer 35

40 Dodatkové výhřevné plochy Přehříváky páry Jsou určeny k vysušení páry a její přehřátí na konstantní teplotu. Přehříváky jsou konvekční nebo sálavé. Konvekční jsou umístěny v proudu spalin (přestup tepla prouděním), sálavé přehříváky jsou umístěny v horní části ohniště. Přehříváky jsou svislé a vodorovné. Vodorovný přehřívák páry je na obr Obr : Vodorovný přehřívák páry Vodní ekonomizéry (ohříváky vody). Napájecí voda se ohřívá protiproudně spalinami, které se ochlazují. Ohříváky vzduchu. Jsou rekuperační (přestup tepla stěnou), regenerační (akumulace tepla, obr ). Tepla spalin se využije k ohřátí spalovacího vzduchu, dosáhne se lepšího vysušení a zapalování paliva, zvýší se teplotní spád v ohništi, zkrátí se doba hoření a docílí se vyššího měrného zatížení ohniště. Ohříváky rekuperační jsou trubkové, regenerační jsou otáčivá tělesa (rotor), vyplněná kovovými teplosměnnými plochami, střídavě ohřívanými spalinami a ochlazovány vzduchem. Střídání akumulace tepla a ochlazování se dosáhne otáčením tělesa, jeho jedna polovina je v proudu spalin, druhá v proudu vzduchu. 36

41 Obr Regenerační ohřívák vzduchu (typ Ljungström) Nánosy na vnější výhřevné straně kotlů Tuhá paliva obsahují v popelovině minerální látky. Při spalování se popelovina mění v popel, jeho obsah je nižší než obsah popeloviny, neboť některé látky se rozloží nebo ztratí vodu, některé vytěkají. Probíhají exotermické i endotermické reakce: 2 FeS 2 + 5,5 O 2 = Fe 2 O SO 2 H=-1669,30 kjmol -1 (exotermická reakce) CaCO 3 = CaO + CO 2 H=177,95 kjmol -1 (endotermická reakce) Vysoký obsah popeloviny se projevuje rychlým tvořením nánosů na vnější výhřevné ploše kotlů. Při spalování ve vrstvě je tvorba nánosů rychlejší než při spalování v letu. Nánosy zhoršují přestup tepla a zmenšují volný průřez tahů kotle.klesá účinnost a výkon kotle. Kotle je nutné odstavit a čistit Účinnost parních kotlů Vyjadřuje dokonalost přeměny chemické energie paliva v teplo přehřáté páry. Závislost účinnosti kotlů na výkonu znázorňuje obr

42 Obr : Závislost účinnosti kotlů na výkonu 1 - starší kotle středního výkonu, 2 - nové kotle na velké výkony Ztráty tepla do okolí, u moderních kotlů 1-2 %, u starších 3-10 % spalinami (komínová) je největší, u starších a malých kotlů %, lze snížit na % nedopalem, u starších kotlů 3-5 i více procent, u moderních 1 %. Účinnost kotle klesá při jeho odstavení Parní akumulátory Slouží k vyrovnání nepravidelností ve spotřebě páry. Akumulátory s proměnlivým tlakem Akumulátor je velká válcová nádoba izolovaná, naplněná z % vodou. Pára se akumuluje do vody, tím vzroste tlak a při poklesu tlaku se odebere pára, která se uvolní z vroucí vody. Akumulátory rovnotlaké Tlaková nádoba o téže výši hladiny jaká je v kotli, je spojena s kotlem pomocí čerpadla. Čerpadlem se voda rychle vyměňuje, i při zvýšeném odběru její teplota nepoklesne, tlak páry je konstantní. Spojením akumulátoru s kotlem se dosáhne zvýšení akumulační schopnosti Tepelné energetické výrobny Zahrnují kondenzační elektrárny, teplárny, jaderné elektrárny, výtopny. 38

43 Kondenzační elektrárna Slouží výhradně k výrobě elektrického proudu. Tepelná účinnost elektrárny závisí na stavu páry zpracovávané parní turbinou. Zvyšuje se s rozdílem tlaků a teplot při vstupu a výstupu z turbiny, s velikostí kotlů a turbin. Pro tlaky do 2 MPa a přehřátí do 360 o C je cca 12 %, se zvyšováním tlaku a přehřátí stoupá až do cca 30 %. Technologické schéma kondenzační elektrárny je na obr Závislost tepelné účinnosti elektrárny na tlaku páry je na obr Obr : Látky zúčastěné ve výrobním procesu a hlavní části technologického zařízení kondenzační elektrárny 1 - parní kotel, 2 - parní turbina, 3 - kondenzátor, 4 - chladicí věž, 5 - zařízení pro přípravu paliva ke spalování, 6 - zařízení pro dopravu spalovacího vzduchu, 7 - zařízení pro odprašování spalin, 8 - zařízení pro dopravu spalin, 9 - komín (zařízení pro dopravu a rozptylování spalin), 10 - odstruskovací zařízení, 11 - odpopílkovací zařízení, 12 zařízení pro dopravu přídavné vody, 13 - zařízení pro úpravu kondenzátu, 14 - nádrž napájecí vody s odplyňovacím zařízením, 15 - napáječka, 16 - čerpadlo kondenzátu, 17 - čerpadlo chladicí vody 39

44 Obr : Závislost tepelné účinnosti elektrárny na tlaku páry Teplárna Teplána je výrobna elektrické energie, pára o vysokém tlaku a přehřátí se zpracuje v protitlakových nebo odběrových turbinách na výrobu elektrické energie, ale kondenzační teplo páry se použije pro dodávku tepla ( pára o nízkém tlaku nebo horká voda o teplotě do 180 o C). Kondenzace páry proběhne v ohřívácích vody nebo až ve spotřebičích páry. Průmyslové teplárny dodávají kromě tepla pro vytápění technologickou páru pro technologické účely ( chemický průmysl, strojírenství, hutní průmysl aj.). Schéma oběhu teplárny je na obr Obr : Schéma oběhu teplárny 1 - kotel, 2 - turbina, 3 - elektrický generátor, 4 - kondenzátor, 5 - regenerační ohřívák napájecí vody, 6 - nádrž napájecí vody s odplyňovákem, 7 - zařízení pro úpravu přídavné vody, 8 - čerpadlo kondenzátu, 9 - napáječka, 10 - odběr technologické páry, 11 - tepelný výměník, 12 - horká voda 40

45 Výtopny Nevyrábějí elektrickou energii, rozvádějí páru nebo horkou vodu z parních kotlů nebo z kotlů na ohřívání vody. Tepelné sítě Teplo se rozvádí pomocí parních nebo horkovodních tepelných sítí. Předávací stanice Spojovacím článkem mezi tepelnou sítí a spotřebitelskou soustavou jsou předávací stanice. Základním zařízením předávacích stanic jsou protiproudové výměníky tepla, umožňují tlakově nezávislé připojení spotřebitelské soustavy k tepelné síti, nezávisle na druhu teplonosné látky v primárním nebo sekundárním okruhu a na tlakových a teplotních podmínkách v místě připojení. Na obr je sériově paralelní zapojení čtyř protiproudých výměníků tepla. Obr : Sériově paralelní zapojení čtyř protiproudových výměníků tepla 1 - protiproudový výměník, 2 - otopná soustava Předávací stanice jsou v samostatných objektech nebo v suterénních prostorách vytápěných budov. Jsou 3 druhy tepelných výměníků: rekuperátory regenerátory směšovací výměníky Rekuperátory - teplonosné látky jsou na primární a sekundární straně odděleny od sebe teplosměnnou stěnou. Pomocí teplosměnné plochy se teplo předává z látky ohřívající na látku ohřívanou. 41

46 Regenerátory - teplosměnná plocha je střídavě obtékána látkou ohřívající a ohřívanou. Směšovací výměníky - látka ohřívající a ohřívaná se spolu stýkají a směšují, nelze je po směšovacím pochodu od sebe oddělit. Výroba páry nebo horké vody při spalování odpadů Malé pyrolýzní systémy Purotherm Pyrolyze mají výměník tepla na výrobu páry nebo horké vody pro topné účely (obr ). Obr : Dvoustupňové spalovací zařízení na tuhý průmyslový odpad s diskontinuálním přívodem odpadu Koroze energetických zařízení Korozí rozumíme znehodnocování materiálů chemickým nebo fyzikálně-chemickým působením prostředí. Nepatří sem rozrušování materiálů fyzikálními vlivy (eroze, abraze). Pro energetická zařízení je významná koroze kovů vodním, parovodním a parním prostředím. Korozi kovů můžeme definovat jako proces jejich samovolného rozrušování a rozrušování jejich slitin. První příčinou koroze kovů je jejich termodynamická nestabilita v různých prostředích. V procesu koroze přecházejí kovy na své oxidy, které jsou termodynamicky stabilnější. Přechod je charakterizován snížením volné entalpie soustavy: - G = z.e.f kde G -změna volné entalpie, J, z -počet vyměněných elementárních nábojů, E -napětí (elektrodový potenciál), V, F -Faradayova konstanta = Coulombů. 42

47 Velký význam má velikost elektrodového potenciálu. Jeho vznik lze vysvětlit rozpouštěním kovu ve vodě. Účinkem polárních molekul vody určité množství kationtu kovu přejde do vody : Me Me z+ + ze Elektrony zůstanou v kovu, kov se nabíjí záporně, roztok kladně. Záporný náboj kovu začne přitahovat kladné ionty z vody do ustavení rovnováhy, vytvoří se elektrická dvojvrstva složená z kladných a záporných iontů ( obr ). Ponoříme-li kov do roztoku soli tohoto kovu, může proběhnout i opačný děj ( pokud je koncentrace iontů v roztoku dostatečně vysoká a tendence kovu vysílat ionty do roztoku malá), část iontů z roztoku přejde na kov, který se nabije kladně. Mezi roztokem a kovem vzniká potenciální rozdíl - elektrodový potenciál daného kovu. Závisí na charakteru kovu, koncentraci iontů a teplotě. Experimentálně nelze stanovit, lze změřit potenciální rozdíl mezi elektrodami různých kovů. Potenciály kovů se srovnávají s standardním potenciálem vodíkové elektrody, (leží přibližně uprostřed mezi krajními hodnotami elektrodových potenciálů), kterému byla dána nulová hodnota. Kovy s negativním standardním elektrodovým potenciálem jsou neušlechtilé (elektronegativní), s kladným potenciálem ušlechtilé (elektropozitivní) (Tab. 3.1, s. 65). Kovy s nejnegativnějším potenciálem mají nejsilnější tendenci uvolňovat elektrony a přecházet do iontového stavu. Kovy s negativnějším potenciálem mohou vylučovat z roztoku ionty kovů, jejichž potenciály jsou pozitivnější. Elektrodový potenciál, který je dán potenciálním rozdílem vznikajícím na rozhraní kovu a roztoku, lze určit z Nernstovy rovnice : E = E 0 + RT/zF ln ame 2+ E o 2+ je elektrodový potenciál kovu v hypotetickém roztoku svých iontů o aktivitě (a Me ) rovné jedné, R je plynová konstanta, F je Faradayův náboj, z - počet elementárních nábojů. Elektrodové potenciály E vypočtené podle této rovnice se nazývají rovnovážné potenciály. Koroze kovů a slitin ve vodném prostředí je elektrochemické povahy. Obr : Vznik elektrické dvojvrstvy 43