Wymiennik regeneracyjny - Polski Serwis Naukowy

Regeneracja ciepła – zachowanie w obiegu siłowni parowych i gazowych części ciepła, które bez regeneracji byłoby wyrzucone do otoczenia.

Cel i zakres stosowania

Regeneracja ciepła pozwala na znaczne podniesienie sprawności termicznej obiegów porównawczych i rzeczywistych elektrowni kondensacyjnych i powiększenie wskaźnika skojarzenia w elektrociepłowniach. Regeneracja dokonywana jest za pomocą tzw. wymienników regeneracyjnych, będących tradycyjnymi wymiennikami ciepła. Rozbudowa układu regeneracyjnego wiąże się z dodatkowymi kosztami inwestycyjnymi (wymienniki, rurociągi, armatura), a liczba wymienników określana jest na drodze zaawansowanych analiz ekonomicznych.

Wymiennik ciepła – urządzenie służące do wymiany energii cieplnej pomiędzy dwoma jej nośnikami, tj. substancjami będącymi w stanie ciekłym lub gazowym.

Turbina (z łac. turbo, burza, trąba powietrzna) – silnik przepływowy wykorzystujący energię przepływającego płynu do wytwarzania energii mechanicznej. Elementem wirnika oddziałującym z płynem są specjalnie ukształtowane łopatki.

Regeneracja ciepła jest podstawowym sposobem karnotyzacji obiegu termodynamicznego.

Regeneracja ciepła w siłowniach parowych

Obecnie nie stosuje się siłowni parowych bez regeneracji ciepła, a ilość wymienników regeneracyjnych waha się w granicach od kilku do kilkunastu, w zależności od wielkości elektrowni.

W siłowniach parowych wymienniki regeneracyjne zasilane są parą upuszczaną z turbiny. Upusty pary wbudowane są w korpus w taki sposób, że z każdego kolejnego upustu pobierany jest odpowiedni strumień pary o coraz niższej temperaturze. Każdy z upustów regeneracyjnych zasila jeden wymiennik. W wymienniku para podgrzewa kondensat o pewną wartość Δt. Jednocześnie następuje skroplenie pary i wprowadzenie jej skroplin do głównego strumienia kondensatu. Kondensat podgrzewany jest w kolejnych wymiennikach regeneracyjnych osiągając temperaturę na wlocie do kotła parowego na poziomie sto kilkadziesiąt do ponad dwustu stopni Celsjusza.

Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .

Sprawność - skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci.

Im wyższą temperaturę posiada kondensat na wlocie do kotła, tym mniej węgla należy spalić, aby uzyskać parę przegrzaną o zadanych parametrach. Jednak zbyt wysoka temperatura kondensatu prowadzi do obniżenia sprawności kotła. Optymalna temperatura kondensatu na wlocie do kotła wyznaczana jest drogą złożonych obliczeń.

Korpus – rodzaj obudowy maszyny albo urządzenia. Pełni funkcję szkieletu, aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość oraz zawiera punkty zaczepienia i podparcia elementów konstrukcyjnych. Jego części mogą służyć jako zbiorniki; drąży się w nim także kanały przepływowe i w związku z tym może pełnić rolę także jako dyfuzor albo konfuzor. W wielu rozwiązaniach posiada króćce. Synonim korpusu to kadłub, ale nim nie jest, ponieważ części kadłuba nie spełniają niektórych zadań maszynowych jak dyfuzor; kanał przepływowy czy króciec. Jednak w niektórych wypadkach wygodniej używa się określenia kadłub.

Siłownia parowa – zespół maszyn i urządzeń mających na celu wytwarzanie mocy mechanicznej z wykorzystaniem turbiny parowej lub tłokową maszyną parową. Proces konwersji energii odbywa się z wykorzystaniem wody i pary wodnej. Para wodna wytwarzana jest pod odpowiednio wysokim ciśnieniem w kotle parowym, a rozprężana w turbinie bądź maszynie tłokowej. Po rozprężeniu podlega ona skropleniu w skraplaczu (układ zamkniety) lub jest wyrzucana do otoczenia (układ otwarty). W układzie zamkniętym skropliny są przetłaczane z powrotem do kotła przy pomocy pompy. Woda jest zachowana w układzie.

Ze względu na ciśnienie panujące po stronie kondensatu rozróżnia się:

wymienniki regeneracyjne niskoprężne i

wymienniki regeneracyjne wysokoprężne.

Wymienniki niskoprężne usytuowane są przed główną pompą zasilającą, a wysokoprężne – za pompą. Duża wartość ciśnienia po stronie kondensatu w wymiennikach wysokoprężnych ma istotny wpływ na ich konstrukcję.

Komora spalania – element silnika cieplnego wykorzystującego wewnętrzne spalanie paliwa jako sposób dostarczania górnego (dodatniego) ciepła obiegu termodynamicznego (silnik o spalaniu wewnętrznym). Spalanie paliwa następuje w sprężonym powietrzu lub w kontakcie z utleniaczem i może być realizowane w sposób ciągły (silniki turbinowe, rakietowe) lub cyklicznie (silniki tłokowe).

Spręż (stosunek sprężania) - wielkość charakteryzująca pracę maszyny sprężającej wyrażająca się w stosunku ciśnienia tłocznego do ciśnienia ssawnego.

Rosnące problemy paliwowe i ekologiczne zmuszają do podnoszenia sprawności układów energetycznych, m.in. elektrowni cieplnych. Istotne są dzisiaj nawet ułamki procentu sprawności. Dlatego nowo instalowane elektrownie mają coraz to więcej wymienników regeneracyjnych, mimo że każdy następny przynosi mniejszy skutek, niż poprzedni.

Turbina gazowa (nazywana także turbiną spalinową lub silnikiem turbospalinowym) - silnik cieplny, który energię napędową pobiera z przepływających spalin lub innego gazu roboczego, zwanego czynnikiem termodynamicznym lub roboczym. Określenie "turbina gazowa" odnosi się do maszyny składającej się ze sprężarki i turbiny (połączonych zwykle wspólnym wałem), oraz komory spalania umieszczonej pomiędzy nimi.

Elektrociepłownia – to zakład przemysłowy wytwarzający w jednym procesie technologicznym w sposób skojarzony energię elektryczną oraz ciepło w postaci czynnika (najczęściej wody) o wysokiej temperaturze dla miejskiej sieci ciepłowniczej lub przemysłu.

Regeneracja w siłowniach gazowych

W siłowniach gazowych regeneracja ciepła polega na zastosowaniu zwykle jednego wymiennika regeneracyjnego, w którym następuje ogrzanie sprężonego powietrza przed wlotem do komory spalania przy pomocy gorących spalin opuszczających turbinę. Efektywność regeneracji ciepła będzie więc zależna od temperatury spalin na wylocie z turbiny i temperatury powietrza na wylocie ze sprężarki. Wynika z tego, że duża intensywność regeneracji będzie miała miejsce przy małych sprężach całkowitych, bądź w układach z chłodzeniem międzystopniowym sprężanego powietrza i przegrzewem wtórnym spalin w turbinie.

Elektrownia cieplna (konwencjonalna lub jądrowa) to zespół urządzeń produkujący energię elektryczną wykorzystując do tego celu szereg przemian energetycznych, wśród których istotne znaczenie odgrywa ciepło. Energia cieplna pochodzi zwykle ze spalania paliwa w kotle parowym. Służy ona do podgrzania i odparowania wody oraz przegrzania pary wodnej. W turbinie następuje zamiana energii cieplnej pary na energię mechaniczną odprowadzaną wałem do generatora elektrycznego, w którym zamieniana jest na energię elektryczną. W elektrowni wykorzystującej układ turbiny gazowej ciepło dostarczane jest w komorze spalania (układ otwarty), bądź w wymienniku ciepła (układ zamknięty).

Karnotyzacja - technika poprawy sprawności rzeczywistych obiegów termodynamicznych poprzez stosowanie zabiegów przybliżających obieg do obiegu Carnota dla danych temperatur.

W ostatnich latach intensywnie rozwijane są mikroturbiny gazowe. W układzie prostym osiągają one małe sprawności. Zastosowanie regeneracji ciepła umożliwia osiąganie znacznie wyższych sprawności nawet przy stosunkowo prostej budowie (sprężarka jednostopniowa i turbina jednostopniowa).

Para wodna - stan gazowy wody. Jako prawie czysty gaz, występuje w naturze w gejzerach, w gorących jaskiniach, jest wyrzucana z podziemi, jest wytwarzana i używana w technice oraz w gospodarstwie domowym. Jest też składnikiem powietrza atmosferycznego, jej zawartość w powietrzu zmienia się.

Bibliografia

Stanisław Ochęduszko, Termodynamika stosowana, rozdział: XXXV Obiegi siłowni, podrozdział: 2. b. Karnotyzacja obiegu Clausiusa-Rankine'a. Obieg regeneracyjny, Warszawa, Wyd. Naukowo-Technicznei, ss. 380-383, 1974, ISBN - n/a,