Samá pára
Samá Pára (turbosoustrojí)

Samá pára (turbosoustrojí)

Turbosoustrojí je soustava dvou rotačních strojů – parní turbíny a elektrického generátoru (přesněji alternátoru, který generuje střídavý proud). Pára přivedená na turbínu ji svým tlakem roztáčí, podobně jako vítr nebo voda roztáčí turbínu v jiných typech elektráren. Turbína je spojena s alternátorem, který na principu elektromagnetické indukce přeměňuje mechanickou energii na elektrickou. Turbosoustrojí tak s velmi vysokou účinností přeměňuje tepelnou energii páry na energii elektrickou.

Olopatkovaný rotor parní turbíny

 

           

Turbosoustrojí                                                          Turbosoustrojí

 

Turbosoustrojí vznikla jako odpověď na potřebu vyrábět stále větší množství elektřiny ve stále výkonnějších elektrárnách. Dříve používané parní stroje ani pozdější pístové motory už totiž nedokázaly dostatečně účinně pohánět generátory s požadovaným výkonem. A právě proto je postupně nahradila turbosoustrojí.

 

Voda, resp. pára, která pohání turbosoustrojí, je uzavřena v cyklu. Voda je nejprve ohřáta a přeměněna na páru. Způsob ohřevu se liší podle typu elektrárny (jaderné, uhelné atp.). Pára je následně přivedena na turbínu, kterou roztáčí. Po vykonání práce je pára přivedena do kondenzátoru, kde se ochladí a zkondenzuje na kapalnou vodu. Ta se pak vrací k opětovnému ohřevu a přeměně na páru.

 

Schéma turbosoustrojí

 

Části turbosoustrojí

Turbína s generátorem: 

vpředu vysokotlaký díl parní turbíny 

s 3 nízkotlakými díly (žlutě), 

vzadu generátor (červeně)

 

Fyzika v pozadí a technická praxe

Víte, že pára využívaná v elektrárnách není stejná jako ta, kterou známe z běžného života? Pára, která vzniká při vaření vody za normálního tlaku, má teplotu 100 °C a jedná se o tzv. sytou páru. V jaderných a zejména ve fosilních elektrárnách se ale pára vyrábí při vyšším tlaku a pro zvýšení její využitelné energie se sytá pára dále zahřívá. Tím vzniká tzv. přehřátá pára, která má vyšší teplotu a tlak. Proto dokáže účinněji roztáčet turbínu turbosoustrojí.

Pára o vysokém tlaku a teplotě je parovody přivedena do turbíny, kde roztáčí lopatky rotoru. Postupnou expanzí páry se snižuje její tlak i teplota. Pára poté přechází do tepelného výměníku. Zpravidla jde o trubkový parní kondenzátor, kde je pára ochlazována chladicí vodou, vedenou uvnitř trubek. Pára a chladicí voda jsou tak oddělené.

Tepelná výměna mezi chladicí vodou a párou vede k tomu, že pára, které chladicí voda odebírá teplo, zde kondenzuje (mění se na kapalinu). Chladicí voda pak teplo, které získala, odvádí do chladicích věží, nebo do přírody (např. do řeky). Pára, která ve výměníku zkondenzovala, se pak vrací k dalšímu opětovnému ohřevu.

Kondenzátor je objemné zařízení, ve kterém se z páry do chladicí vody odvádí až 2/3 celkového tepla dodaného do oběhu. 

Kondenzátor umožňuje, aby se pára v turbíně rozpínala až do okamžiku, kdy její teplota klesne na hodnotu blízkou teplotě chladicí vody. Proto může pára předat turbíně více energie a zvýší se tak účinnost elektrárny. Aby pára mohla při takto nízkých teplotách stále existovat, je v kondenzátoru pomocí vývěv udržován hluboký podtlak (3 až 12 kPa).

 

Entalpie

V energetice se často používá pojem entalpie. Entalpie je termodynamická veličina, která vyjadřuje celkový obsah energie soustavy - například pracovní vodní páry v turbíně. Je to energie obsažená v páře ve dvou podobách: jako vnitřní energie (pohyb a vzájemné působení molekul) a jako práce vynaložená k vytvoření objemu páry (tedy k „vytlačení" okolí, aby pára vůbec mohla zaujmout svůj prostor).

Jednoduchý vzorec: H = U + p × V, kde H je entalpie [J], U je vnitřní energie [J], p je tlak [Pa] a V je objem [m³].

Nejvyšší entalpii má pracovní pára na vstupu do turbíny – je horká, pod vysokým tlakem a „plná" energie. Nejnižší entalpii má pára v kondenzátoru – je studená a na hranici přeměny zpět na kapalinu. Právě rozdíl entalpií mezi vstupem a výstupem turbíny určuje, kolik energie turbína získá a přemění na elektrický proud.

Proto inženýři usilují o co nejvyšší entalpii páry na vstupu do turbíny – tedy o co nejvyšší teplotu a tlak vstupní páry.

 

Tepelná účinnost

Pro porovnání termodynamických cyklů, ve kterých pracují tepelné turbíny, se používá tzv. tepelná účinnost. Ta vyjadřuje, jak velkou část dodaného tepla se podaří přeměnit na užitečnou mechanickou práci, která pohání turbínu. Z hlediska výpočtu jde tak o poměr mezi mechanickou prací získanou cyklem a celkovým teplem přivedeným do cyklu.

Největší možnou tepelnou účinnost ze všech tepelných oběhů má tzv. Carnotův cyklus. Jde o teoretický model popisující ideální tepelný stroj pracující mezi dvěma různými teplotami, který slouží jako vzor pro porovnání tepelné účinností všech skutečných tepelných strojů.

 

Poučení a praxe

Z Carnotova cyklu vyplývá, že pokud chceme zvýšit účinnost reálných tepelných strojů, musíme zvýšit rozdíl mezi vstupní a výstupní teplotou pracovní látky (páry).

V praxi je nejnižší možná teplota, na kterou lze vodu v cyklu ochladit, shodná s teplotou chladicí vody v kondenzátorech. Proto se zvýšení účinnosti dosahuje zvýšením vstupní teploty páry, což vede k použití přehřáté páry.

Abychom se dále přiblížili maximální možné účinnosti, jíž při stejných teplotách dosahuje Carnotův cyklus, využívá se tzv. karnotizace.

Při  karnotizaci je z turbíny odebírána část páry, která ve výměnících stupňovitě předehřívá vodu, jež bude v kotli nebo reaktoru přeměněna na páru.

 

Carnotův cyklus

Carnotův cyklus poprvé navrhl a popsal Nicolas Léonard Sadi Carnot v roce 1824.

Jde o vratný termodynamický děj, který se skládá ze čtyř vratných dějů. Ty probíhají mezi dvěma tepelnými zásobníky -- jedním teplejším a druhým chladnějším. Protože jde o nejúčinnější možný cyklus, je jeho tepelná účinnost dána pouze teplotami zásobníků. Žádný reálný cyklus nemůže mít při stejných teplotách vyšší účinnost.

Carnotův cyklus se skládá ze dvou izotermických (při konstantní teplotě) a dvou adiabatických (bez výměny tepla s okolím) dějů ideálního plynu (viz obrázek).

 

1. Izotermická expanze (rozpínání při konstantní teplotě) mezi body A a B, kdy ideální plyn přijímá teplo z teplejšího zásobníku při konstantní teplotě T_H. Tlak plynu klesá, jeho objem se zvětšuje a plyn koná práci. 

 

1. Adiabatická expanze (rozpínání bez výměny tepla s okolím) mezi body B a C, kdy teplota plynu klesne na teplotu chladnějšího zásobníku T_C. Tlak plynu dále klesá, jeho objem se zvětšuje, plyn se rozpíná bez výměny tepla s okolím a koná práci. 

 

1. Izotermická komprese (stlačování při konstantní teplotě) mezi body C a D. Tlak plynu roste, jeho objem se zmenšuje při konstantní teplotě T_C, plyn nekoná (ale spotřebovává) práci. 

 

1. Adiabatická komprese (stlačování bez výměny tepla s okolím) mezi body D a A, teplota plynu stoupne na teplotu teplejšího zásobníku T_H. Tlak plynu roste, jeho objem se zmenšuje bez výměny tepla s okolím, plyn nekoná (ale spotřebovává) práci. Cyklus se uzavírá. 

 

Obr. 5: Carnotův cyklus v tepelném T – s diagramu  absolutní teplota T [K] a měrná entropie s [J/kgK]