Energijske pretvorbe

Opis predmeta

Razmatranje energijskih pretvorbi i procesa u sustavima termoelektrana, nuklearnih elektrana, hidroelektrana i novijih (naprednijih) proizvodnih sustava električne energije. Transformacija kemijske energije, nuklearne energije, energije vode i vjetra u mehanički rad. Analiza energijskih procesa u elektranama. Poboljšanja procesa: analiza procesa pomoću drugog glavnog stavka termodinamike (eksergijski proračuni). Nekonvencionalni procesi proizvodnje električne energije i direktni procesi pretvorbe različitih oblika energije u električnu energiju.

Opće kompetencije

Ovladati pravilnostima u procesima preobrazbi energije i energijskim procesima u proizvodnim podsustavima elektroenergetskog sustava i upoznati nekonvencionalna, direktna i novija rješenja pretvorbi energije u električnu energiju.pretvorbi energije u električnu energiju.

Ishodi učenja

  1. argumentirati podjelu oblika energije prema mogućnostima zadržavanja oblika odnosno transformacije u (mehanički) rad (eksergiju) kao i razlike između različitih termodinamičkih sustava i kontrolnih volumena
  2. argumentirati primjenu principa očuvanja mase, energije, količine gibanja, momenta količine gibanja, rasta entropije te jednadžbi stanja fluida u analizama pretvorbi energije u elektroenergetskim sustavima
  3. analizirati strujanje fluida, vrste strujanja, sile i matematičke modele strujanja
  4. izračunati sile tlaka kapljevine na ravne i zakrivljene stijenke brana hidroelektrana
  5. analizirati energetske odnose u turbinama: jednadžbe snage i energije
  6. analizirati procese u hidroelektranama i kružne procese u termoelektranama i nuklearnim elektranama
  7. procijeniti stupnjeve djelovanja (energetske i eksergetske) energetskih procesa u sustavima termoelektrana, nuklearnih elektrana i hidroelektrana
  8. procijeniti postupke povećanja stupnjeva djelovanja energetskih procesa u elektroenergetskim sustavima

Oblici nastave

Predavanja

Nastava na predmetu organizirana je kroz dva nastavna ciklusa. prvi ciklus sadržava 7 tjedana i međuispit, a drugi 6 tjedana nastave i završni ispit. Nastava se provodi kroz ukupno 15 tjedana s tjednim opterećenjem od 3 sata.

Provjere znanja

tjedno

Auditorne vježbe

Rješavanje zadataka kao ilustracija predavanog gradiva i priprema za pismene ispite. 1 sat tjedno. Rješeni zadaci na slajdovima i diskusija sličnih zadataka na ploči.

Konzultacije

tjedno

E-učenje

domaće zadaće

Način ocjenjivanja

Kontinuirana nastava Ispitni rok
Vrsta provjere Prag Udio u ocjeni Prag Udio u ocjeni
Kratke provjere znanja 0 % 5 % 0 % 5 %
Međuispit: Pismeni 0 % 40 % 0 %
Završni ispit: Pismeni 0 % 45 %
Završni ispit: Usmeni 10 %
Ispit: Pismeni 0 % 85 %
Ispit: Usmeni 10 %

Tjedni plan nastave

  1. Podjela oblika energije prema mogućnostima pohranjivanja i pretvorbe u mehanički rad (eksergiju). Definicija i podjela (termodinamičkih) sustava. Termodinamički sustav i kontrolni volumen. Termodinamička definicija mehaničkog rada. Mehanički rad promjene volumena. Rad trenja. Mehanički povratljivi procesi. 1. glavni stavak termodinamike za mehanički rad zatvorenog sustava. Princip očuvanja energije za zatvoreni sustav: unutrašnja kalorička energija i toplinska energija. Definicija toplinske energije. Odnos između mehaničkog rada, unutrašnje kaloričke i toplinske energije zatvorenog sustava: 1. glavni stavak termodinamike za zatvoreni sustav.
  2. Energijski procesi u sustavima termoelektrana, nuklearnih elektrana i hidroelektrana: uloga fluida koji u takvim procesima preuzima energiju, pohranjuje je, prenosi, pretvara i predaje u okolicu. Definicija fluida. Vrste fluida. Termodinamika i mehanika fluida. Sile, vrste sila, naprezanja u idealnom i realnom fluidu.
  3. Definicija specifičnog tlaka. Neovisnost specifičnog tlaka u idealnom i mirujućem realnom fluidu o smjeru. Uvjeti ravnoteže idealnog i mirujućeg realnog fluida. Raspodjela tlaka u mirnoj, nestlačivoj kapljevini pod utjecajem sile teže. Rasprostiranje narinutog tlaka u mirnom fluidu: Pascalov zakon. Sila tlaka mirne kapljevine na ravne i zakrivljene stijenke. Hidrostatski paradoks. Hidrostatski uzgon ili potisak: Arhimedov zakon. Mirovanje fluida u neinercijskim prostorima: raspodjela tlaka. Centrifugiranje.
  4. Strujanje fluida, sile, vrste strujanja i matematički modeli strujanja. Osnovna dinamička jednadžba strujanja fluida (jednadžba količine gibanja individualnog volumena). Lagrangeov i Eulerov pristup – dva načina praćenja čestice fluida. Materijalna derivacija. Osnovna jednadžba strujanja nestlačivog, neviskoznog fluida. Integralni teoremi. Jednadžbe strujanja realnog fluida: Navierova i Stokes - Navierova jednadžba. Strujanje idealne kapljevine samo pod utjecajem sile teže: Eulerova i Bernoullieva jednadžba strujanja. Strujanje tekućine u cijevima i otvorenim tokovima.
  5. Idealni plin. Zakoni ponašanja idealnog plina: Boyle-Mariotteov zakon, Gay-Lussacov zakon i jednadžba stanja idealnog plina. Plinska konstanta. Avogadrov zakon. Univerzalna plinska konstanta. Jouleov zakon. Unutrašnja kalorička energija i entalpija idealnog plina. Specifična toplina. Procesi s idealnim plinom. Agregatna stanja. Agregatne pretvorbe. Dvofazni sustavi. Zasićenje i stanja mokre pare (sadržaj pare i udio vlage. Pregrijana para. Kružni procesi. Kružni proces zatvorenog sustava.1. glavni stavak termodinamike za kružne procese. Desnokretni i ljevokretni kružni procesi. Kružni proces otvorenih sustava. Istovjetnost kružnih procesa. „Matematički“ dokaz neprovedivosti kružnih procesa bez dovođenja i odvođenja toplinske energije: toplinski spremnici.
  6. Termički (energetski) stupanj djelovanja. Karakteristični kružni procesi (Carnotov, Jouleov, Ottov i Dieselov) i primjena: termoelektrane s parnim i plinskim turbinama, nuklearne elektrane, motori s unutrašnjim izgaranjem, reaktivni motori s plinskom turbinom, rashladni uređaji i dizalice topline /toplinske pumpe, crpke/. Izgaranje. Temperatura zapaljenja. Stehiometrija izgaranja. Ogrjevna moć goriva. Temperatura izgaranja. Izvor nuklearne energije, defekt mase i energija veze. Fisija i raspodjela energije oslobođene fisijom. Energetski prinos pri fuziji.
  7. Udarni presjeci i nuklearne reakcije. Lančana reakcija i kritičnost reaktora. Gustoća i raspodjela snage u reaktoru. Radioaktivnost i ostatna toplina. Neprovedivost (kružnog) procesa u kojem bi se sva raspoloživa toplinska energija trajno pretvarala u mehanički rad. Neprovedivost kružnog procesa sa samo jednim toplinskim spremnikom: neprovedivost pretvorbe unutrašnje kaloričke energije akumulirane u okolici u mehanički rad - neprovedivost perpetuum mobilea 2. vrste.
  8. Provjera znanja
  9. Provjera znanja
  10. 2. glavni stavak termodinamike. Različite formulacije 2. glavnog stavka. Reverzibilnost i ireverzibilnost. Entropija. Entropija – veličina stanja. Princip rasta entropije za zatvoreni sustav: gubitak eksergije. Promjene entropije fluida. T, s-dijagram. Proračuni eksergije toplinske energije (unutrašnje energije), unutrašnje kaloričke energije (maksimalnog korisnog rada zatvorenog sustava) i entalpije (maksimalnog korisnog rada otvorenog sustava). Potrošnja eksergije i proizvodnja entropije. Eksergija izgaranja.
  11. Energijske analize pomoću kontrolnog volumena. Princip očuvanja mase za inercijski i neinercijski kontrolni volumen (otvoreni sustav). Reynoldsov transportni teorem. Diferencijalni oblik principa očuvanja mase. Princip očuvanja količine gibanja za inercijski kontrolni volumen. Reakcija i akcija mlaza. Složeno gibanje i dinamika relativnog gibanja. Princip očuvanja količine gibanja za neinercijski kontrolni volumen. Primjena principa očuvanja količine gibanja za inercijski i neinercijski kontrolni volumen.
  12. Princip očuvanja momenta količine gibanja za inercijski i neinercijski kontrolni volumen. Prvi glavni stavak termodinamike kao jednadžba snage. Prvi glavni stavak termodinamike za kontrolni volumen. Jednodimenzionalni, stacionarni, strujni proces. Proces jednolikog stanja i jednolikog strujanja.
  13. Drugi glavni stavak termodinamike za kontrolni volumen. Prilagodba drugog glavnog stavka termodinamike za kontrolni volumen za posebne procese: proces stacionarnog stanja i stacionarnog strujanja i jednolikog stanja i jednolikog strujanja. Princip rasta entropije za kontrolni volumen. Eksergijski stupanj djelovanja. Povratljivi rad i nepovratljivost – gubitak mehaničkog rada. Maksimalni korisni rad (eksergija).
  14. Energijska i eksergijska analiza kružnih procesa: desnokretni i ljevokretni kružni procesi (toplinske crpke /dizalice topline/). Tehnička postrojenja za provedbu kružnih procesa. Procesi s vodenom parom. Rankineov kružni proces. Poboljšanja termičkog stupnja djelovanja Rankineovog kružnog procesa: proces s pregrijanom parom, proces s međupregrijanjem pare i proces sa zagrijavanjem kondenzata. Kogeneracija: kombinirana proizvodnja pare i električne energije. Procesi s oduzimanjem pare.
  15. Postrojenja s plinskom turbinom. Procesi i poboljšanja procesa s plinskom turbinom. Kombinirana postrojenja. Motori s unutrašnjim izgaranjem. Parne, plinske i vodne turbine. Akcione i reakcione parne (plinske) turbine. Vodne turbine: slobodnog mlaza (akcione) i pretlačne (reakcione). Energijski odnosi u turbinama: jednadžbe snage i energije dobivene primjenom principa očuvanja momenta količine gibanja za kontrolni volumen. Nekonvencionalni procesi proizvodnje električne energije i direktni procesi pretvorbe različitih oblika energije u električnu energiju.

Studijski programi

Sveučilišni diplomski
Elektroenergetika (profil)
Teorijski predmeti profila (1. semestar)

Literatura

POŽAR, H. (1992.), Osnove energetike, 1, 2. i 3. dio, Školska knjiga, Zagreb
White, F.M. (2010.), Fluid Mechanics, McGraw-Hill
Mikuličić, V.; Šimić, Z. (2011.), Energijske pretvorbe (Tekst, http://www.fer.hr/predmet/enepre),

Izvedba

ID 127408
  Zimski semestar
5 ECTS
R1 Engleski jezik
R1 E-učenje

Ocjenjivanje

90 izvrstan
75 vrlo dobar
60 dobar
50 dovoljan