Цикл Карно для водяного пара

Паротурбинные установки отличаются от двигателей внутрен­него сгорания тем, что продукты сгорания топлива являются только промежуточным теплоносителем, а рабочим телом служит пар какой-либо жидкости, чаще всего водяной пар.

В паротурбинных установках процесс получения работы проис­ходит следующим образом (рис. 19-1). Химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания, которая затем в виде теплоты передается воде и пару в котле 1 и перегревателе 2. Полученный пар направляется в паровую турбину 3, где и происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем обычно в электрическую энергию в электрогенераторе 4. Отработавший пар поступает в конден­сатор 5, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный кон­денсат конденсационным насосом 6 направляется в питательный бак 7, откуда питательная вода забирается питательным насосом 8, сжимается до давления, равного давлению в котле, и подается через подогреватель 9 в паровой котел 1.

Как известно, наиболее совершенным идеальным циклом яв­ляется цикл Карно. Для насыщенного пара цикл Карно представ­лен на рис. 19-2. Точка О характеризует начальное состояние кипя­щей воды при давлении p₁. Воде при постоянной температуре Т_н1 и постоянном давлении р₁ сообщается теплота q₁, равная теплоте парообразования r (процесс 0-1). Полученный сухой насыщенный пар от точки 1 расширяется по адиабате в цилиндре паровой тур­бины до давления р₂ (процесс 1-2). В этом процессе температура пара понижается до Т_н2 конденсатора и степень сухости уменьшает­ся от х - 1 до х_г. Образовавшийся влажный пар со степенью су­хости x₂ частично конденсируется при постоянной температуре Т_н2 и давлении р₂ до точки 3 (процесс 2-3). При этом сухость его уменьшается до x₃. От па­ра отводится теплота q₂ = r₂ (х₂ — х₃). От точки 3 пар по адиабате сжимается в ком­прессоре до начального состояния, и пар полностью превращается в кипящую воду. Паротурбинная установка, работающая по циклу Карно, должна состоять из па­рового котла (процесс 0-1), парового дви­гателя (процесс 1-2), конденсатора (процесс 2-3) и компрессора (процесс 3-0). Термический к. п. д. цикла Карно, где в качестве рабочего тела используют насыщенный пар, определяется по уравнению

Применение перегретого пара в цикле Карно не увеличивает его к. п. д., если пределы температур остаются без изменения. На рис. 19-3 цикл Карно для насыщенного пара изображается площадью прямоугольника 01230, а для перегретого пара — пл. 04530. Из рисунка видно, что к. п. д. обоих циклов одинаковы.

Цикл Карно для пара имеет некоторые недостатки, которые де­лают нецелесообразным его применение в технике. Эти недостатки заключаются в следующем: в процессе 2-3 конденсация пара осу­ществляется не полностью, вследствие чего объем цилиндра ком­прессора при адиабатном сжатии влажного пара от точки 3 до О при давлении р₂ должен быть весьма значительным, а это требует большого расхода металла. Размеры цилиндра компрессора увели­чиваются с возрастанием начального давления пара и уменьшением давления в конденсаторе, т. е. при переходе к более выгодным тем­пературным режимам. Кроме того, необходимость осуществления цикла Карно только в области двухфазных состояний не позволяет иметь высокую начальную температуру пара, ограниченную в пре­деле критической температурой, т. е. не дает возможности получить достаточно большое значение термического к. п. д. цикла.

Главное же заключается в том, что затрачиваемая действительная работа на привод компрессора значительно больше теоретической вследствие наличия в нем больших потерь, связанных с необрати­мостью протекающих процессов. Эти потери могут увеличить дей­ствительную работу по сравнению с теоретической на 50% и выше.