Внутренняя энергия. 5 страница

Рис. 7.6. Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты

Теоретический цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты (рис. 7.6) состоит из процесса адиабатного сжатия воздуха 1—2 в компрессоре, процесса изобарного подвода теплоты 2—3 в камере сгорания и процесса адиабатного расширения 3—4 продуктов сгорания в соплах газовой турбины. После преобразования кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках и процесса отвода теплоты 4—1 от газа в окружающую среду при постоянном давлении р₁ цикл завершается.

Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины и технической работой, затраченной на привод компрессора.

Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины и технической работой, затраченной на привод компрессора.

Цикл газовой турбины с изобарным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления в цикле .

Можно показать, что .

То есть термический к. п. д. цикла ГТУ с подводом тепла при p=const увеличивается с увеличением степени повышения давления.

Теоретический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты (рис. 7.7) состоит из процесса адиабатного сжатия воздуха 1—2 в компрессоре, процесса изохорного подвода теплоты 2—3 в камере сгорания и процесса адиабатного расширения 3—4 продуктов сгорания в соплах газовой турбины. После преобразования кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках и процесса отвода теплоты 4—1 от газа в окружающую среду при постоянном давлении р₁ цикл завершается.

Цикл газовой турбины с изохорным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления при сжатии и степенью повышения давления при подводе теплоты .

Можно показать, что .

Исследование последнего выражения показывает, что термический к. п. д. ГТУ с изохорным подводом теплоты возрастает с увеличением β и λ.

Цикл ГТУ с подводом теплоты при v=const не получил широкого распространения из-за сложности конструкции камеры сгорания и ухудшения условий работы турбины в пульсирующем потоке продуктов сгорания.

Тема 8. ПАРОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

8.1.Принципиальная схема паросиловой установки

Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 8.1.

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p₁, t₁, i₁, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p₂ с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.

В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р₂ и температуре t₂ в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.

На рис. 8.2 приведена схема паровой турбины. Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве двигателей электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, насосов.

Рис. 8.2. Схема одноступенчатой турбины активного типа

Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору.

Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловый аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловый аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа - проточную часть турбины.

Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов.

В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных - в соплах и в каналах рабочих лопаток.

8.2.Цикл Ренкина

В паросиловых установках применяют цикл Ренкина. В цикле Ренкина охлаждение влажного пара в конденсаторе производится до превращения его в воду.

Различают цикл Ренкина с сухим насыщенным паром и с перегретым паром (рис. 8.3). В цикле Ренкина с сухим насыщенным паром сухой насыщенный пар с параметрами p₁, T₁, i₁ поступает из парового котла в турбину (точка 1 на рис. 8.3), где адиабатно расширяется от давления p₁ до давления p₂ (точка 2). После турбины влажный насыщенный пар с параметрами p₂, T₂, i₂ поступает в конденсатор, где полностью конденсируется при постоянных давлении и температуре (точка 3). Питательная вода с помощью насоса сжимается до давления p₁, равного давлению в паровом котле, и подаётся в котёл (точка 4). Параметры воды на входе в котёл – p₁, T₂, i₄. В паровом котле питательная вода смешивается с кипящей водой, нагревается до температуры кипения и испаряется

Рис. 8.3. Цикл Ренкина

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:

4′-1 – процесс парообразования в котле при постоянном давлении;

1-2 – процесс адиабатного расширения пара в турбине;

2-3 – процесс конденсации влажного пара в конденсаторе с отводом теплоты с помощью охлаждающей воды;

3-4 – процесс адиабатного сжатия воды в насосе от давления p₂ до давления p₁;

4-4’ – процесс подвода теплоты к воде при давлении p₁ в паровом котле до соответствующей этому давлению температуры кипения.

Термический к. п. д. цикла

.

(8.1)

Теплота q₁ в цикле подводится в процессах: 4-4’ – подогрев воды до температуры кипения в котле; 4′-1 – парообразование в котле. Для 1 кг пара q₁ в изобарном процессе равно разности энтальпий конечной (точка 1) и начальной (точка 4) точек процесса подвода тепла:

.

(8.2)

Отвод теплоты q₂ происходит в конденсаторе по изобаре 2-3, следовательно

.

(8.3)

Подставив (8.2) и (8.3) в (8.1), получим

.

(8.4)

Так как i₃≈i₄, можно записать

.

(8.5)

Термический к. п. д. цикла Ренкина меньше термического к. п. д. цикла Карно при одинаковых начальных и конечных параметрах пара, так как в цикле Карно теплота q₁ затрачивается только на процесс парообразования (то есть q₁≈r), а в цикле Ренкина она затрачивается как на парообразование, так и на подогрев питательной воды в процессе 3-4. Поэтому для паросиловых установок в заданном температурном интервале термодинамически наиболее выгодным циклом мог бы быть цикл Карно. Однако его осуществление связано с большими трудностями. Цикл Карно относительно проще было бы осуществить в области влажного пара. Это объясняется тем, что в области влажного пара изотермические процессы совпадают с изобарными и могут быть реально осуществлены в котле и конденсаторе. Однако в цикле Карно конденсация пара в изотермическом процессе происходит не полностью, вследствие чего в последующем адиабатном процессе сжимается не вода, как в цикле Ренкина, а влажный пар, имеющий относительно большой объем.

В цикле Ренкина с перегретым паром добавляется ещё один процесс: 1-1’ – перегрев пара.

8.3.Влияние параметров пара на термический к. п. д. цикла Ренкина

Анализ термического к. п. д. цикла Ренкина показывает, что термический к. п. д. паросиловой установки возрастает при увеличении начального давления p₁ и начальной температуры пара t₁.

При увеличении температуры пара на выходе из котлоагрегата (давление пара не изменяется) увеличивается i₁. Если остальные энтальпии, входящие в выражение (8.5), неизменны, что технически осуществимо, то, как следует из (8.5), увеличение температуры пара на выходе из котлоагрегата сопровождается ростом η_t.

При увеличении давления пара на выходе из котлоагрегата (температура перегретого пара не изменяется) уменьшается i₁ (смотри таблицы термодинамических свойств воды и перегретого пара). Если остальные энтальпии, входящие в выражение (8.5), неизменны, что технически осуществимо, то, как следует из (8.5), увеличение давления перегретого пара на выходе из котлоагрегата сопровождается уменьшением η_t. Следовательно, давление на выходе котлоагрегата целесообразно повышать только с целью увеличения температуры пара.

8.4.Пути повышения экономичности паросиловых установок

Несмотря на то, что в настоящее время осуществляется массовое освоение высоких и сверхвысоких параметров пара (p₁=23,0÷30,0 МПа; t₁= 570÷600 ⁰С), термический к. п. д. цикла Ренкина не превышает 50%. В реальных установках доля полезной использованной теплоты еще меньше из-за потерь, связанных с внутренней необратимостью процессов. В связи с этим были предложены другие способы повышения тепловой эффективности паросиловых установок.

Рис. 8.4. Схема паросиловой установки с промежуточным пароперегревателем

Одним из таких способов является промежуточный перегрев пара (рис. 8.4). Здесь пар перегревается в пароперегревателе 2 парогенератора 1 и подаётся в цилиндр высокого давления 3, в котором находятся ступени турбины, рассчитанные на пар с высоким давлением. В цилиндре высокого давления пар производит механическую работу, его давление и температура снижаются. Из цилиндра высокого давления пар направляют в промежуточный пароперегреватель 4, где его температуру повышают, передавая ему некоторое количество тепла q₁’. Из промежуточного пароперегревателя пар направляют в цилиндр низкого давления 5, где он производит механическую работу, снижая своё давление и температуру до давления и температуры конденсатора 7. Из конденсатора насосом 8 конденсат подаётся в парогенератор. Цилиндры низкого и высокого давления находятся на одном валу с электрогенератором 6.

Количество тепла q₂ отдаваемое паром в конденсаторе, остаётся постоянным, а количество тепла q₁, сообщаемое пару в котлоагрегате увеличивается на q₁’, подводимое к пару в промежуточном пароперегревателе. Поэтому в соответствии с (8.1) термический к. п. д. паросиловой установки с промежуточным пароперегревателем выше, чем у паросиловой установки без промежуточного пароперегревателя. Увеличение термического к. п. д. в этом случае не превышает 2-3%.

Более эффективным способом повышения термического к. п. д. паросиловой установки является применение схем регенеративного подогрева питательной воды (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Схема паросиловой установки с промежуточным пароперегревателем и регенеративным подогревом питательной воды

Для получения такой схемы устанавливают подогреватель питательной воды 9 и организуют дополнительный отбор пара. Например, из цилиндра низкого давления. В этом случае пар, отбираемый на подогрев питательной воды, не отдает тепло в конденсаторе, и количество теплоты, теряемой в конденсаторе, уменьшается на некоторую величину q₂’. Поэтому в соответствии с (8.1) термический к. п. д. паросиловой установки повышается. Однако, в связи с тем, что часть пара, направляемого на подогрев питательной воды, не производит механическую работу на последующих ступенях турбины, мощность отдаваемая турбиной электрогенератору в этом случае снижается.

Регенеративный подогрев питательной воды позволяет увеличить термический к. п. д. паросиловой установки процентов на 10-12.