Влияние основных параметров на величину к.п.д. цикла Ренкина

1 Влияние начального давления пара.

При одном и том же конечном давлении в конденсаторе увеличение начального давления приводит к росту термического к.п.д. цикла.

2 Влияние начальной температуры пара.

Увеличение начальной температуры пара приводит к росту адиабатного теплопадения и повышению к.п.д. Например, при начальном давлении в 20 бар повышение начальной температуры с 400 ⁰С до 550 ⁰С приведёт к росту к.п.д. с 0,332 до 0,355.

Если одновременно будет увеличиваться и начальное давление с 20 бар до 200 бар, то к.п.д. возрастет с 0,405 до 0,434.

С увеличением начальной температуры уменьшается удельный расход пара, т. е. цикл становится более экономичным.

3 Влияние конечного давления в конденсаторе.

Понижение давления в конденсаторе является особенно эффективным, так как увеличивает адиабатное теплопадение в цикле. Например, при начальном давлении в 100 бар и начальной температуре 600 ⁰С при конечном давлении 1 бар к.п.д. равен 0,308. При понижении давления до 0,05 бара к.п.д. возрастает до 0,417.

Вопросы для самопроверки

1 Каково назначение паротурбинной установки?

2 Какое рабочее тело является основным для паротурбинной установки?

3 Чем отличается паротурбинная установка от двигателей внутреннего сгорания?

4 С какой целью в схему паротурбинной установки вводится конденсатор?

5 Каково назначение питательного насоса?

6 Почему в паротурбинных установках не применяется цикл Карно?

7 Как изображается в P-V и T-S диаграммах цикл Ренкина?

8 Каково влияние начальной температуры пара на термический к.п.д. цикла Ренкина?

9 Каково влияние конечного давления на термический к.п.д. цикла Ренкина?

Магнитогидродинамический генератор (МГД - генератор)

МГД - генератор основан на принципе движения ионизированного потока газа (при высокой температуре) между полюсами сильного электромагнита (т.е. плазма пропускается через магнитное поле). Плазма возникает в результате ионизации атомов, из-за отрыва одного или нескольких электронов. Получить плазму можно различными способами:

1 нагревая газ до высоких температур электрической дугой;

2 электрическим высоковольтным разрядом;

3 электромагнитной высокочастотной индукцией;

4 бомбардировкой частицами при низком давлении.

Принципиальная схема МГД - генератора имеет вид:

1- камера сгорания; 2- специальные шины; 3- канал МГД – генератора; 4- трубчатый генератор тепла; 5- компрессор для подачи воздуха; 6- пароперегреватель; 7- паровая турбина;

8- конденсатор; 9- насос; 10- трубчатый паровой котел;

11- электрогенератор

Рисунок 10 - Схема МГД - генератора

Топливо поступает в камеру сгорания 1, сюда же подается воздух, который предварительно проходит через трубчатый генератор тепла 4. В камере сгорания температура продуктов сгорания топлива составляет 3000...3030 ⁰С. Затем продукты сгорания поступают в канал МГД - генератора постоянного тока 3, где расширяются до атмосферного давления со снижением температуры до 2400 ⁰С. Для отвода получаемого электрического тока в МГД - генераторе устанавливают две специальные шины 2. Затем горячие газы омывают воздухоподогреватель 4, воздух в который подается компрессором 5. Так как температура этих газов остается всё ещё значительной, то на пути их движения в установку включена паросиловая часть (т.е. паротурбинная установка). Она работает следующим образом: предварительно в трубчатый паровой котёл подаётся специально подготовленная вода. Проходя по змеевику 10, она превращается во влажный пар, отнимая тепло от горячих газов. Затем этот влажный пар поступает в пароперегреватель 6, где он превращается в перегретый пар. Затем этот перегретый пар проходит сопловой аппарат и попадает на лопатки турбины 7, вращая колесо турбины, а, следовательно, и вал турбины. На валу турбины находится компрессор 5 и электрогенератор 11, вырабатывающий дополнительную электроэнергию. После выхода из турбины 7, пар (или конденсат) проходит через конденсатор 8 и затем насосом вновь подается в трубчатый паровой котел 10. Использование тепла уходящих газов из МГД - генератора может увеличить до 60% и более.

Проблемы, которые не позволяют широко использовать МГД - генераторы:

1. Электроды для отбора электрического тока должны иметь очень высокую температуру ≈ 2700 ⁰С, поэтому возникает проблема сохранения целостности магнитогидродинамического канала (т. е. необходимы высокотемпературные тугоплавкие материалы).

2. Необходимость создания мощного магнитного поля, так как плазма обладает относительно малой электропроводимостью и сравнительно небольшой скоростью её движения по каналу МГД- генератора.

Вопросы для самопроверки

1 Каково назначение МГД - генератора?

2 Какие существуют методы получения плазмы?

3 Какой газ называется низкотемпературной плазмой?

4 Какие преимущества имеет МГД – генератор перед газотурбинной установкой?

5 Как используется в МГД – генераторе теплота уходящих газов?

6 Почему МГД – генераторы не нашли широкого применения?

Компрессоры

Компрессор - это машина, предназначенная для сжатия и перемещения различных газов. Компрессоры используются в химической, машиностроительной, металлургической, горнорудной и др., на железных дорогах, в авиации, в ГТУ и т.д.

Все компрессоры, в зависимости от конструктивного оформления и принципа работы, подразделяются на две группы:

- поршневые

- турбинные (центробежные)

Однако, термодинамика процессов сжатия в них одинакова. Процессы в них описываются одними и теми же уравнениями. Поэтому рассмотрим работу наиболее простого одноступенчатого компрессора (поршневого).

Рисунок 11 - Поршневой компрессор

Компрессор состоит из цилиндра 1 с пустотелыми стенками, в которых циркулирует охлаждающая вода, и поршня 2, связанного кривошипно-шатунным механизмом с электродвигателем или другим источником механической работы. В крышке цилиндра в специальных коробках помещаются два клапана: всасывающий 3 и нагнетательный 4, которые открываются автоматически под действием изменения давления в цилиндре.

Рабочий процесс компрессора совершается за один оборот вала (или два хода поршня). При ходе поршня вправо открывается всасывающий клапан и в цилиндр поступает рабочее тело - газ. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие газа до требуемого давления и нагнетание его в резервуар.

Рассмотрим работу теоретического одноступенчатого компрессора.

Примем допущения:

1 Геометрический объём цилиндра равен рабочему объёму, т.е. отсутствует вредное пространство.

2 Отсутствуют потери работы на трение поршня о стенки цилиндра.

3 Отсутствует дросселирование в клапанах.

4 Всасывание газа и его нагнетание происходят при постоянном давлении.

Покажем цикл компрессора в P-V диаграмме.

Рисунок 12 - Циклы компрессора в P-V диаграмме

Линии а-1 и 2-3 не являются процессами, так как состояние рабочего тела в них не изменяется, а изменяется его количество.

Найдём затраченную работу L на получение 1кг сжатого газа (без учета трения).

(60)

где p₁v₁ --работа, производимая внешней средой при

заполнении цилиндра газом;

p₂v₂ - работа, затраченная на выталкивание газа.

Процесс сжатия в компрессоре может осуществляться по изотерме (1-2), по адиабате (1-2¹), по политропе (1-2”). Затраченная работа в каждом из этих случаев сжатия газа будет различной.

При изотермическом сжатии (1-2)

и имеет наименьшую величину. Здесь вся энергия, подводимая в форме работы, отводится от газа в форме теплоты.

Сжатие по адиабате (1-2¹) даёт наибольшую площадь:

и, следовательно, наибольшую затрату работы.

При политропном сжатии величина работы принимает промежуточное значение:

Таким образом, чтобы уменьшить работу сжатия, необходимо процесс сжатия приблизить к изотермическому. Поэтому в реальном компрессоре и применяют охлаждение водой, которая протекает через рубашку компрессора, образуемую полыми стенками цилиндра. Охлаждение дает возможность сжимать газ до более высоких давлений в политропном процессе при n = 1,18...1,2. У компрессоров малой производительности при небольших давлениях сжатого газа стенки цилиндра делают ребристыми. Ребра обдуваются воздухом и, тем самым, цилиндр охлаждается.