12. Циклы паросиловых установок и холодильных машин

Паросиловая установка. Цикл Ренкина

В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары различных жидкостей (вода, ртуть и т. п.), но чаще всего водяной пар.

В паровом котле паросиловой установки (1) за счет подвода теплоты Q₁, получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при постоянном давлении р₁ (рис. 33). В пароперегревателе (2) он дополнительно нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой двигатель (3) (например, в паровую турбину), где полностью или частично расширяется до давления р₁ с получением полезной работы L₁. Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор (4), где он полностью или частично конденсируется при постоянном давлении р₂. Конденсация пара происходит в результате теплообмена между отработавшим паром и охлаждающей жидкостью, протекающей через холодильник-конденсатор (4).

Рис. 33. Схема простейшей паросиловой установки

После холодильника сконденсированный пар поступает на вход насоса (5), в котором давление жидкости повышается с величины р₂ до первоначального значения р₁ после чего жидкость поступает в паровой котел (1). Цикл установки замыкается. Если в холодильнике (4) происходит частичная конденсация отработавшего пара, то в паросиловой установке вместо насоса (5) используется компрессор, где давление пароводяной смеси также повышается с р₂ до р₁. Однако для того, чтобы уменьшить работу на сжатие, целесообразно полностью сконденсировать пар в конденсаторе и затем сжимать не пароводяную смесь, а выходящую из конденсатора воду. Описанный цикл паросиловой установки называется циклом Ренкина (рис. 34).

Цикл Ренкина состоит из изобары (4–1), где подводится теплота в нагревателе, адиабаты (1–2) расширения пара в паровой турбине, изобары (2–3) отвода теплоты в холодильнике-конденсаторе и изохоры (3–4) повышения давления воды в насосе. Линия (4–а) на изобаре соответствует процессу повышения температуры жидкости после насоса до температуры кипения при давлении р₁. Участок (a–b) соответствует превращению кипящей жидкости в сухой насыщенный пар, а участок (b–1) – процессу подвода теплоты в пароперегревателе для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.

а б

Рис. 34. Цикл Ренкина в координатах p-v (а) и Т-s (б)

Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины

. (306)

Работа, затраченная на сжатие воды в насосе, определяется так же по разности энтальпии рабочего тела в точках (4) и (3).

В координатах р-v эта работа определяется площадью e-3-4-f (рис. 34a). Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.

Полезная работа цикла равна работе турбины за вычетом работы, затрачиваемой на привод насоса w_Н

. (307)

Удельное количество теплоты q₁, подведенной в котле и пароперегревателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теплоты

, (308)

где h₄ – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р₂ практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3), т.е. h₄  h₃.

Сопоставляя соотношения, можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты

. (309)

Другая важная характеристика паросиловой установки – удельный расход пара d, который характеризует количество пара, необходимого для выработки 1 кВт·ч энергии (3600 Дж), и измеряется в .

Удельный расход пара в цикле Ренкина равен

. (310)

Удельный расход пара определяет размеры агрегатов: чем он больше, тем больше пара приходится вырабатывать для получения той же мощности.

Пути повышения экономичности паросиловых установок

Термический КПД цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50 %. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в двигателе значение КПД еще меньше.

Существуют два пути повышения экономичности паросиловых установок: повышение параметров пара перед турбиной и усложнение схем паросиловых установок.

Рис. 35. Схема установки для совместной выработки механической энергии и теплоты

Рис. 36. Схема паросиловой установки с регенеративным подогревом питательной воды

1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – тепловой потребитель

Первое направление приводит к увеличению теплоперепада в процессе расширения пара на турбине (h₁ - h₂) и, как следствие, к увеличению удельной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h₁-h₂ можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установки, т.е. уменьшая давление р₂. Повышение экономичности паросиловых установок этим путем связано с решением ряда трудных технических задач, в частности, использования высоколегированных, жаропрочных материалов для изготовления турбины.

Эффективность использования паросиловой установки можно значительно повысить за счет использования теплоты отработавшего пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой целью охлаждающую воду, нагретую в конденсаторе (4) (рис. 35), не выбрасывают в водоем, а прокачивают через отопительные установки теплового потребителя (6). В таких установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы L₁ на валу турбины (3) и теплоту Q_т.п для отопления. Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии – один из основных методов повышения эффективности тепловых установок.

Повысить КПД паросиловой установки по сравнению с циклом Ренкина можно за счет применения так называемого регенеративного цикла (рис. 36). В этой схеме питательная вода, поступающая в котел (1), нагревается паром, частично отбираемым из турбины (3). По этой схеме пар, полученный в котле (1) и перегретый в пароперегревателе (2), направляется в турбину (3), где происходит его расширение до давления в конденсаторе (4). Однако часть пара после совершения им работы из турбины и направляется в регенеративный подогреватель (6), где в результате конденсации он подогревает питательную воду, подаваемую насосом (5) в котел (1).

Сам конденсат после регенеративного подогревателя поступает на вход насоса (5) или в конденсатор 4, где он смешивается с конденсатом пара, прошедшего через все ступени турбины. Таким образом, в котел поступает такое же количество питательной воды, какое и выходит из него в виде пара. Из диаграмм (рис. 37) видно, что каждый килограмм пара, входящий в турбину, расширяется от давления р₁ до давления р₂, совершая работу w₁=h₁-h₂. Пар в количестве (1 - g) долей килограмма расширяется до конечного давления p₃, совершая работу w₂=h₂-h₃. Суммарная работа 1 кг пара в регенеративном цикле будет

, (311)

где – доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.

Рис. 37. График адиабатного расширения пара в турбине с промежуточным отбором (а) и изменения количества пара (б)

Уравнение показывает, что использование регенерации теплоты приводит к уменьшению удельной работы расширения по сравнению с циклом Ренкина с теми же параметрами пара. Однако расчеты показывают, что работа в регенеративном цикле уменьшается медленнее, чем расход теплоты на получение пара при наличии регенерации, поэтому КПД паросиловой установки с регенеративным подогревом в итоге выше КПД обычного цикла.

Применение пара высоких и сверхвысоких давлений с целью повышения КПД установок наталкивается на серьезное затруднение: влажность его на последних ступенях турбины получается настолько высокой, что заметно снижает КПД турбины, вызывает эрозию лопаток, может служить причиной выхода их из строя. Поэтому в установках с высокими параметрами пара приходится применять так называемый промежуточный перегрев пара, что также ведет к повышению КПД установки (рис. 38).

Рис. 38. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара:

1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина высокого давления (ТВД); 4 – турбина низкого давления (ТНД); 5 – конденсатор; 6 – питательный насос; 7 – промежуточный пароперегреватель; 8 – потребитель

В паросиловой установке с промежуточным перегревом пара, после расширения в турбине высокого давления (3) пар отводится в специальный пароперегреватель (7), где он вторично подогревается при давлении р_рп до температуры , которая обычно несколько ниже, чем температура t₁. Перегретый пар поступает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р₂ и уходит в конденсатор (5) (рис. 39).

Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значительно меньше, чем она была бы без него (x₁>x₂) (рис. 39). Применение промежуточного перегрева в реальных условиях дает повышение КПД приблизительно на 4 %. Этот выигрыш получается не только за счет повышения относительного КПД турбины низкого давления, но и за счет повышения суммарной работы расширения пара по турбине низкого и высокого давлений. Дело в том, что сумма отрезков и , характеризующих работу соответственно турбин высокого и низкого давлений, больше отрезка 1 – e, характеризующего работу расширения в турбине установки, в которой не применяется промежуточного перегрева пара (рис. 39б).

а б

Рис. 39. Процесс расширения пара в установке с промежуточным перегревом

Циклы холодильных установок

Холодильные установки предназначены для охлаждения тел до температуры ниже температуры окружающей среды. Чтобы осуществить такой процесс, необходимо от тела отвести теплоту и передать ее в окружающую среду за счет работы, подводимой извне.

Холодильные установки широко используются в газовой промышленности при подготовке газа к транспорту в установках комплексной подготовки газа (УКПГ), для охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов, проложенных в районах многоголетнемерзлых пород, при переработке природного газа, при получении и хранении сжиженного природного газа и т.д.

Теоретически наиболее выгодный цикл холодильной установки – обратный цикл Карно. Однако цикл Карно в холодильных установках не используется из-за конструктивных трудностей, которые возникают при реализации этого цикла, и, кроме того, влияние необратимых потерь работы в реальных холодильных машинах настолько велико, что сводит на нет преимущества цикла Карно.

Паровая компрессионная холодильная установка

Для получения неглубокого холода наибольшее распространение получили паровые компрессионные установки (рис. 40). В качестве рабочего тела в таких установках используют хладоагенты-низкокипящие жидкости (аммиак, фреон и др.). Холодильная установка состоит из холодильной камеры (5), где должна быть температура ниже температуры окружающей среды, компрессора (1), испарителя (4), конденсатора (2) и регулирующего дроссельного вентиля (3) (рис. 40а).

а

б

Рис. 40. Схема (а) и цикл паровой компрессионной холодильной установки в координатах T-s (б)

При работе паровой компрессионной холодильной установки компрессор засасывает из испарителя хладоагент в виде влажного насыщенного или сухого насыщенного пара при давлении выше атмосферного ( ) и отрицательной температуре ( ) (точка 1), и адиабатически его сжимает (1–2) до более высокого давления р₂. (рис. 40б). В конце сжатия (2) температура хладоагента уже положительна и превышает температуру охлаждающей воды, которая в данной установке играет роль окружающей среды ( ). При этих параметрах компрессор подает рабочее тело (перегретый пар) в конденсатор, где охлаждающая вода отнимает от него теплоту перегрева (2-3) и парообразования (3–4). Вследствие этого пар при давлении p₂ = idem полностью конденсируется (точка 4). Конденсат проходит через вентиль (рис. 40а), в котором он дросселируется в изоэнтальпийном процессе (h = idem) до давления p₁ (4–5) и поступает в испаритель, где испаряется (5–1), отбирая теплоту от охлаждаемых тел. Затем рабочее тело вновь поступает в компрессор и цикл повторяется.

В установках большой мощности между холодильной камерой (5) и испарителем (4) циркулирует рассол, отбирающий от охлаждаемых тел в камере (5) теплоту q₂. Эта теплота в испарителе (4) используется для испарения хладоагента. В установках малой мощности, например в домашних холодильниках, испаритель располагается в самой холодильной камере и, надобность в рассоле отпадает. В диаграмме Т–s значению отводимого от охлаждаемых тел количеству теплоты q₂ в холодильной камере соответствует площадь с-5-1-а; работе l_ц, затрачиваемой в компрессоре на сжатие пара, соответствует площади цикла 1-2-3-4-5-1. Количество теплоты, передаваемое охлаждаемой воде или атмосферному воздуху (q₁= q₂+ l_ц), определяется площадью фигуры с-а-1-2-3-4-5-с.

Термодинамическая эффективность холодильных установок определяется холодильным коэффициентом . Холодильный коэффициент определяется как отношение количества теплоты q₂, отводимой от охлаждаемого тела, к затраченной в цикле работе l_ц

. (312)

Температура в холодильной камере холодильной установки зависит от положения регулирующего дроссельного вентиля (3). Так, при необходимости уменьшить эту температуру вентиль дополнительно прикрывается, в результате чего происходит более глубокое дросселирование, а, следовательно, и охлаждение рабочего тела до более низкой температуры (рис. 40б). При этом, процесс отвода теплоты от охлаждаемого тела будет происходить при более низкой температуре рабочего тела (5'–1'). Экономичность установки (χ) снижается в силу уменьшения величины q₂ и увеличения работы l_ц, затрачиваемой на привод компрессора (соотношение 312) (рис. 40).

Воздушная холодильная установка

Для более глубокого охлаждения тел (получения более глубокого холода) используется воздушная холодильная установка (рис. 41).

Принцип действия воздушной холодильной установки основан на расширении предварительно сжатого и охлажденного воздуха. Воздух из холодильной камеры (4) под давлением p₁ поступает в компрессор (1), где адиабатно сжимается (1–2) до давления p₂ и температуре T₂. Сжатый воздух подается в теплообменник (2), где охлаждается проточной водой до температуры T₃ (2–3), и подается в турбодетандер (3), где адиабатно расширяется (3–4) до давления p₁, при этом температура рабочего тела понижается до значения T₄. Охлажденный воздух поступает в холодильную камеру, где нагревается до температуры T₁ (4–1).

Рис. 41. Схема, p-v и T-s диаграммы воздушной

холодильной установки

Удельное количество теплоты, переданное охлаждающей воде, может быть определено по соотношению

, (313)

удельное количество теплоты, отведенное от воздуха в холодильной камере, по формуле

, (314)

а удельная работа цикла при условии постоянства теплоемкости рабочего тела ( ) может быть рассчитана из выражения

(315)

или, поскольку для адиабатных процессов (1–2) и (3–4) справедливы следующие соотношения температур:

; , (316)

определена по формуле

. (317)

При использовании соотношений (314), (317) холодильный коэффициент воздушной холодильной может быть определен из формулы

. (318)

Следует отметить, что вследствие малого значения теплоемкости воздуха, удельная холодопроизводительность воздушных холодильных установок достаточно низкая.

Аборбционная холодильная установка

Иногда для осуществления цикла холодильной машины целесообразнее расходовать не механическую работу, как это было в рассмотренных типах холодильных машин, а теплоту, отбираемую, к примеру, от уходящих продуктов сгорания газотурбинных установок. Холодильные машины, в которых для понижения температуры тел до температуры ниже температуры окружающей среды используется теплота отработавших продуктов сгорания, называются абсорбционными холодильными установками (рис. 42).

Абсорбционные холодильные установки используют в качестве рабочего тела хладоагенты и их растворы. В качестве хладагента в абсорбционных холодильных установках может быть использован аммиак, а в качестве растворителя (абсорбента) – вода.

Рис. 42. Схема и идеализированная T-s диаграмма абсорбционной холодильной установки

Схема абсорбционной установки показана на рис. 42. В генераторе (1) к водоаммиачному раствору подводится теплота от внешнего источника (отработавшие продукты сгорания) при давлении . Подводимая теплота q_г идет на испарение рабочего тела: в этом процессе образуется пар с высокой концентрацией аммиака и с температурой . Пар из генератора (1) поступает в конденсатор (2), где конденсируется при температуре T₅, передавая теплоту охлаждающей воде q_к.

Конденсат проходит через дроссельный вентиль (3), на выходе из которого рабочее тело имеет давление p₂ и температуру T₆ , значение которой меньше, чем температура в холодильной камере. В испарителе (4) раствор испаряется за счет подвода теплоты q₀ от охлаждаемого объема (5). Из испарителя пар поступает в абсорбер (6), где поглощается при температуре T₃ абсорбером, поступающим из генератора через вентиль (8), отдавая теплоту абсорбции q_а охлаждающей воде, проходящей через змеевик. Вследствие поглощения пара, концентрация хладагента (аммиака) в растворе повышается. Насосом (7) раствор из абсорбера (6) подается в генератор.

При идеализации работы цикла рассматриваемой установки (полная обратимость процессов, полное выпаривание хладагента из абсорбера) рабочий процесс в ней можно представить в виде совокупности прямого (1-2-3-4) и обратного (5-6-7-8) циклов Карно. Эффективность работы абсорбционной машины можно оценить тепловым коэффициентом

. (319)

Следовательно, чем больше отбирается удельной теплоты от охлаждаемого объема при фиксированном количестве подведенной теплоты в генераторе, тем выше экономичность холодильной установки. Действительный цикл абсорбционной холодильной установки характеризуется необратимостью процессов, что приводит к некоторому снижению теплового коэффициента абсорбционной холодильной машины .