14

Циклы паросиловых установок

При использовании пара какой-либо жидкости в качестве рабочего вещества принципиально можно осуществить любой из тех циклов, которые применяются в газовых двигателях.

Так, например, в случае, когда рабочим веществом в паросиловой установке (ПСУ) является влажный (насыщенный) пар, оказывается технически возможным осуществление цикла Карно.

Цикл Карно

Цикл Карно, осуществляемый насыщенным паром, изображен на Т-s-диаграмме (фиг.). На этих диаграммах кривая АКВ представляет собой пограничную кривую.

В том случае, когда рабочим телом является насыщенный пар, изобарический процесс, как известно, является одновременно изотермическим.

Процесс 3—4 соответствует адиабатическому сжатию в компрессоре насыщенного пара до его полной конденсации; процесс 4—1—испарению воды в котле до получения сухого насыщенного пара; процесс 1—2—расширению пара в турбине или паровой машине до наинизших температуры и давления цикла; процесс 2—3, который замыкает цикл,— конденсации пара, производимой в специальном конденсаторе.

Термический к. п. д. цикла Карно подсчитывается по формуле

В газовых циклах стремятся приблизиться к циклу Карно из-за его высокого к.п.д., обусловленного высоким перепадом температур. Для паросиловых установок цикл Карно насыщенного водяного пара обладает весьма низким к.п.д. из-за невысокого перепада температур. Так, при давлении 9,8 МПа температура насыщения составляет всего 311 °С. При температуре холодного источника, равной 25 °С к.п.д цикла Карно

η_t = (1—25)/(273+311)= 0,49.

Дальнейшее увеличение температуры и давления водяного пара не имеет смысла, так как мало увеличивая к.п.д., оно приводит к утяжелению оборудования, исходя из условий его прочности. Кроме того, при этом уменьшается количество теплоты, забираемой каждым килограммом воды в процессе испарения— 4-1 (из-за сближения этих точек на нижней и верхней пограничных кривых по мере повышения температуры). При температуре, превышающей критическую (для воды Т_кр=374,15 °С, при давлении 22,1 МПа), цикл на насыщенном паре вообще невозможен.

Показатели цикла Карно, выраженные через энтальпию

Термический к.п.д. цикла

.

Термический к.п.д. цикла, выраженный через работу, равен

Удельный расход пара

кг/кВт-ч.

Пути увеличения к.П.Д. Цикла Карно. Цикл Ренкина.

1. За счёт полной конденсации насыщенного пара (цикл Ренкина при полной конденсации пара).

Работа сжатия в цикле Карно может быть значительно уменьшена, если конденсацию перед сжатием доводить до конца, т.е. до точки 5 на схеме цикла (см. выше). Значительное уменьшение работы сжатия при полной конденсации объясняется тем, что жидкость практически несжимаема. А так как удельный объем жидкости, как правило, невелик, то эта работа оказывается небольшой.

При адиабатическом сжатии влажного водяного пара от давления 1 до 30 ата, при котором он полностью конденсируется необходимо затратить работу, эквивалентную 455,1 кДж\кг.

При адиабатическом сжатии воды от состояния насыщения при 1 ата. до давления 30 ата необходимо затратить работу, эквивалентную 2,76 кДж\кг.

Таким образом, сжимая полностью сконденсированный пар, можно уменьшить работу сжатия в 165 раз и, следовательно, существенно увеличить. эффективный к. п. д. установки, так как термический к. п. д. при этом уменьшается незначительно.

В конце 50-х годов 19-го века такой цикл был предложен шотландским физиком Ренкиным и почти одновременно Клаузиусом.

Цикл паросиловой установки с насыщенным паром в координатах Т, s представлен на фиг. 17-5.

Рис.3. Изохора 2 - 31 : действит – слева; условное обозначение - справа

Так как при давлениях, применяемых обычно в теплотехнике, изменением объема воды при ее сжатии практически можно пренебречь, то процесс адиа­батического сжатия в насосе может быть представлен в увеличенном виде изохорой 2'—3. На Ts-диаграмме изобары жидкости располагаются очень близко к левой пограничной кривой и практически сливаются в одну линию, а потому точки 2' и 3 практически сливаются в одну точку (рис. 3).

Изобара 3—4, изображенная на Ts - диаграмме для наглядности не в мас­штабе, соответствует нагреванию воды в котле при давлении p_t до соответ­ствующей температуры кипения.

Процесс парообразования в котле соответствует участку изобары 4—/. В результате рассмотренных выше последовательных изменений состояния рабочее тело совершает термодинамический цикл.

Термический к. п. д. цикла паросиловой установки, как уже говорилось ранее, ниже термического к. п. д. Карно.