15 Билет

1 Вопрос )

Цикл Ренкина и его изображение в диаграммах. Термический КПД цикла и способы его повышения.

Теоретический термодинамический цикл паровой машины, состоящий из четырех основный операций:

• -1- испарения жидкости при высоком давлении;

• -2- расширения пара;

• -3- конденсации пара;

• -4- увеличения давления жидкости до начального значения.

Пар большого давления и температуры подается в сопловые аппараты турбины, где происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую энергию потока пара (скорость потока – сверхзвуковая). Кинетическая энергия сверхзвукового потока превращается на лопатках турбины в кинетическую энергию вращения колеса турбины и в работу производства электроэнергии.

Важнейшими с позиции экономической эффективности являются вопросы повышения КПД тепловых электростанций. Теоретический анализ дат, различные способы повышения тепловой эффективности цикла Ренкина.

1. Повышение начального давления пара. Увеличение КПД цикла ПТУ можно достигнуть путём повышения начального давления пара в котле от p₁ до p₁’ при сохранении его конечного давления р₂ и максимальной температуры цикла . Это приводит к возрастанию средней температуры теплоподвода за счёт повышения температуры насыщения, а следовательно, и η цикла Ренкина, в области давлений до 10 Мпа. Увеличение начального давления пара приводит к повышению его влажности в последних ступенях турбины, что приводит к излишним потерям работы и эрозии лопаток турбины.

2. Повышение температуры перегрева пара. Увеличения средней температуры теплопровода, а следовательно, КПД цикла Ренкина можно добиться повышением температуры пара перед турбиной Т₁ до Т₁ за счёт его перегрева при сохранении нижней температуры в конденсаторе Т₂ . Это приводит к благоприятному для эффективной работы турбины снижению конечной влажности пара

3. Уменьшение конечного давления пара от р₂ до р₂ вызывает снижение температуры его конденсации Т_{2 ,} что приводит к увеличению КПД цикла Ренкина. Теоритически понижать давление пара можно до р₂, соответствующего температуре насыщения, равной температуре окружающей среды.

4. Применение промежуточного перегрева пара. Повышение влажности пара в турбине при увеличении начального давления можно уменьшить, если применить промежуточный перегрев . Для этого после частичного расширения пара в турбине его направляют в специальный пароперегреватель и снова перегревают, обычно до первоначальной температуры Т_1. Многократный промежуточный перегрев пара приближает процесс теплоподвода к изотермическому.

После турбины пар направляется в конденсатор. Это обычный теплообменник, внутри труб проходит охлаждающая вода, снаружи – водяной пар, который конденсируется, вода становится жидкой, что показано на рис. 1

Принципиальная технологическая схема паросиловой установки.

Эта вода поступает в питательный насос, где происходит увеличение давления до номинальной (проектной) величины. Далее вода с высоким давлением направляется в котельный агрегат (на рис. 1 он обведен штриховой линией). В этом агрегате вода сначала нагревается до температуры кипения от дымовых газов из топки котла, затем поступает в кипятильные трубы, где происходит фазовое превращение вплоть до состояния сухого насыщенного пара (см. т. 5 на рис. 6.3). Наконец, сухой насыщенный пар идет в пароперегреватель, обогреваемый топочными дымовыми газами из топки. Состояние пара на выходе из пароперегревателя характеризуется точкой 1. Так замыкается цикл. Этот цикл паросиловой установки предложил немецкий инженер Ренкин, и потому его и назвали циклом Ренкина.

Цикл Ренкина на тдвух термодинамических диаграммах p – v, T – s

Процесс 1 – 2 – расширение пара в соплах турбины; 2 – 3 – процесс конденсации пара; 3 – 4 – процесс в питательном насосе;4 – 5 – процесс нагрева воды и ее кипение; 5 – 1 – процесс перегрева пара. Заштрихованы те области диаграмм, площадь которых численно равна работе и теплоте за цикл, причем q_ц = w_ц.

Из технологической схемы на рис. 1 и диаграммы Т – s на рис. 2 следует, что теплота подводится к рабочему телу в процессах 4 – 5 – 1, у которых ds > 0. И эти процессы характеризуются инвариантом p₁ = const. Поэтому подводимая в цикле Ренкина теплота q_подв равна: q_подв = h₁ – h₄. Дж. (6.2)

Теплота отводится от рабочего тела в процессе 2 – 3 (ds < 0) и этот процесс тоже p₂ = const. Поэтому q_отв = h₂ – h₃. Дж. (1)

Разность между подведенной теплотой и отведенной представляет собой теплоту цикла q_ц, превращенную в работу w_ц

w_ц = q_ц = (h₁ – h₄) – (h₂ – h₃) = (h₁ – h₂) – (h₄ – h₃).

Разность энтальпии воды до питательного насоса (точка 3) и после (точка 4) ничтожно мала. В связи с этим: w_ц = q_ц = h₁ – h₂. (2)

Термический коэффициент полезного действия цикла Ренкина (а это отношение «пользы», т.е. w_ц, к «затратам», т.е q_подв) равен: η_t = (h₁ – h₂)/(h₁ – h₄). (3)