Глубокое охлаждение.

Регенеративный цикл с однократным дросселированием газа (цикл ЛИНДЕ). Основные энергетические показатели.

А – компрессор; В – водяной холодильник; С – регенеративный теплообменник; Д – дроссельный вентиль; Е – сепаратор газо-жидкостной смеси.

Газ, сжатый в компрессоре от Р₁ до Р₂, пройдя последовательно водяной холодильник В и теплообменник С, дросселируются до давления Р₁. После этого газо-жидкостная смесь разделяется на газ и жидкость, ожиженная часть отводится потребителю, газообразная часть проходит через теплообменник С, отдавая холод потоку сжатого газа, направляющегося на дросселирование.

Рассмотрим цикл на T – S диаграмме:

1-2 – изотермическое сжатие (многоступенчатое с охлаждением между ступенями)

2-4 – изобарное охлаждение сжатого газа

3-4 – изоэнтальпа дросселирования

0-4-5 – изобарное разделение газо-жидкостной смеси

5-1 – изобарное нагревание расширенного газа

Тепловой баланс блока глубокого охлаждения:

(1)

откуда

(2)

У – доля ожижения

(3)

- потери на недорекуперацию и потери холода в окр.среду (кг/кг)

- расход холода на ожижение 1 кг газ

- холодопроизводительность цикла, отнесенная к 1 кг сжиженного газа.

где - - энтальпия сжиженного газа, кДж/кг

энтальпия газа соответственно всасываемого компрессором и сжатого на входе в теплообменник.

Расход энергии на сжатие газа, кВт:

Расход энергии на сжатие 1кг газа,кДж/кг

кДж/кг

где - 1, 69 - установленный практически коэффициент, учитывающий отличия действительного процесса сжатия газа в компрессоре от изотермического.

R - удельная газовая постоянная, кДж/кг К

P₂, P₁ - давления на выходе и входе в компрессор.

- КПД компрессора

G_г – расход сухого газа, кг/с

Т – температура газа, К.

Расход энергии на ожижение 1кг газа:

Назначение и принцип действия теплосиловой установки (ПТУ).

Назначение – производство полезной работы за счет теплоты

Источником тепла служит топливо. В ПТУ энергия топлива превращается в тепловую путем его сжигания, а полученная теплота используется для выработки мех. энергии. Поскольку горение – это необратимый процесс, он связан с потерей работоспособности тем больше, чем ниже температура получаемых продуктов сгорания.

Т горения составляет 2000 С; потери эксергии = 20-30%.

Осн. причинами, сжижающими активный тепловой процесс, являются трение и теплообмен.

Различают установки: паротурбинные, газотурбинные, парогазовые установки.

Цикл паротурбинной установки. Принципиальная схема, анализ рабочих процессов цикла на P – V и T – S диаграммах. Основные термодинамические показатели.

ПП 1

4

ЭП

ПТ 2

ПК

вода охл

К

Н

исп 4

3

1

турбина

2 2

конд

ПК – паровой котел; ПП – пароперегреватель; ПТ – паровая турбина; ЭГ – энергогенератор; К – конденсатор; Н – насос.

В топке котла сжигается топливо. Полученный в результате сжигания дымовые газы при соприкосновении со стенками котла передают через них тепло находящейся в котле воде в результате чего она нагревается и превращается в пар. Далее этот пар поступает в ПП где он

за счет теплоты дымовых газов перегревается при постоянном давлении Р₁ до заданной Т. Перегретый пар поступает в паровую турбину в которой в результате перепада давлений и температуры производится работа (по ур-ю Бернулли), последняя трансформируется в сидящем на валу турбины ЭГ в эл.энергию. Отработанный пар с параметрами Р₂ и Т₂ поступает в конденсатор К, где нагревает охлажденную воду. Конденсат пара с помощью насоса Н снова подается в котел.

Паросиловая установка работает по циклу Ренкина. В цикле линия 2-2’ представляет собой процесс полного превращения отработанного в паровой турбине насыщенного пара конденсат.

2’-3’(на P-V) – процесс адиабатного сжатия (но вследствие слабой сжимаемости воды это процесс изохорного повышения давления от Р₂ до Р₁).

3’-3 – изобарный нагрев воды в котле до Т_кип.

3-4 – изобара-изотерма парообразования в котле.

4-1 – изобарный процесс перегрева пара в ПП.

1-2 – процесс адиабатного расширения пара в турбине (пар становится насыщенным).

Площадь 6-1-2-5 – располагаемая работа турбины.

Площадь 6-3’-2’-5 – работа насоса.

Их разность – это работа цикла 3’-1-2-2’.

Термический КПД: ; q₁ – подводимая теплота; l - работа цикла.

- теплопадение в турбине

Рассмотрим влияние параметров Р₁ и Т₁ и Р₂ и Т₂ на

Цикл газотурбинной установки. Принципиальная схема установки, принцип действия, анализ цикла на P – V и T – S диаграммах. Основные термодинамические показатели.

В камеру сгорания КС поступает жидкое топливо с помощью топливного насоса ТН и сжатый воздух из компрессора К, образующийся в КС продукты сгорания выходят из нее при этом же давлении что и сжатый воздух на выходе из компрессора. Следовательно, горение топлива, т.е. подвод тепла происходит при p=const. Продукты сгорания адиабатно расширяются в газовой турбине ГТ. Рассмотрим цикл на P – V и T – S диаграммах.

КС

2 3 3

q

ГТ

К 2

5 4 4

1 1

q

Воздух из продукты 6

атмосферы сгорания в

атмосферу

ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; ЭГ – энергогенератор.

Топливо топливным насосом подается в КС. Продукты сгорания и воздух рассматриваются как одно рабочее тел

о которое совершает цикл. На P – V диаграмме:

1-2 – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре;

2-3 – изобара (подвод тепла);

3-4 – адиабата (процесс расширения в турбине);

4-1 – изобара (реальный процесс охлаждения выходящих из турбины газов).

Площадь внутри контура цикла на P – V диаграмме представляет собой полезную работу цикла. Она равна разности работ турбины 6-3-4-5 и технической работы затраченной на сжатие 6-2-1-5. На T – S диаграмме площадь цикла 1-2-3-4 эквивалентно этой полезной работе и = разности между кол-вами подведенной q₁ (площадь 6-2-3-5) и отведенной q₂ (5-4-1-6).

Т/д совершенство идеального цикла ГТУ оценивается термическим КПД:

Чем выше степень сжатия воздуха в компрессоре, тем выше термический КПД ГТУ.

В хим. пром-ти ГТУ используются для утилизации тепла экзотермической реакции (например, нитрозные газы в производстве HNO₃), а так же в процессе абсорбции под давлением.

Парогазовый цикл. (Принципиальная схема установки). Принцип действия (анализ цикла на T – S диаграмме).

кс ПП 10

3

9

2 пк

эг эг

гт пт

7 11

1

Воздух из 4 5

Атмосферы к

то

6 н

3

10

2 4

8 9

7

5

1

6 11

а b с к d е

ТН – топливный насос; ПТ – паровая турбина; ГТ – газовая турбина; ЭГ – энергогенератор; ТО – теплообменник-подогреватель.

Из цикла ГТУ видно, что вся теплота горячего источника Q₁ не превращается в работу l цикла, а отдается холодному источнику в кол-ве q₂, т.е. выбрасывается вместе с продуктами сгорания в атмосферу. Одним из вариантов использования этой теплоты является парогазовый цикл.

Горячие газы уходящие из газовой турбины после совершения в ней работы охлаждаются в теплообменнике-подогревателе нагревая воду поступающую в паровой котел. В цикле ГТУ подводится теплота равная площади а-2-3-к и полученная полезная работа = площади 1-2-3-4. В цикле ПТУ работающей раздельно кол-во подводимой теплоты = площади с-6-8-9-10-11-е, а полезная работа – 6-8-9-10-11. теплота отработанных в турбине газов = площади (при раздельном осуществлении……) а-1-4-к выбрасывается в атмосферу. В парогазовом цикле теплота, выделяющаяся при охлаждении газа по линии 4

5 и равна площади b-5-4-k не выбрасывается в атмосферу, а используется на подогрев питательной воды парового цикла в подогревателе по линии 6-7. Кол-во теплоты затрачиваемой на образование пара в котле уменьшается на величину изображенную заштрихованной площадью c-6-7-d. Эффективность комбинированного цикла увеличивается, поскольку полезная суммарная работа обоих циклов l цикла газового + l цикла парового одинаково при совместном их осуществлении.

Комбинированное получение электроэнергии и теплоты. ТЭЦ. Схема установки, анализ цикла на T – S диаграмме.

ПП

T 1

ПТ

ЭГ 3

ПК 4

К

3 2

2 2

ТП 2

7 6 5 S

ПК – паровой котел; ПП – пароперегреватель; ПТ – паровая турбина; ЭГ – энергогенератор; К – конденсатор

; Н – насос, ТП – тепловой потребитель.

Эффективность паросиловой установки можно повысить путем повышения, а не уменьшения давления. До такой величины, чтобы сбросную теплоту q₂, которая составляет половину всего кол-ва теплоты затраченного в цикле.

Можно было использовать для отопления горячего водоснабжения и различных технологических процессов. С этой целью охлаждающая вода, нагретая в конденсаторе, не выбрасывается в водоем, а прогоняется через отопительные приборы теплового потребителя ТП.

В результате станция, работающая по такой схеме, вырабатывает и электричество, и теплоту (ТЭЦ).

Термический КПД уменьшается, т.е. в эл.энергию превращается меньшая часть подведенной теплоты, но теплота, затраченная на образование пара, полностью используется, т.к. остальная часть отдается тепловому потребителю в виде теплоты пара или горячей воды. Работа цикла = 2’-3-4-1-2, а тепловому потребителю передается теплота 6-2’-2-5.

Преобразование потенциала теплоты. Термотрансформаторы. Тепловой насос. Цикл совместного получения тепла и холода.

Термотрансформаторы – устройства, позволяющие обратимым путем передавать тепло от объекта с одной температурой к объекту с другой температурой. Различают повышающие и понижающие. Цикл любого термотрансформатора представляет собой сочетание прямого и обратного циклов Карно.

Рассмотрим принципиальные схемы парокомпрессионного теплового насоса и термотрансформатора.

П арокомпрессионный тепловой насос

Низкопотенциал.

Теплота( среда)