12. Циклы паротурбинных установок (пту)

Основной вид тепловых двигателей для производства тепла и выработки электроэнергии на тепловых электростанциях остаются ПТУ. В них рабочее тело,как правило, - водяной пар .

Цикл Карно состоит иэ двух изотерм (они же изобары) и двух адиабат, Рис.15.2. .

Термический к.п.д. максимален -

Ƞ_tK =1 – T₂ /T₁ . …(12.1) Но процесс конденсирования пара должен заканчиваться в точке 3 ,чтобы затем перейти в точку 4 должен быть очень мощный компрессор и только на его привод потребуется не менее 1/3 работы турбины. Общая эффективность установки будет невелика.

Цикл Ренкина для ПТУ принят в качестве идеального , Рис.15.3. внизу : процесс конденсирования 2-3 заканчивается переходом всего влажного пара в жидкость ( в точке 3 x = 0 ),поэтому вместо компрессора используют водяной насос. В цикле Ренкина отношение объемов v₃ /v₂ ≈ 0,001 против ≈ 0,55 в цикле Карно ; соответственно уменьшаются и размеры водяного насоса по сравнению с компрессором ; затраты работы на привод насоса чуть больше 1% против ≈36 % в цикле Карно .

Однако термический к.п.д. цикла Ренкина Ƞ_tP меньше ,чем термический к.п.д. цикла Карно Ƞ_tK. Но общая эффективность ПТУ с циклом Ренкина выше , чем с циклом Карно.

Термический к.п.д. цикла Ренкина , а следовательно , и общая эффективность повышается , если перейти на рабочее тело – перегретый пар вместо насыщенного, Рис.15.5. ниже. В этом случае

Ƞ_tР = ( i₁ - i₂ )/ ( i₁ - i₃ ). …(12.2)

Иногда пар из турбины отбирают и опять подогревают ( до трех раз). Используют и т. наз. “отбросную” теплоту для подогрева теплиц ,озер и т.п..

Термический к.п.д. цикла Ренкина лежит обычно в диапазоне 40 – 50%.

13. Циклы холодильных установок

Система – где путем затраты работы передается тепло от менее нагретых тел к более нагретым. Осуществляется обратный цикл . Это представлено на рис.3.4 в разделе 3. с уравнением (3.5). В такой системе наиболее эффективным циклом является обратный обратимый цикл Карно ,он идеален для оценки степни совершенства циклов реальных холодильных установок.

В настоящее время есть воздушные (газовые) , паровые ,пароэжекторные , абсорбционные , работающие на эффекте Пельтье (электрохолодильники) и т. д. . В любом случае это аппараты для поддержания температур тел ниже температуры окружающей сред ы.

Схема и цикл работы воздушной холодильной установки представлены на Рис.16.3. – Рис.16.5. ниже . Она состоит из компрессора ,охладителя ,детандера и самой камеры холода.

Холодильный коэффициент идеального цикла воздушной холодильной установки

ε = 1 /( T₂ /T₁ - 1) = 1 / (T₃ /T₄ - 1) = T₁ / (T₂ -T₁ ) =T₄ / (T₃ -T ₄ ). …(13.1)

Холодильный коэффициент идеального обратного цикла Карно

ε_K = T₁ / (T₃ – T₁ ) …(13.2) в несколько раз больше. Поэтому цикл воздушной холодильной установки с точки зрения термодинамики является далеко не совершенным. Они мало экономичны и громоздки, т.к . воздух имеет малую теплоемкость , поэтому требуется пропускать в единицу времени его большие массы. Применяются воздушные холодильные установки в настоящее время только для получения глубокого холода ,т.е. для сжижения воздуха или его очистки ( например ,извлечения из воздуха кислорода).

Схема и цикл паровой компрессорной холодильной установки представлены на рисунках ниже.

Рабочее тело (хладоагент) – легкокипящие жидкости, имеющие при всех температурах цикла невысокие давления насыщения. Осовное достоинство цикла состоит в том, что теплообмен происходит с рабочим телом, находящимся в двухфазном состоянии, изобарно – изотермическом. Цикл в большой степени приближен к обратному циклу Карно. Для упрощения схемы установки взамен расширительной машины (детандера) используют редукционный вентиль (дроссель). Энтальпия не меняется, а температура падает ( Т₄ T₃). В испарителе рабочее тело снова испаряется, охлаждая циркулирующий теплоноситель (например, рассол – раствор поваренной соли NaCl). Холодильный коэффициент

ε = (i₁ – i₄)/(i₂ – i₁) = (i₁ - i₃)/(i₂ - i₁) . …(13.3)

В одинаковом диапазоне изменения температур холодильный коэффициент парокомпрессорной холодильной установки близок к коэффициенту обратного цикла Карно. Меньшая ее экономичность обусловлена необратимостью процесса дросселирования 3-4.

Холодильная мощность установки тем больше,чем больше теплота парообразования r теплоносителя при верхней температуре цикла Т_{1 .}

Некоторые хладоагенты : диоксид углерода СО₂ , аммиак NH₃ (наибольшая теплота парообразования r), фреоны –фторхлорпроизводные предельных углеводородов.

Адсорбционные холодильные установки – потребляют для своих процессов тепловую энергию, а не механическую работу , что представлено на Рис. 4-36. справа .

Абсорбция – способность некоторых тел поглощать (абсорбировать) другие тела, сравнительно легкокипящие. Растворы обладают способностью абсорбировать пар раствора одного состава жидким раствором другого состава . Если две жидкости полностью растворяются друг в друге, то температура кипения бинарного раствора зависит от его состава. Пар более богат низкокипящим компонентом. В генераторе (кипятильнике)при подводе тепла q₂ из раствора выпаривается низкокипящий компонент. Он поступает в конденсатор ,где охлаждается проточной водой до жидкого состояния. Затем ,пройдя редукционный вентиль ,он вновь становится насыщенным паром ,но с отрицательной температурой (правда с меньшими давлением и сухостью). Он и охлаждает объект (помещение),где нагревается ,отбирая тепло q₀ , и осушается ( до сухости x ≈ 1). После этого пар поступает в абсорбер, где отдает тепло растворения( с отводом тепла проточной водой). Получившийся раствор вновь идет в генератор. Таким образом, роль компрессора исполняет абсорбционный узел ,нет механической работы.

Рабочих веществ достаточно ,но ранее наиболее употребителен был водо – аммиачный раствор ,где аммиак- легкокипящий холодильный агент ,высококипящий адсорбент – вода. На Западе и на Востоке становятся популярны абсорционные бытовые холодильные установки.

Эффективность работы оценивается коэффициентом использования тепла

ξ = q₀ /q ₂ . …(13.4)

Пароэжекторные холодильные установки –хладоаггент также влажный пар, но сжатие пара на выходе из охлаждаемого объема (помещения) осуществляется не компрессором ,а пароэжекторной установкой Для привода компрессора нужна механическая энергия, а для сжатия пара с помощью эжектора – кинетическая энергия пара .

Струйный компрессор –эжектор служит для сжатия и перемещения газа, пара ,жидкостей. Передается энергия от движущейся с большой скоростью одной среды(рабочая среда) к другой ( подсасываемая среда).

Газ или пар высокого давления расширяется в сопле и поступает в камеру смешения (Фиг.79. справа). Сюда же поступает из всасывающей камеры подлежащая сжатию подсасываемая среда (газ, пар низкого давления). В диффузоре кинетическая энергия струи переходит в потенциальную с повышением давления.Пар из эжектора поступает в конденсатор,где отдает скрытую теплоту испарения охлаждающей воде. Далее образовавшийся конденсат разветвляется на два потока: часть дросселируется и снова поступает в испаритель, другая- насосом подается в котел,где снова кипит, а пар направляется к соплу эжектора Необходимая энергия доставляется рабочим паром ,который ее получает от затраты тепла q₁ в котельной установке.

Холодильный коэффициент цикла

ε = q₀/ (q₁+l_нас) . …(13.5)

Это самый старый тип холодильных установок.