9. Цикл пту с адиабатным сжатием влажного пара.

Как отмечено выше, важным достоинством циклов ПТУ является то, что работа питательного насоса очень мала, поэтому полезная работа установки почти равна работе турбины. Этим ПТУ выгодно отличаются от газотурбинных установок (ГТУ) и двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в которых значительная часть полезной работы расширения газа (до 40…60%) затрачивается на его сжатие, что приводит к снижению эффективности работы этих установок в связи с неизбежными потерями в соответствующих процессах.

Однако указанное достоинство циклов ПТУ обусловило главный их недостаток, заключающийся в том, что из-за малой работы насоса температура питательной воды при сжатии повышается незначительно, поэтому подвод теплоты к ней в котле начинается практически от температуры конденсации. Это снижает среднюю температуру процесса подвода теплоты и, следовательно, термический КПД цикла.

Процесс подогрева питательной воды до начала кипения (процесс 4-5), протекающий при низких значениях температуры, в принципе можно заменить изоэнтропным сжатием влажного пара 3'-5 (рис. 9), которое аналогично соответствующим процессам сжатия воздуха в ГТУ и ДВС, однако тогда на сжатие пара придется тратить существенную часть работы расширения,

Рис.9. Сопоставление циклов ПТУ со сжатием жидкости 3-4 и влажного пара 3'-5

получаемой в турбине. Более того, на практике процесс 3'-5 невозможно осуществить, так как при сжатии влажного пара состояния 3' сухой пар отделится от жидкости и будет сжиматься до давления р₁ по изоэнтропе, расположенной параллельно процессу расширения 1-2, начинающейся в состоянии насыщенного пара и полностью протекающей в области перегретого пара. На это потребуется затрачивать больше работы, чем при сжатии всего количества влажного пара в процессе 3'-5. По этой же причине не нашел практического применения цикл Карно, организуемый в области влажного пара, хотя теоретически он возможен и, более того, заманчив своей эффективностью. Тем не менее, поскольку в цикле с изоэнтропным сжатием влажного пара 3'-5 средняя температура подвода теплоты и значение η_t выше, чем в базовом цикле Ренкина, совершающемся в том же интервале температур, получим выражение для термического КПД такого цикла

.

6.12

10. Цикл пту с предельным регенеративным подогревом питательной воды.

Более эффективным методом повышения средней температуры подвода теплоты (а значит и термического КПД) является регенеративный теплообмен, то есть внутренний теплообмен между потоками рабочего тела, находящимися в разных процессах термодинамического цикла установки. На рис.10 изображен в диаграмме Т,s идеальный предельно-регенеративный цикл ПТУ. В этом случае, как и в базовом цикле Ренкина, питательный насос «сжимает» воду (процесс 3-4). Затем вода изобарно нагревается до температуры кипения (процесс 4-5) за счет внутреннего теплообмена с расширяющимся паром (процесс 2'-2).

Рис.10. Идеальный предельно-регенеративный цикл ПТУ

Расширение пара первоначально протекает по изоэнтропе 1-2', а в процессе теплообмена с водой — по линии 2'-2. Ввиду равенства количеств теплоты, отдаваемых паром и получаемых жидкостью, линия 2'-2 эквидистантна изобаре 4-5 или практически совпадающему с ней участку пограничной кривой кипящей жидкости (3-5)..

Благодаря эквидистантности кривых 2'-2 и 4-5 (3-5) справедливо соотношение s₂ — s₃ = s_2΄ – s₅ =s₁ – s₅, и поэтому термический КПД предельно регенеративного цикла равен

.

6.13

то есть совпадает с КПД цикла ПТУ с изоэнтропным сжатием влажного пара (6.12). Естественно, полезная работа, совершенная в двух рассмотренных циклах, также одинакова: хотя в первом случае работа турбины больше, чем во втором, но часть ее затрачивается на сжатие пара в компрессоре.

Для осуществления предельно-регенеративного цикла следовало бы подавать питательную воду в котел, предварительно пропуская её по каналам в корпусе турбины навстречу пару, расширяющемуся от состояния, характеризуемого на диаграмме Т,s точкой 2' (рис.10). Такое усложнение конструкции турбины нереально, к тому же в конце процесса расширения 2'-2 влажность пара существенно превысила бы допустимые пределы. Однако в целом такой регенеративный цикл выгоднее цикла с изоэнтропным сжатием влажного пара, так как в нем сохраняется основное достоинство цикла ПТУ — малая работа сжатия рабочего тела. Поэтому целесообразно искать другие пути, практически реализующие идею регенеративного цикла.