1.6.5 Идеальный цикл паросиловой установки

Особенностью циклов паросиловых установок (в отличие от ДВС), является то, что продукты сгорания топлива в них играют роль промежуточного теплоносителя, а рабочим телом служит пар (главным образом водяной пар).

Использование пара в качестве рабочего тела имеет ряд осо­бенностей. Так, например, становится технически возможным приме­нение цикла Карно для пара, так как изотермический подвод или отвод тепла в области влажного пара происходит одновременно, при пос­тоянных значениях давления.

Однако, цикл Карно, осуществляемый в области влажного пара, (рисунок 1.28) будет иметь следующие недостатки:

Рисунок 1.28 – Цикл Карно в области влажного пара

– в процессах (1–2) и (3–4) производится адиабатическое сжатие и адиабатическое расширение влажного пара, при осуществлении которых в реальных поршневых (или турбинных) машинах возникают большие потери и имеет место износ рабочих органов. Последнее объясняется на­личием в рабочем теле больших количеств несжимаемой жидкости, которая имеет высокую плотность и движется со значительной ско­ростью;

– температурные пределы при­менения этого цикла ограничены областью влажного пара, так как процесс сжатия (1–2) может быть осуществлен только до линии насыщения;

– применение перегрева пара (3–3^/) в процессе подвода тепла 2–3 невозможно при Т = const.

Изложенные причины приводят к существенному снижению к.п.д. идеального паросилового цикла, вследствие наличия больших потерь и ограничивают возможность повышения к.п.д. этого цикла за счет расширения температурного интервала от T₁ до T_2.

1.6.6 Реальный цикл паросиловой установки – цикл Ренкина

Ввиду низкой практической эффективности идеального цикла паросиловой установки в промышленной теплоэнергетике широко используется реальный цикл паросиловой установки, предложенный Ренкиным.

Для устранения недостатков идеального цикла в цикле Ренкина используются следующие технологические приемы:

– перегрев пара при постоянном давлении Р₁ с целью увеличения средней температуры подвода тепла и осуществления процесса адиабатного расширения, в основном, в области перегретого (сухо­го) пара, что предотвращает потери, связанные с расширением двухфазной смеси;

– полная конденсация пара в процессе отвода тепла с целью замены процесса сжатия двухфазной смеси сжатием жидкости в насосе от давления Р₂ до давления Р₁, что требует значи­тельно меньшего расхода работы и осуществляется с гораздо мень­шими потерями.

На рисунке 1.29 приведена принципиальная схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, и дан вид цикла в T – s – диаграмме.

Вода поступает в парогенератор (ПГ), где при постоянном давлении сначала нагревается до температуры кипения (процесс 4–5), а затем испа­ряется, превращаясь в сухой насыщенный пар (процесс 5–6).

Насы­щенный водяной пар перегревается в пароперегревателе (ПП) (процесс (6–1). С давлением P₁ и температурой T₁ он поступает в паровую турбину (ПТ), где в процессе адиабатического расширения от давления P₁ до давления P₂ (процесс 1–2) совер­шает полезную работу, которая преобразуется в электрическую энер­гию в электрогенераторе (ЭГ).

Рисунок 1.29 – Схема и цикл паросиловой установки Ренкина

Отработанный пар с давлением Р₂ поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется при P₂ =const (процесс 2–3). Давление конденсата P₂ поднимается до давления котловой воды P₁ питательным насосом (ПН) (процесс 3–4), после чего она подается в парогенератор (ПГ).

Для нагревания и испарения воды и перегрева пара в парогенератор подводится тепло q₁, которое получается за счет сжигания органического топлива или в результате тепловыделения от ядерных реакций расщепления тяжелых трансурановых элементов в атомном реакторе.

Конденсатор охлаждается водой, которая отводит в окружающую среду тепло q₂ . В турбине совершается полезная работа, которая на рабочем валу электрогенератора превращается в электрическую энергию. Для привода питательного насоса затрачивается энергия L_H , подводимая извне.

Термический к.п.д. цикла Ренкина определяют из выражения:

где

Так как процессы подвода и отвода тепла происходят при Р = const, то:

L_T = i₁ – i₂ – располагаемая работа потока пара в турбине;

L_H = i₄ – i₃ – работа, расходуемая на привод насоса.

Если пренебречь работой L_H и принять i₄ ~= i₃, то приближенно к.п.д. цикла Ренкина будет равен:

.

Удельный расход пара выработку единицы энергии (10³ кДж) составит:

.

Пути повышения экономичности цикловпаросиловых установок

Влияние параметров на к.п.д. цикла Ренкина.

I. Увеличение начального давления и температуры пара перед турбиной приводит к увеличению средней температуры подвода тепла и увеличивает полезный теплоперепад (i₁ – i₂) в турбине. Все это увеличивает к.п.д. цикла.

Пределы увеличения этих параметров ( P₁ и t₁) в настоящее время ограничены величиной давления 220 бар и темпера­туры 560 - 570 °С по условиям прочности металла труб парогенератора и пароперегревателя.

2. Уменьшение конечного давления пара после турбины увеличивает теплоперепад (i₁ – i₂) и к.п.д. цикла в целом. Предельное значение давления P₂ - 0,03 - 0,04 кПа, что свя­зано с условиями охлаждения, с температурой и расходом охлаждаю­щей воды.

3. Применение вторичного перегрева пара. Применение высоких начальных параметров пара, особенно уве­личение давления, сдвигает конечную точку процесса расширения па­ра в турбине (i₁ – i₂), в область высокой влажности пара (величина X₂ при этом уменьшается).

Повышение влажности пара при расширении вредно действует на последние ступени турбины (эрозионный износ, снижение к.п.д. турбины и т. д.) и ограничивается величиной 13 –14 % (X₂ = 0,86 - 87).

Применение вторичного перегрева пара позволяет уменьшить влажность в конце процесса расширения (рисунок 1.30).

Рисунок 1.30

При этом перегретый пар из парогенератора, поступивший на турбину с параметрами P₁ и t₁, расширяется адиабатичес­ки до промежуточного давления, P₂, процесс (1-2), после чего направляется в промежуточный (или вторичный) пароперегреватель, где повторно перегревается до температуры t₃, процесс (2-3) при давлении P₂ и возвращается в турбину. В турбине этот пар расширяется до конечного давления P₄ и идет в конденсатор.

Конечная влажность после расширения здесь уменьшается (X₄>X₄). К.П.Д. цикла Ренкина с вторичным перег­ревом равен:

При этом если средняя темпе­ратура подвода тепла при вторичном перегреве пара (T_{cp в.n}) будет выше, чем в основной части цикла, то общий к.п.д. цикла Ренки­на увеличится, что даст дополнительно и экономический эффект.

4. К.п.д. цикла Ренкина невысок и при самых лучших условиях равен 0,4 - 0,45 для теоретического цикла, а с учетом потерь в реальных установках равен 0,3 - 0,35. Основная потеря в цикле это q₂, т. к. давление отработанного пара турбин Р₂= 0,03-0,04 ата и температура его t₂ (25 – 30 °С) очень малы, что делает невозможным полезное использование тепла этого пара после тур­бины.

Если увеличить давление Р₂ до 1,5-10 ата, то к.п.д. паросиловой установки снизится, но отработанный пар может быть полезно использован для производственных и бытовых нужд (рисунок 1.31).

Эффективность цикла при этом оценивается по комплексному итогу использования тепла под­водимого в парогенераторе и определяется коэффициентом теплоиспользования:

Для реальных установок К_Т.И = 0,8-0,85. Комбинированная выработка на одной теплосиловой установке электрической энергии и тепло­вой энергии для бытовых и производственных нужд называется тепло­фикацией, а теплосиловые установки, в которых осуществляется та­кая комбинированная выработка тепловой и электрической энергии называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Рисунок 1.31

1.6.7 Термодинамические основы получения искусственного холода

а) Цикл газовой холодильной машины

Применение цикла Карно затрудняется сложностью осуществления изотермического подвода и отвода тепла.

В реальных аппаратах теплообмен происходит при постоянном давлении движущихся сред, разделенных поверхностью теплообмена. Поэтому, цикл газовой холодильной машины состоит из двух адиабат и двух изобар. В качестве холодильного агента в этих машинах используют газ (воздух, углекислота, инертные газы и др.).

Схема и цикл газовой холодильной машины диаграмме Т-S приведены на рисунке 1.32.

Рисунок 1.32

Последовательность процессов в цикле газовой холодильной машины:

1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре (КМ) от давления Р₁ до Р₂, затрачивается работа l_к;

2-3 – изобарное охлаждение сжатого газа в теплообменнике охладителя конденсата (ТО ОК) при Р₂=сonst с отводом тепла q₁ в окружающую среду;

3-4 – адиабатное расширение газа в детандере (ДТ) от Р₂ до Р₁ с совершением полезной работы l_д;

4-1 – изобарный подогрев газа в теплообменнике (ТО ХК) с отводом тепла q₂ из холодильной камеры (ХК).

Затраченная работа равна l=l_к-l_д=q₁-q₂, где q₂-холодопроизводительность.

Холодильный коэффициент газовой холодильной машины равен:

_г= .

Если принять q₁=Т_1срS и q₂=Т_2срS, то:

_г= .

Так как всегда Т_1ср> Т_окр= Т₁ и Т_2ср<Т_хол =Т₂, то:

_г= < ,

где _к – холодильный коэффициент обратного цикла Карно 1-2’-3-4’-1, осуществленного при том же перепаде температур Т_окр и Т_хол, что и цикл газовой холодильной машины;

Т_1ср, Т_2ср – условная среднеинтегральная температура отвода и подвода тепла в цикле газовой холодильной машины.

Газовые холодильные машины, использующие воздух в качестве рабочего тела, были первыми промышленными холодильными установками. В настоящее время в промышленности они вытеснены парокомпрессорными холодильными машинами и применяются только для целей глубокого охлаждения.

Преимуществом газовых холодильных машин является простота устройства, очень низкая стоимость холодильного агента, безопасность работы и др.

Недостатки газовых холодильных машин состоят в низкой экономичности, вследствие чего они были вытеснены парокомпрессорными холодильными машинами.

б) Идеальный цикл парокомпрессорной холодильной машины

Если в качестве холодильного агента использовать пары веществ, кипящих при низких температурах, то возможно осуществление обратного цикла с теплообменом при постоянной температуре и при постоянном давлении одновременно, так как при испарении жидкости (подвод тепла) и при конденсации паров (отвод тепла) температура и давление холодильного агента остаются постоянными.

Обратный цикл, осуществленный в области влажного пара, будет полностью аналогичным циклу Карно и называется идеальным циклом парокомпрессорной холодильной машины (ПКХМ) (рисунок 1.33).

Схема машины аналогична схеме газовой холодильной машины. Рабочим телом в ней являются пары низкокипящих веществ (аммиак, фреон и др.)

Для парокомпрессорной холодильной машины приняты следующие условные обозначения:

Р_к, q_к и Т_к – давление, тепло и температура конденсации паров холодильного агента в процессе отвода тепла;

Р_о, q_о и Т_о – давление, тепло и температура испарения жидкого холодильного агента в процессе подвода тепла.

Величина q_о является так же холодопроизводительностью ПКХМ.

Так как в процессах 4-1 и 2-3 давление постоянно, то q_2-3 =i₂-i₁ = =q₁ = q_к, а q_4-1=i₁-i₄=q₂=q_о.

Кроме того, для компрессора и детандера справедливо равенство l_к=i₂--i₁ и l_д=i ₃-i ₄, а работа затраченная в цикле l=l_к-l_д.

Холодильный коэффициент идеального цикла ПКХМ равен холодильному коэффициенту цикла Карно, откуда:

_п=

_п= .

Подставляя значение количества тепла имеем:

_п= .

в) Расчет рабочего режима холодильной установки

Рабочий режим холодильной установки характеризуется температурами кипения t_о, конденсации t_к, переохлаждения (жидкого хладагента перед регулирующим вентилем) t_п, всасывания (пара на входе в компрессор) t_вс.

Температуру кипения хладагента принимают в зависимости от температуры воздуха в охлажденном объекте. При непосредственном охлаждении температура кипения обычно на 710 С ниже температуры воздуха в камере:

t_о = t_в – (710). С

В рассольных схемах температуру кипения хладагента принимают на 56 С ниже температуры рассола, которую в свою очередь принимают на 810 С ниже температуры воздуха в камере, т. е.:

t_р1 = t_в – (810); С

t_о = t_р – (56). С

Остальные температуры выбираются так же, как и для системы непосредственного охлаждения.

Температура воды на входе в конденсатор зависит от внешних условий:

t_вд1 = t_н - (46), С

где t_н – средняя летняя температура наружного воздуха,С.

Нагрев воды в конденсаторе принимается до 5С, тогда:

t_вд2 = t_вд1 + 5. С

Температуру конденсации принимают на 35 С выше температуры воды, отходящей от конденсатора:

t_к = t_вд2 + (35). С

Выбор разности температур в конденсаторе должен быть экономически обоснован, чтобы затраты были минимальными, поэтому для машин, работающих на хладонах, средние разности температур между хладагентом и водой примерно вдвое больше, чем для машин, работающих на аммиаке.

Температура переохлаждения хладагента перед регулирующим вентилем выше температуры подаваемой в переохладитель воды на 35С:

t_по = t_вд1 + (35). С

Свежая вода подается на переохладитель, а затем добавляется к оборотной воде, поступающей в конденсатор.

Для исключения влажного хода компрессора пар перед компрессором перегревается. Безопасность работы обеспечивается при перегреве пара:

– для аммиака t_вс = t_о + (515)С;

– для хладонов t_вс = t_о + (2030)С,

при этом верхний предел относится к хладону -12, а нижний – к хладону-22.

Построение процесса в i-lgP диаграмме (рисунок 1.34) проводится на основании принятых значений температур в характерных точках цикла в следующей последовательности:

Рисунок 1.34 – Построение цикла ПКХМ в i-lgP диаграмме

1. На i-lgP диаграмму наносят изотермы, определяющие режим работы установки - t_о, t_к, t_по, t_вс.

2. По температурам t_о и t_к находят соответствующие изобары Р_о и Р_к в области перегретого пара и переохлажденной жидкости.

3. В результате построения на диаграмме получены опорные точки:

1’– на пересечении изотермы t_о с линией сухого насыщенного пара;

2’ – на пересечении изотермы t_к с линией сухого насыщенного пара;

3’ – на пересечении изотермы t_к с линией жидкости;

3 – на пересечении изотермы t_по с изобарой Р_к в области переохлажденной жидкости.

4. На пересечении линий t_вс и Р_о в области перегретого пара находят точку 1, определяющую состояние пара, всасываемого компрессором.

5. Через точку 1 проводят линию постоянной энтропии (адиабату) до пересечения с изобарой Р_к в точке 2, которая определяет состояние пара в конце сжатия.

6. Точка 4 находится на пересечении линии постоянной энтальпии, проходящей через точку 3, с изотермой t_о и изобарой Р_о в области влажного пара. Точка 4 характеризует состояние хладагента после дросселирования в регулирующем вентиле.

Процессы, изображенные в диаграмме:

4-1’ – кипение в испарителе при t_о и Р_о. Принято, что из испарителя выходит сухой насыщенный пар;

1’-1 – перегрев пара на всасывании от t_о до t_вс при постоянном давлении Р_о;

1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре;

2-3’ – процесс отвода тепла в конденсаторе, который можно разделить на два процесса:

2-2’ – охлаждение пара до состояния насыщения (сбив перегрева) при постоянном давлении Р_к;

2’- 3’ – конденсация хладагента при t_к и Р_к;

3’- 3 – переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе, переохладителе или теплообменнике от t_к до t_по при давлении Р_к;

3 - 4 – дросселирование хладагента в регулирующем вентиле от Р_к до Р_о по линии постоянной энтальпии.

По таблицам насыщенных паров, в зависимости от типа хладагента определяют параметры точек, находящихся на пограничных кривых (для сухого насыщенного пара и для насыщенной жидкости) и в области переохлажденной жидкости:

1’– при t_о для сухого насыщенного пара;

2’ – при t_к для сухого насыщенного пара;

3’ – для жидкости при t_к;

3. – для жидкости по t_по .

Параметры точек 1, 2 и 4 определяют по диаграмме согласно построению:

1. в области перегретого пара на пересечении линий Р_о и t_вс;

2. в области влажного пара на пересечении линий S₁=соnst и Р_к;

4- в области влажного пара на пересечении линий i₃=сonst и t_о, Р_о.

2- Введение

Процесс передачи тепла является важным условием осуществления любого термодинами­ческого цикла, т. к. в соответствии со 2-м законом термодинамики, любой термодинамический цикл должен иметь процессы подвода и отвода тепловой энергии. Многие технологические процессы также включают теплообмен, например процессы подогрева и охлаждения продукта, процессы сушки, выпарки и т. д. Теплообмен многократно осуществляется в системах промышленного и коммунально-бытового теплоснабжения, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Из изложенного следует, что теория теплообмена имеет большое практическое значение для правильного применения процессов получения, использования и преобразования тепловой энергии.

Перенос тепла от одного тела к другому происходит под воздействием разности температур, от большей температуры к меньшей, и может быть осуществлен тремя способами.

1. Теплопроводность

Теплопроводностью называется процесс распространения тепла путем непосредственного соприкосновения частиц тела (молекул, атомов, электронов), неподвижных относительно друг друга. Таким путем тепло передается в твердых телах или неподвижных тонких слоях жидкости или газа.

Из определения видно, что теплопроводность является процессом малой интенсивности. Скорость передачи тепловой энергии при теплопроводности невелика и зависит от разности температур между соседними частицами, обменивающимися энергией, т. е. от интенсивности изменения температуры в направлении распространения тепловой энергии.

2. Конвекция

Конвекцией называется перенос тепла в пространстве движущимися частицами жидкости, газа или твердых тел. Конвекция бывает свободной (естественной) и вынужденной. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. На заключительном этапе, когда движущиеся частицы жидкости или газа передают тепловую энергию неподвижным частицам твердого тела при непосредственном соприкосновении. Такой комбинированный процесс переноса тепла, включающий конвекцию в жидкости и теплопроводность на границе между жидкостью и твердой стенкой, называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. Теплоотдача является основным видом переноса тепловой энергии от жидкости или газа к твердой поверхности и обратно.

Конвекция является процессом переноса тепловой энергии большей интенсивности, скорость которого зависит от скорости движения частиц жидкости или газа в пространстве, т. е. при вынужденной конвекции эта скорость практически ничем не ограничена.

Интенсивность процесса конвективного теплообмена ограничивается процессом теплопроводности на границе жидкости с твердой поверхностью и в пограничном слое относительно неподвижных частиц жидкости, прилегающем к твердой поверхности. Интенсивность конвективного теплообмена может быть увеличена при увеличении скорости движения жидкости относительно твердой поверхности, что способствует уменьшению толщины пограничного слоя.

3. Тепловое излучение

Тепловым излучением называется процесс переноса тепла в пространстве в форме энергии (электромагнитных колебаний) без непосредственного соприкосновения тел. Лучистая энергия, испускаемая одним телом, проходит сквозь прозрачную среду, поглощается другим телом, превращаясь в тепло. При переносе тепла за счет теплового излучения происходит двойное преобразование энергии.

На первом этапе тепловая энергия на поверхности первого тела в результате сложных внутриатомных процессов (переход электронов на более низкий энергетический уровень и т. д.) частично преобразуется в энергию электромагнитных колебаний, которая излучается с поверхности первого тела в пространство и распространяется в нем со скоростью света. На втором этапе энергия электромагнитных колебаний (энергия излучения) попадает на поверхность другого тела и вновь преобразуется в тепловую энергию.

Интенсивность теплового излучения определяется количеством излучаемой энергии с поверхности тела, которое, в свою очередь, увеличивается с увеличением температуры тела. Поэтому процесс теплового излучения наиболее эффективно может быть использован при высоких температурах тел (топки котлов, печей и др.).

На практике, когда разные виды переноса тепла встречаются одновременно, такие процессы переноса тепла называются сложным теплообменом.

В зависимости от характеристики течения процессы теплообмена происходят при установившемся (стационарном) режиме, когда температуры во всех точках постоянные во времени и неустановившемся (нестационарном) режиме.

Теплообмен обычно рассматривают при установившемся режиме, за исключением процессов нагревания и охлаждения тел.