§ 122. Расширение пределов рабочего процесса

В рассмотренном цикле Ренкина (рио. 128) в качестве рабочего тела был использован насыщенный пар. Это создавало возможность сопо­ставления этого цикла с циклом Карно. Однако если для цикла Карно

безразличен выбор рабочего тела (на- ' ft- ; сь;щенный пар, перегретый пар или

_t ^газ)> ^{т0 для} ч^икла Ренкина примене-

4 у '' jl ние в качестве рабочего тела перегре-

fx ТГ ? того пара (даже при той же темпера-

I' \ туре) дает заметное увеличение КПД.

5У 1 Действительно, если представить цикл

Ренкина а-Ь-3-4 (рис. 129) со-

( . \ стоящим из двух- циклов (1-2-3-4 и

—£4? 1-а-Ь-2), причем один из них цикл Ре'н-

^кина ст)Г, а другой цикл Карно сгц , то суммарный r]_f цикла Ренкина а-Ь-3-4 , j! f j⁷ будет иметь какое-то среднее значение

Рис 129. Цикл Ренкина в ,7-диа- lf>4/>4/^P. ™ как всегда т|,^к >r,f.

грамме с перегретым п> ром Таким образом, термическим

КПД цикла Ренкина % при использо­вании в качестве рабочего тела перегретого пара больше КПД того же цикла при работе с насыщенным паром. Если перегрев пара осущест­вить одновременно с увеличением температуры перегрева при сохра­нении давления насыщенного пара, то КПД цикла возрастет допол­нительно. Путь повышения КПД можно проиллюстрировать на м- диаграмме (рис. 130). Действительно, ію si-дңаграмме видно, что КПД

дикла в «ответствии с формулой (702) определится значениями £_lf" Чі, '» которые являются функциями температур и давлений. Так, удель­ная энтальпия пара і_г определяется давлением р, и температурой Т_и i удельная энтальпия питательной воды i₃ — давлением в . конце рас- ;ширения вара в машине (давлением в конденсаторе), г₂ — давлениями pi и ра и температурой T_v Таким образом, термический КПД цикла определяется в основном параметрами р_ъ р₂ и T_L.

Если процесс расширения пара изобразить в ««'-диаграмме, то КПД паросиловой установки представится отношением отрезков 12 и 13, причем отрезок 12 равен разности удельных энтальпий і_г—г₂ и* экв> валентен теплоте, превращенной в работу, а отрезок 13 представляем­ся соответственно разностью удельных энтальпий t'_x — i₃ и эквивален­тен теплоте, затраченной в котлоагрегате на получение пара (рис. 130). Увеличение начального давления пара от р_х Д° Pi ^и Р'[ ^ПР^И постоян­ных температуре 7\ и конечном давлении р₂ приводит к увеличению теплоперепада һ = — г"₂ (1"2" > 1'2' > 12), и следовательно, к уве­личению числителя формулы (702) при уменьшающемся значении зна­менателя. В результате этого увеличивается КПД цикла вследствие роста температуры насыщенного пара и, следовательно, возрастания | средней температуры подвода теплоты к рабочему телу.

Существенным недостатком при повышении КПД цикла за счет по­вышения начального давления пара при сохранении постоянной тем­пературы и давления р₂ является увеличение влажности пара в конце процесса расширения. Это приводит к повышенному разрушению по­верхности лопаток последних ступеней турбины.

На термический КПД цикла Ренкина оказывает влияние темпера­тура 7\ рабочего тела, поступающего в турбину. На рис 130, б по­казаны три отрезка теплоперепада в турбине Һ" >/г' >/г, полученные соответственно при температурах перегретого пара TJ > Т\ > Т_х. По диаграмме видно, что наибольшим из трех рассматриваемых явля­ется КПД при Т\. Повышение его происходит за счет роста средней температуры подвода теплоты. Следует при этом заметить, что при уве­личении начальной температуры пара Т_х одновременно происходит и рост средней температуры отвода теплоты, но этот рост идет менее ин­тенсивно. Следовательно, термический КПД цикла Ренкина при увели­чении начальной температуры 7\ пара увеличивается. Этот путь уве­личения КПД паросиловых установок используется на практике. В на­стоящее время осваиваются установки с температурой перегрева пара, достигающей 873—923 К: Возможность большего увеличения темпера­туры ограничивается жаропрочностью применяемых материалов.

Существенно увеличивает КПД чикла понижение конечного "давле­ния пара при его расширении (давление р₂ ^в конденсаторе). Падение давления р_г соответственно до давлений р\ и р"_г (рис. 130, в) приводит к уменьшению средней температуры отвода теплоты и к увеличению по­лезно используемого теплоперепада от h = t\ —i₂ до Һ' и Һ". В резуль­тате происходит увеличение КПД цикла. К недостаткам такого способа повышения КПД следует отнести увеличение влажности пара в конце процесса расширения.

Приведённый анализ влияния отдельных параметров и свойств ра­бочего тела на КПД парового цикла свидетельствует о том, что рабо­чие тела современных паросиловых установок должны иметь высокие температуры насыщения при сравнительно небольших давлениях; низкие температуры насыщения в конце процесса расширения (при­мерно равные температурам окружающей среды) при легко осущест­вимом в энергетической технике вакууме; малые теплоемкости жидко­сти и большие теплоемкости перегретого пара.

' § 123. Цикл с промежуточным перегревом пара

Повышение начального и уменьшение конечного давлений пара при­водит в цикле Ренкина к нежелательному явлению увеличения влаж­ности пара в конце процесса расширения. Устранить этот недостаток можно либо за счет увеличения температуры перегрева пара, либо за счет повторного перегрева частично отработавшего пара.

Первый способ малоэффективен, так как при 10 МПа и довольно большой температуре перегрева (833 К) степень сухости при конечном давлении 0,005 МПа адийбатно расширенного пара 0,79, а при 20 МПа — 0,74.

|[, Сущность второго способа заключается в том, что перегретый пар |(точка 1 на рис. 130, г), поступивший из котла в турбину,, расширяется [в ней не полностью до давления конденсатора р_а, а до некоторого про­межуточного давления р[, совершая работу /_ц1а = — і_в (рис. 130, г), ;затем выводится из турбины и направляется в пароперегреватель для повторного перегрева. Вторичный перегрев (2-3) обычно производится при постоянном давлении р\. После повторного перегрева пар вновь, направляется в турбину и совершает работу /_цз4 = і₉ — t₄. Точка / соответствует, начальному .состоянию дара, поступивщего из котла; 4 — состоянию пара в конце процесса расширения в турбине после вто­ричного, ,церегрева. с влажностью пара (1 — точка 2^f соответст­вовала бы процессу р^сфир,ения до давлеңи£.р_аг При.отсутствии вто­ричного перегрева, влажность пара .в. точқе составляет (1 — Xr)l после, повторного перегрева, и расширение влажность. _:в точке 4 мень­ше,чем..в точке 2, и составляет, (1—х₄).-при условии, что x_t >

Кроме указанных достоинств повторный .перегрер,пара может .при определенных .условиях привести к повышению КПД ңа 2^-3%. Для . этого повторный перегрев следует организовать так, чтобы средняя ' температура,подвода теплоты ,в цикле 3-4'2'.-2. была выше, чем средняя температура подвода теплоты в цикле с однократным перегревом.

При давлениях, близких к критическому и сверхкритическому, можно применять (и применяют) два (и более) промежуточных перег­рева. Термический КПД цикла, показанного на рис. 130, г, определит­ся по формуле

Пi = l(ii - Һ) Нг («з - һШһ - һ) + (Ч,- ¹*«)Ь ^Г(705)

где (i_x — i₂) и (£₃ — ;₄) — адиабатные теплоперепады соответственно ■ первой и второй ступенях Турбины; (t\ — г₅) и (і_а — іа) — теплоты, подведенные к пару соответственно в котле и первом пароперегревателе и после отбора во втором пароперегревателе. Сумма в числителе этой формулы представляет удельную работу пара в установке с одним шро- межуточным перегревом пара /ц = 12+34= (/_х — /₂) + (^э — Без промежуточного перегрева работа (г_х — «V) пара определяется от­резком 12'. Из диаграммы видно, что /ц больше, чем /_ц = 12 + 22' = (tj — І2-), так как отрезок 34 больше, чем отрезок 22'. Расход пара на совершение 1 МДж работы при наличии вторичного перегрева составит d' — 1000//_ц'. Так как 1'_а > /_ц, то расход пара в ус­тановке с промежуточным перегревом d' меньше, чем без повторного перегрева: d' < d. Удельная теплота, израсходованная на получение пара в установке с повторным его перегревом, определяется суммой (рис. 130, г): q[ = (t'j — і₆) + (t₃ — г₂), а в установке без перегрева .<7, = (t'i — i₅). Следовательно, q[ >q_v Так как одновременно /ц >'_ц, то сделать однозначный вывод о направлении изменения КПД невоз­можно. Как уже отмечалось, направление изменения КПД определится средней температурой подвода теплоты в цикле. Таким образом, экономичность установок с промежуточным перегревом зависит от состояния (температуры) начала перегрева во втором пароперегрева­теле (точка 2) и температуры конца перегрева (точка 3). Помимо эконо- і

мичности (КПД) конечные точки состояния ограничиваются приемлеІ мым значением влажности 1 — х₄. Расход теплоты на 1 МДж работьі в установках с промежуточным перегревом пара определится отношу нивы ft =» d'q[ = 1000/riJ и без промежуточного перегрева q = dq_x^} - 1000/%. j