Белозеров В.И. Учебное пособие по курсу Техническая термодинамика (исправлено)

Жидкостные ракетные двигатели широко используются в ракетной, а в ряде случаев и в авиационной технике.

Рассмотрим теперь циклы ядерных ракетных двигателей

(ßÐÄ).

Возможная схема ЯРД изображена на рис. 13.4.12. Рабочее тело, находящееся в жидком состоянии в баке 1, с помощью насоса 2 прокачивается через активную зону ядерного реактора 3, где к рабоче- му телу подводится тепло. Процесс подвода тепла в реакторе происходит при постоянном давлении рабочего тела. Из реактора газообразное рабочее тело поступает в сопло 4, в котором расширяется и затем истекает в окружающую среду.

Другая возможная схема ЯРД представлена на рис. 13.4.13. Жидкое рабочее тело, в котором в виде суспензии или другой смеси находится ядерное горючее (U235 или Pu), из баков 1, снабженных устройствами, предотвращающими цепную реакцию, подается в камеру «сгорания» 2, где масса ядерного горючего превышает критическую и осуществляется цепная реакция. Тепло, выделяющееся при ядерной реакции, нагревает рабочее тело, которое затем расширяется в сопле 3 и истекает во внешнюю среду. Из сказанного ясно, что с термодинамической точки зрения цикл ЯРД аналогичен циклу ЖРД, следовательно, термический к.п.д. определяется уравнением (13.4.12).

Важно подчеркнуть, что в отличие от воздушно-реактивных и ракетных двигателей, работающих на химическом топливе, в ядерных ракетных двигателях рабочее тело не является продуктом сгорания топлива, следовательно, рабочее тело для ЯРД может быть выбрано из соображений наибольшей термодинамической целесообразности.

2 3

1 2 3

1

4

211

Из уравнения для скорости истечения идеального газа из сопла

Из (13.4.14) видно, что наибольшие скорости истечения обеспе- чиваются в случае использования газов с малой молекулярной массой. С этой точки зрения наиболее выгодным рабочим телом для ядерных ракетных двигателей является водород, который при высоких температурах в камере «сгорания» ЯРД диссоциирует на атомарный водород P = 1. Наряду с водородом в качестве возможных рабочих тел ЯРД рассматриваются гелий, водяной пар, водородные соединения легких элементов.

Следует отметить, что хотя тяга ядерных ракетных двигателей невелика по сравнению с тягой химических ракетных двигателей, ядерный двигатель может работать в течение гораздо большего (на много порядков) времени, чем ракетный двигатель с химическим топливом, поэтому ЯРД является перспективным двигателем для управляемых межпланетных космических кораблей. Для старта такого корабля с Земли могут быть использованы двигатели с хими- ческим топливом, а ЯРД включается при полете за пределами земного притяжения.

212

Глава 14

ТЕПЛОСИЛОВЫЕ ПАРОВЫЕ ЦИКЛЫ

14.1.Цикл Карно

Âсовременной энергетике, в основном, используются паровые установки. Наиболее распространенным рабочим телом теплосиловых паровых циклов является вода – самое дешевое и доступное рабочее тело.

Использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла свое агрегатное состояние, позволяет на практике осуществить цикл Карно.

Напомним, что цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Практически осуществление адиабатных процессов не представляет особых трудностей. Внутри двухфазной области состояний чистого вещества изобары совпадают с изотермами, следовательно, изобарный процесс подвода тепла к влажному пару (т.е. парообразование), равно как и изобарный процесс отвода тепла от влажного пара (т.е. конденсация), представляют собой в то же время изотермические процессы. Отсюда следует, что если использовать влажный пар в качестве рабочего тела и осуществить цикл, составленный из двух адиабат и двух изобар (которые в то же время являются изотермами), то это и будет цикл Карно.

Схема тепловой установки, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, представлена на рис. 14.1.1.

Âпаровой котел 1 поступает влажный водяной пар малой степени сухости x. В котле к влажному пару подводится тепло, и степень

213

рогенератора 3, вращаемого турбиной. На выходе из турбины влаж-

ный пар имеет давление P и соответствующую этому давлению тем-

2

пературу T . Далее пар поступает в конденсатор 4 – теплообменник,

2

в котором с помощью охлаждающей воды от пара отводится тепло, пар конденсируется, и степень сухости его уменьшается. Процесс отвода тепла от пара в конденсаторе осуществляется при постоянном давлении. После конденсатора влажный пар поступает в комп-

рессор 5, в котором он адиабатно сжимается до давления P . Затем

1

влажный пар вновь поступает в котел, и цикл замыкается.

И так, от выхода из компрессора до входа в турбину давление

рабочего тела равно P , а на участке от выхода из турбины до входа

1

в компрессор давление рабочего тела равно P . Гидравлическими

2

потерями в первом приближении можно пренебречь.

Описанный цикл изображен на Pv- и TS-диаграммах на рис. 14.1.2 и 14.1.3.

Подвод тепла q к пару в котле осуществляется по изобаре –

1

изотерме 4-1, процесс расширения в паровой турбине – по адиабате

1-2, отвод тепла q в конденсаторе – по изобаре – изотерме 2-3,

2

сжатие пара в компрессоре – по адиабате 3-4. При расширении по адиабате в турбине степень сухости пара уменьшается; при адиабатном сжатии в компрессоре влажность пара увеличивается.

Критическая температура воды сравнительно невысока (374,15°С), невелик и интервал температур между нижней (порядка 25°С) и верхней (340–350°С) температурами цикла. Термический к.п.д. в этом случае

214

Κ 1 25 273,15 0,52.

Тем не менее, с учетом условий работы теплосилового оборудования осуществление этого цикла нецелесообразно, т.к. при работе на влажном паре условия работы проточных частей турбин и компрессоров оказываются тяжелыми и внутренний относительный к.п.д.

этих машин Κ снижается, поэтому внутренний абсолютный к.п.д.

0i

цикла

Κi Κt Κ0i

оказывается сравнительно малым. Кроме этого, компрессор для сжатия влажного пара с малыми давлениями и большими удельными объемами представляет собой весьма громоздкое, не удобное в эксплуатации устройство, на привод которого затрачивается большая энергия. По этим причинам цикл Карно, осуществляемый во влажном паре, не нашел практического применения.

215

осуществляемый до давления P , заканчивается в районе более вы-

2

соких степеней сухости, чем для цикла, изображенного на рис. 14.2.1, поэтому условия работы проточной части турбины оказываются более легкими, и повышаются внутренний относительный к.п.д. тур-

áèíû Κ и внутренний к.п.д. цикла Κ .

0i i

Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной тепло-

энергетике.

Поскольку процессы подвода и отвода тепла в цикле Ренкина осу-

Разность h – h представляет собой располагаемый перепад эн-

12

тальпий, превращаемый в кинетическую энергию потока и затем в

217

насоса. Поскольку адиабата сжатия воды в насосе практически совпадает с изохорой (из-за малой сжимаемости воды), то

Уравнения (14.2.4) и (14.2.6) позволяют с помощью hS-диаграм- мы или таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара определить величину термического к.п.д. обратимого цикла Ренки-

Это соотношение служит для оценочных расчетов циклов низкого давления. Для установок высокого давления величиной работы

насоса пренебречь нельзя.

Выясним, как зависит величина термического к.п.д. цикла Рен-

кина от значений параметров водяного пара.

При одном и том же значении P , T снижение давления (темпе-

1 1

ратуры) в конденсаторе приводит к увеличению Κ .

t

В современных тепловых установках давление в конденсаторе P

2

определяется температурой охлаждающей воды и равно 3,5–5 кПа. Дальше снижать давление нецелесообразно, т.к. возрастает удельный объем пара, что влечет за собой применение конденсатора и последних ступеней турбины больших размеров.

Увеличение P приводит к увеличению Κ , но возрастает влаж-

1 t

ность пара на выходе из турбины, что уменьшает Κ турбины, по-

0i

этому при увеличении начального давления нужно также увеличить температуру пара перед турбиной.

218

14.3. Цикл с промежуточным перегревом пара

Если в турбине течет пар, имеющий большую влажность, то гидродинамический режим проточной части турбины резко ухудшается и поэтому снижается внутренний относительный к.п.д. турбины, что приводит к снижению эффективного к.п.д. всей установки в целом. Для современных турбин степень сухости пара на выходе из турбины должна быть не ниже x = 0,85 ψ0,88.

Одним из способов снижения влажности пара на выходе из турбины является перегрев пара. Применение перегрева пара приводит к увеличению термического к.п.д. цикла и одновременно сдвигает точку 2 (рис. 14.2.4) на выходе из турбины вправо, т.е. в область более высоких степеней сухости.

Для снижения конечной влажности пара применяют промежуточ- ный перегрев пара. После того, как поток пара, совершающий рабо-

ту в турбине, расширится до некоторого давления P* > P , он направ-

2

ляется в дополнительный пароперегреватель, размещенный, например, в газоходе котла, где температура пара повышается до величи- ны T*, после чего он вновь поступает в турбину, где расширяется до

давления P . Как видно из TS-диаграммы на рис. 14.3.2, в этом слу-

2

чае конечная влажность пара снижается.

Схема установки с промежуточным перегревом пара (со вторич- ным перегревом) представлена на рис. 14.3.1. В случае применения промежуточного перегрева турбина выполняется в виде двухцилиндрового агрегата (в наиболее простом случае), состоящего из цилиндров высокого и низкого давления. Внутренний относительный к.п.д. части турбины высокого давления выше, чем части низкого давле-

219

ния. При этом оба цилиндра размещены на одном валу, соединенном

с электрогенератором.

Выражение для термического к.п.д. цикла с промежуточным

перегревом пара можно представить в виде

ΚtÏÏ h1 h7 h8 h9 h5 h3 .

Промежуточный перегрев пара, используемый как средство борьбы с влажностью (высокой) пара в последних ступенях турбины, является и способом повышения термического к.п.д. цикла.

В современных паросиловых установках обычно применяется не только однократный промежуточный перегрев пара, но и многократный.

14.4. Регенеративный цикл

Для повышения термического к.п.д. цикла паротурбинной тепловой установки применяется регенерация тепла. В реальных паросиловых циклах регенерация осуществляется с помощью регенеративных, поверхностных или смешивающих теплообменников, в каждый из которых поступает пар из промежуточных ступеней турбины (так называемый регенеративный отбор). Пар конденсируется в регенеративных теплообменниках РСП1 и РСП2, нагревая питательную воду, поступающую в котел. Конденсат греющего пара также поступает в котел и смешивается с основным потоком питательной воды (рис.14.4.1).

220