Добавил:

InExtremo2023 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Обнинский институт атомной энергетики НИЯУ МИФИ

Предмет:

Техническая термодинамика

Файл:

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

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

04.12.2020

Размер:

2.39 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 / 1311 12 13 > Следующая >>>

13.4. Циклы реактивных двигателей

Реактивный двигатель представляет собой устройство, в котором химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струи рабочего вещества (газа), расширяющегося в соплах. Струя создает силу тяги за счет реактивного действия рабочего тела, вытекающего из двигателя в сторону, противоположную движению летательного аппарата.

Пусть М – масса газа, вытекающего из сопла реактивного дви-

гателя за время 'W, W – скорость истечения этого газа относитель-

но аппарата, F – сила тяги реактивного двигателя, тогда в соответствии со вторым законом Ньютона

F'W M W

èëè

F	M	W	G W .

	'W

Реактивные двигатели подразделяются на две основные категории – ракетные двигатели и воздушно-реактивные двигатели.

Воздушно-реактивные двигатели (ВРД) пригодны для работы только в атмосфере Земли, а ракетные двигатели могут работать как в атмосфере, так и в космическом пространстве.

Рассмотрим вначале циклы воздушно-реактивных двигателей (ВРД). По принципу действия ВРД делятся на компрессорные и бескомпрессорные.

Схема ВРД с турбокомпрессором представлена на рис. 13.4.1. В турбокомпрессорном воздушно-реактивном двигателе (ТРД)

жидкое топливо, подаваемое из топливных баков, сгорает в камере

Ðèñ. 13.4.1

CP T6 T1 CP T5 T1 CP T5 T6

(13.3.25)

CP T5 T1 CP T3 T2 ,

тогда

RT ln

. (13.3.26)

Термический к.п.д. цикла

RT ln

. (13.3.27)

CP T4 T3

Разделив числитель и знаменатель на C T и учитывая, что

P 1

T = T , получим

§T

1¸

©T2

(13.3.28)

Обозначая

E è

J , найдем, чему равны отношения тем-

ператур в уравнении (13.3.28), учитывая, что U

§ P5

k 1

§ P1

k 1

T4 T3

k 1

T4 T3 T2

P4 ¹

UJ.

Заменяя в уравнении (13.3.28) для K отношения давлений и тем-

ператур через E, U и J, получаем

204

201

203

|0,5

0,78

безреген

реген

газ,теплоемкостькоторогонезависитот.температуры

ложенииобратимостицикловичторабочимтеломбылидеальный

то,чтоанализэффективностиэтихустановокпроводилсявпредпо-

Заканчиваярассмотрениециклов,следуетобратитьвниманиена

ìàêñ

,.å.òïðè

Предельновозможнаястепеньрегенерацииимеетместопри

.3.(1335)

откуда

UJEk

JEk

UJ,

Такимобразом,

èëè

.å.ò

§P

Изуравненийадиабатдляпроцессов1-2и4-5

Выразимотношениятемпературвуравнении.3.(1334)через

.3.(1334)

1¸

§T

лучаем

Поделивчислительизнаменательуравнения.3.(1333)наCT,по-

202

.3.(1333)

Термический.д.п.кцикла

.3.(1332)

,òî

íî.ê.òC

.3.(1331)

отводимоетепло

.3.(1330)

.Ðèñ9.3.13

Подводимоетепло

площадьюa-2-3-b-a.

моеврегенераторесжатымвоздухом,–

щадьюc-6-5-d-c,атепло,воспринимае-

выхлопнымигазами,изображаетсяпло-

Тепло,отдаваемоеврегенераторе

.9.3.13.ðèñ

рамматакогоциклаизображенана

адиабатномсжатии.воздухаTS-диаг-

ниемприP=constсрегенерациейпри

.д.п.кгазотурбиннойустановкисосгора-

Определимтеперьтермический

							кое.значение
цияназывается.полнойЭтотслучайможетиметьлишьтеоретичес-
тавшихгазовиспользуетсядляподогрева.воздухаТакаярегенера-
				1		2
					T	T	ìàêñ
.Приэтомвсерасполагаемоетеплоотрабо-							тельно,J
.Приэтомвсерасполагаемоетеплоотрабо-					5	5	тельно,J
					T	T
=1и,следова-	V	Припредельномзначениистепенирегенерации
	V
		личинурегенерации,темвышетермический.д.п.к
,характеризующееве-			J	откудаследует,чточембольшезначение
			J

.3.(1329)

lnE

		Пульсирующий бескомпрессор-
3
P		ный реактивный двигатель снабжа-
		ный реактивный двигатель снабжа-
q		ется специальным устройством кла-
1		ется специальным устройством кла-
		панного типа, поэтому процесс сго-
2		рания происходит при постоянном
2
		объеме (рис. 13.4.7). Для этого дви-
		гателя характерна периодичность
	4	действия, чем и объясняется его
		действия, чем и объясняется его
1	q
	q	название. Двигатели типа ПуВРД не
	2

	v
		получили широкого распростране-
Ðèñ. 13.4.7		ния из-за конструктивной сложнос-
		òè.
Перейдем теперь к рассмотрению циклов ракетных двигателей.
Ракетные двигатели подразделяются на двигатели с химичес-
ким топливом и ядерные ракетные двигатели. В свою очередь, дви-
гатели с химическим топливом делятся на две основные группы –
ракетные двигатели с твердым топливом (РДТТ) и жидкостные ра-
кетные двигатели (ЖРД).
В РДТТ твердое топливо (обычно разные сорта порохов), содер-
		жащее в себе и горючее, и окислитель,
1		воспламеняется при запуске ракеты и
2	3
		постепенно выгорает, образуя газооб-
		разные продукты сгорания, истекаю-
		щие из сопла. Схема РДТТ представ-
		лена на рис. 13.4.8; здесь 1 – камера
		сгорания, 2 – твердое топливо, 3 – со-
Ðèñ. 13.4.8
		пло. Идеализированный цикл такого
		двигателя изображен на рис. 13.4.9.
P		В момент запуска двигателя давле-
		ние газообразных продуктов сгорания
3		твердого топлива мгновенно повышает-
2
		ся от атмосферного P до давления P
		1	2
		(десятки и даже сотни атмосфер). Про-
		цесс происходит настолько быстро, что
		его можно считать изохорным (линия
	4	1-2, рис. 13.4.9). Подвод тепла к продук-
1		1-2, рис. 13.4.9). Подвод тепла к продук-
1
		там сгорания можно считать изобар-
	v
		ным (линия 2-3). Затем газообразные
Ðèñ. 13.4.9		продукты сгорания адиабатно расши-
208

сгорания 1, и затем продукты сгора-	P	q
		1
ния, расширившись в сопле 2, выбра-
сываются во внешнюю среду. Окис-	2	3
сываются во внешнюю среду. Окис-
	P
лителем служит кислород воздуха.	2
лителем служит кислород воздуха.
		b
Для повышения к.п.д. двигателя воз-
дух предварительно сжимают. Заса-
сываемый из атмосферы через диф-
		a
фузор 3 воздух сжимается осевым	P	4
	1
или центробежным компрессором 4 и		1
или центробежным компрессором 4 и		q
		2
затем поступает в камеру сгорания.		v
Компрессор расположен на одном
		Ðèñ. 13.4.2
валу с газовой турбиной 5 (турбоком-
прессор), поэтому часть работы турбины расходуется на вращение
его лопаток.
Цикл турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя
(ТРД) представлен на Pv-диаграмме (рис. 13.4.2).
При движении реактивного двигателя самолета с большой ско-
ростью воздух частично сжимается за счет адиабатного торможе-
ния в диффузоре (1-а). Затем воздух сжимается в турбокомпрессо-
ре адиабатно а-2. Потом к рабочему телу подводится тепло q ,
		1
выделяющееся при сгорании топлива (изобара 2-3). Расширение по
адиабате происходит вначале в газовой турбине (3-b), а затем в ре-
активном сопле (b-4). Цикл замыкается изобарой 4-1 при давлении,
равном атмосферному.
Из сказанного следует, что цикл ТРД принципиально ничем не от-
личается от цикла газотурбинной установки со сгоранием при P =
const. ТРД в настоящее время является основным типом двигателя
для скоростных самолетов.
В бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателях (ВРД)
сжатие воздуха осуществляется только за счет торможения набе-
гающего потока воздуха.
Бескомпресорные ВРД подразделяются на
• прямоточные бескомпрессорные двигатели (ПВРД);
• пульсирующие бескомпрессорные двигатели (ПуВРД).
Схема ПВРД представлена на рис. 13.4.3. Сжатый в диффузоре
1 от атмосферного давления P до давления P воздух поступает в
1		2
камеру сгорания 2, в которую впрыскивается топливо. Процесс сго-
рания происходит при практически постоянном давлении. Продукты
сгорания, имеющие высокую температуру, истекают из сопла 3.

205

207
					.Ðèñ6.4.13
	телямидлясообщениясамолетуначальной.скорости
самолетысПВРДснабжаютсяспециальнымистартовымиускори-
кий.д.п.кдвигателяравеннулюидвигательнеработает,поэтому
Прискоростиполета,равнойнулю(взлетсамолета),термичес-
						гательработаеткак.дозвуковой
сячастьсоплаЛаваляиконусвдиффузоренеиспользуются,идви-
Придозвуковомрежимеполета(взлет,посадка)расширяющая-
						сверхзвуковогосопла.Лаваля
фузором.отпадаетЧтожекасаетсясопла,тооновыполняетсяввиде
Вэтомслучаенеобходимостьвсуживающейсянасадкепереддиф-
отсверхзвуковойдодозвуковойскоростиещедовходав.диффузор
нусом,которыйобеспечиваетгазодинамическуюперестройкупотока
					тымнавстречупотокуострымко-
	.Ðèñ5.4.13				диффузорыснабжаютсявыдвину-
					диффузорыснабжаютсявыдвину-
1000	600	200			Воизбежаниепотерьэнергии
						стейпредставленанарис..6.4.13
1
w			0,1		маПВРДдлясверхзвуковыхскоро-
			0,1		маПВРДдлясверхзвуковыхскоро-
					ПВРДсдозвуковой.скоростьюСхе-
			0,3		лета.различнаМырассмотрели
			0,3
					выхисверхзвуковыхскоростейпо-
					КонструкцияПВРДдлядозвуко-
			0,5
								нарис..5.4.13
					5),.4.(13приведенаввидеграфика
			0,7		уравнению		ïî	подсчитанная
					уравнению		ïî	подсчитанная
		t			.д.п.кПВРДотскоростиполета,
		Κ			.д.п.кПВРДотскоростиполета,
		Κ
					термического			Зависимость
			1
			2	w		1
			2
			P1		2C
			T		2C	t
.4.(135)			.			t
.4.(135)					1	Κ
						Κ

					1	2
		ростьювкамересгорания(w<<w),получаем
Подставляяэтовыражениевуравнение.4.(131)ипренебрегаяско-

																							206
									1		P	2C
									T			2C						1
							2							1				1		2
.4.(134)						.	w2							w2						T
.4.(134)													1							1
																				1
																				T
																						откуда
.4.(133)				2,			2											1	2		P
.4.(133)									1							TT						C
									1							TT						C
				2	w				2	w
				2					2
																							èëè
						1					2					P	C		1		2
							T				T						C		h			h

																						ñàòü,÷òî
ния.соответственноСчитаявоздухидеальнымгазом,можнозапи-
																						2	1
иh–энтальпиивоздуханавходевдиффузорикамерусгора-																							ãäåh
											2								1	2
.4.(132)					,		2							1					h	h
							2	w					2		w
							2						2
														2
					духанавходевкамерусгоранияw,тогда
							1
аскоростьдвижениявоз-							ëåòà)w,
																						.Ðèñ4.4.13
потокавоздуха.е.(тскоростьсамо-
Пустьскоростьнабегающего																			v
Пустьскоростьнабегающего																						2
																						2
									2													q
–послеадиабатного.сжатия											òèÿ,T											1
										1												1
										1												4
–температуравоздухасжа-											ãäåT											4
		2
.4.(131)	,	T	1	t
.4.(131)	,	1		Κ
		1		Κ
		T
			гающегопотока)
ростисамолета(отскоростинабе-																						3	2
ростисамолета(отскоростинабе-
ческого.д.п.кциклаПВРДотско-																						1	P
																						q	P
																						q
Получимзависимостьтерми-
																						.(ðèñ4.13..4)
Замыкаетсяциклизобаройохлажденияпродуктовсгорания4-1

.Ðèñ3.4.13

3	1
	2

Из уравнения для скорости истечения идеального газа из сопла

k 1

· k

k 1 1

получаем для случая истечения в вакуум, т.е. для P = 0

(13.4.13)

k 1

1 1

или, что то же самое,

RT .

(13.4.14)

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

ряются в сопле (3-4). Цикл замыкается изобарой 4-1 (охлаждение
продуктов сгорания в окружающей среде). В камере сгорания про-
дукты сгорания твердого топлива имеют настолько высокую плот-
ность по сравнению с газами, истекающими из сопла, что изохора 1-
2 совпадает с осью ординат (рис. 13.4.9).
Схема ЖРД изображена на рис. 13.4.10. В камеру сгорания 1 по-
дается жидкое топливо из топливного бака 2 и окислитель из бака 3
с помощью насосов 4 и 5. Газообразные продукты сгорания истека-
ют из сопла 6 в окружающую среду.
	2	4
			1
	3	5		6
		Ðèñ. 13.4.10
Pv-диаграмма идеализированного цикла ЖРД представлена на
ðèñ. 13.4.11.
Жидкие топливо и окислитель подаются в камеру сгорания под
давлением P , поэтому вместо сжатия газообразного рабочего тела
2
в ЖРД осуществляется сжатие жидких компонентов этого рабоче-
го тела. Поскольку жидкость – практически несжимаемая, то сжа-
тие компонентов горючей смеси можно считать изохорным, а т.к.
плотность жидкости гораздо выше плотности продуктов сгорания, то
изохора 1-2 практически совпадает с осью ординат. Изобара 2-3 со-
ответствует процессу подвода тепла в камере сгорания, адиабата
3-4 – расширению в сопле, изобара 4-1 (давление окружающей сре-
ды) замыкает цикл. Таким образом,
цикл ЖРД аналогичен циклу РДТТ.			P	q
				q
Термический к.п.д. идеализиро-				1
Термический к.п.д. идеализиро-
ванного цикла ЖРД можно подсчи-				3
				3
тать следующим образом.			2
			2
Подводимое тепло q		определя-
		1
åòñÿ êàê
q1	h3 h 2,	(13.4.6)		4
			1	4
где h – жидкие топливо + окисли-				q
где h – жидкие топливо + окисли-				2
2
тель, h – газообразные продукты				v
тель, h – газообразные продукты
3
сгорания.				Ðèñ. 13.4.11
				209

211
	.Ðèñ13.4.13	.Ðèñ12.4.13

		4
		4


			1
				3	2	1
				3	2	1
3	2				.разности
3


выбраноизсоображенийнаибольшейтермодинамическойцелесооб-
раниятоплива,следовательно,рабочеетелодляЯРДможетбыть
ныхракетныхдвигателяхрабочеетелонеявляетсяпродуктомсго-
ракетныхдвигателей,работающихнахимическомтопливе,вядер-
Важноподчеркнуть,чтовотличиеотвоздушно-реактивныхи
					4.(13..12)
следовательно,термический.д.п.копределяетсяуравнением
термодинамическойточкизренияциклЯРДаналогиченциклуЖРД,

ñчто ясно, сказанного Из .среду внешнюю во истекает и 3 сопле

âрасширяется затем которое тело, рабочее нагревает реакции, ной -ядер при выделяющееся Тепло, .реакция цепная осуществляется и критическую превышает горючего ядерного масса где 2, «сгорания» камеру в подается реакцию, цепную предотвращающими тройствами, -ус снабженных 1, баков из Pu), или 235(U горючее ядерное ходится -на смеси другой или суспензии виде в котором в тело, рабочее кое -Жид .13.4.13 .рис на представлена ЯРД схема возможная Другая

		изатемистекаетвокружающую.среду
образноерабочеетелопоступаетвсопло4,вкоторомрасширяется
исходитприпостоянномдавлениирабочего.телаИзреакторагазо-
мутелуподводится.теплоПроцессподводатеплавреакторепро-
качиваетсячерезактивнуюзонуядерногореактора3,гдекрабоче-
находящеесявжидкомсостояниивбаке1,спомощьюнасоса2про-
ВозможнаясхемаЯРДизображенанарис..12.4.13Рабочеетело,
						.(ßÐÄ)
Рассмотримтеперьциклыядерныхракетныхдвигателей
	ной,аврядеслучаевивавиационной.технике
Жидкостныеракетныедвигателиширокоиспользуютсявракет-
		1		3	2h
	.	h				t
.4.(1312)			w			Κ\|

		2

210

ческого.д.п.кЖРДможетбытьзаписано Сучетомсоотношения.4.(1311)уравнение.4.(1310)длятерми- гдеw–скоростьистеченияпродуктовсгоранияизсопла.ЖРД

.4.(1311)	,	2			4	h		3	h
.4.(1311)	,		w			h			h
		2	w
		2
										сопло,получим
сопла,то,пренебрегаяскоростьюпродуктовсгораниянавходев
ческуюэнергиюпродуктовсгораниявпроцессеихистеченияиз
	4			3
Посколькуразностьэнтальпий(h–h)превращаетсявкинети-
		1		h	3
.4.(1310)	.	4		h	h		\|		t	Κ
.4.(1310)	.	4			3		\|			Κ
				h	h
										.пренебречьСучетомэтого

–h)вуравнении.4.(139)можно											топлива,поэтомувеличиной(h
посравнениюсколичествомтепла,выделяющегосяприсгорании
мамалы,торабота,затрачиваемаянаихсжатие,пренебрежимомала
Посколькуудельныеобъемыжидкихтопливаиокислителявесь-
иокислителю,аg–массоваядолятопливавгорючей.смеси
гдеиндексы«топл»и«окисл»относятсясоответственноктопливу
		,	2	h										2	gh		2		h

			окисл				1g					òîïë
		,	1											1				1
				h											gh				h
			окисл	h			1g					òîïë			gh				h
	чейсмесивизохорномпроцессе1-.2Очевидно,что
насосами4и5наповышениедавленияжидкихкомпонентовгорю-
														1			2
–h)эквивалентнаработе,затрачиваемой																	Разностьэнтальпий(h
			1			2				1			3
.4.(139)	.	h				h					h			h			t	Κ
.4.(139)	.		1		2					4				3				Κ
		h				h					h			h
																			èëè
					2			3
.4.(138)			,			h		h		1				t		Κ
.4.(138)			,		1			4		1						Κ
						h		h
	Сучетом.4.(136)и.4.(137)термический.д.п.кцикла
						1			4	h			2	q
.4.(137)						.	h			h				q
.4.(137)
																			Величина

ления P до давления P . Этот адиабатный процесс изображен вер-
2	1
тикальным отрезком 3-5.
Длина отрезка 3-5 на TS-диаграмме весьма мала из-за близости
изобар в области жидкости; при изоэнтропном сжатии воды, находя-
щейся при температуре 25°С и давлении насыщения 3,1 кПа, до дав-
ления 294 бар температура воды возрастает менее, чем на 1°С, и
можно считать, что в области жидкости изобары воды практически
совпадают с левой пограничной кривой.
Из насоса вода под давлением P поступает в котел, где к ней в
		1
изобарном процессе P = const подводится тепло. Вначале вода в
	1
котле нагревается до кипения (участок 5-4 изобары P = const), а
						1
затем, по достижении температуры кипения, происходит процесс
парообразования (участок 4-1 изобары Р = const). Сухой насыщен-
		1
ный пар, полученный в котле, поступает в турбину. Процесс расши-
рения в турбине изображается адиабатой 1-2. Отработавший влаж-
ный пар поступает в конденсатор, и цикл замыкается.
Термический к.п.д. цикла Ренкина меньше, чем цикла Карно, но
замена громоздкого компрессора для сжатия влажного пара компак-
тным водяным насосом существенно снижает затраты на сооруже-
ние теплосиловой установки и упрощает ее эксплуатацию.
Для увеличения термического к.п.д. цикла Ренкина применяют так
называемый перегрев пара в специальном элементе котла – паро-
перегревателе (ПП), где пар нагревается до температуры, превы-
шающей температуру насыщения при данном давлении P (рис.
						1
14.2.2). В этом случае средняя температура подвода тепла в цикле
без перегрева и, следовательно, термический к.п.д. цикла возрастают.
Èç ðèñ. 14.2.3, 14.2.4 è
14.2.5 видно, что в случае цик-
ла с перегревом процесс рас-		T
ла с перегревом процесс рас-
ширения пара в турбине 1-2,						1
		T
		1				P = const
					6	P = const
			4		6	1
			4
					x	P = const
						P = const
					=	2
	ÏÏ	5			co
		5			co
		T			n
		5			st
					st
		T				x = 1
		2	3		2
			3		2
		x = 0,3
			a			b
		S			S	S
			3			1
	Ðèñ. 14.2.2			Ðèñ. 14.2.3
216

			Глава 14
ТЕПЛОСИЛОВЫЕ ПАРОВЫЕ ЦИКЛЫ
		14.1. Цикл Карно
В современной энергетике, в основном, используются паровые
установки. Наиболее распространенным рабочим телом теплосило-
вых 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 Кар-
íî.
Напомним, что цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изо-
терм. Практически осуществление адиабатных процессов не пред-
ставляет особых трудностей. Внутри двухфазной области состояний
чистого вещества изобары совпадают с изотермами, следователь-
но, изобарный процесс подвода тепла к влажному пару (т.е. парооб-
разование), равно как и изобарный процесс отвода тепла от влажно-
го пара (т.е. конденсация), представляют собой в то же время изо-
термические процессы. Отсюда следует, что если использовать
влажный пар в качестве рабочего тела и осуществить цикл, состав-
ленный из двух адиабат и двух изобар (которые в то же время явля-
ются изотермами), то это и будет цикл Карно.
Схема тепловой установки, в которой осуществляется цикл Кар-
но на влажном паре, представлена на рис. 14.1.1.
В паровой котел 1 поступает влажный водяной пар малой степе-
ни сухости x. В котле к влажному пару подводится тепло, и степень
		сухости пара повышается до значений x,
	3	близких к единице. Процесс подвода тепла
	2	в котле происходит при постоянных давлении
		P и температуре T .
		1	1
1			Из котла пар поступает в паровую турби-

		ну 2. При расширении в турбине поток пара
5	4	приобретает значительную кинетическую

		энергию, которая превращается в кинетичес-
		кую энергию вращения рабочего колеса и
Ðèñ. 14.1.1		затем в электроэнергию с помощью элект-

213

215
	.Ðèñ1.2.14			водасжимаетсянасосомотдав-
				водасжимаетсянасосомотдав-
					2
S				=const(точка3),затем	áàðåP
S	x=const
	x=const			полностьюконденсируетсяпоизо-
				полностьюконденсируетсяпоизо-
	2	3	2	Влажныйпарвконденсаторе
			2
			T
				изображенанарис..1.2.14
			5	TS-диаграммациклаРенкина
2			1	TS-диаграммациклаРенкина
2			T
P=const			T
P=const				ифизикомР..Клаузиусом
	1	4		ифизикомР..Клаузиусом
	1
	k			ландскиминженером.УРенкиным
	1			ложенпочтиодновременношот-
=const	P			ложенпочтиодновременношот-
			T	Ренкина,в50-х.ггXIX.вбылпред-
				Такойцикл,названныйциклом
		поустройству,потребляющиемало.энергии
вышениемеедавленияприменяютсянасосы,компактныеипростые
перемещенияводыизконденсаторавкотелсодновременнымпо-
				1	2
отPдоPподлежитневлажныйпармалойплотности,а.водаДля
конденсатореполностью.сконденсироватьВэтомслучаесжатию
новкесцикломКарно,могутбытьчастичноустранены,еслипарв
Перечисленныевышенедостатки,присущиепаросиловойуста-

.2.14ЦиклРенкина
влажномпаре,ненашелпрактического.применения
шая.энергияПоэтимпричинамциклКарно,осуществляемыйво
эксплуатацииустройство,наприводкоторогозатрачиваетсяболь-
миобъемамипредставляетсобойвесьмагромоздкое,неудобноев
сжатиявлажногопарасмалымидавлениямиибольшимиудельны-
оказываетсясравнительно.малымКромеэтого,компрессордля
	0i	t	i
	ΚΚ		Κ
							цикла
						0i
снижается,поэтомувнутреннийабсолютный.д.п.к						Κ	этихмашин
						Κ
рессоровоказываютсятяжелымиивнутреннийотносительный.д.п.к
навлажномпареусловияработыпроточныхчастейтурбиникомп-
ванияосуществлениеэтогоцикланецелесообразно,.к.тприработе
Темнеменее,сучетомусловийработытеплосиловогооборудо-
350273,15					t
.0,52				1	Κ
.0,52			25	1	Κ
273,15			25

214

.д.п.квэтомслучае 25°С)иверхней–(340350°С)температурами.циклаТермический (374,15°С),невеликиинтервалтемпературмеждунижней(порядка Критическаятемператураводысравнительноневысока батномсжатиивкомпрессоревлажностьпара.увеличивается адиабатевтурбинестепеньсухостипарауменьшается;приадиа-

сжатиепаравкомпрессоре–поадиабате3-.4Прирасширениипо

2 1-2,отводтеплаqвконденсаторе–поизобаре–изотерме2-3,

изотерме4-1,процессрасширениявпаровойтурбине–поадиабате

1 Подводтеплаqкпарувкотлеосуществляетсяпоизобаре–

	.Ðèñ3.1.14			.Ðèñ2.1.14
	1	3		v
	1	3
S	S	S
				2
				T=const
				2	3
				2
	2	3		1
				T=const
2
P=const				1	4
	1	4
	1			k
=const	P			k		P
=const	P					P
	k
			T
					è.3.1.14
		TS	Pv	Описанныйциклизображенна
-диаграммахна.рис2.1.14			-è	Описанныйциклизображенна
	потерямивпервомприближенииможно.пренебречь
	2
.Гидравлическими		вкомпрессордавлениерабочеготеларавноP
				1
рабочеготеларавноP,анаучасткеотвыходаизтурбиныдовхода
Итак,отвыходаизкомпрессорадовходавтурбинудавление
	влажныйпарвновьпоступаетвкотел,ицикл.замыкается
1
рессор5,вкоторомонадиабатносжимаетсядодавленияP.Затем
ном.давленииПослеконденсаторавлажныйпарпоступаетвкомп-
отводатеплаотпаравконденсатореосуществляетсяприпостоян-
парконденсируется,истепеньсухостиего.уменьшаетсяПроцесс
вкоторомспомощьюохлаждающейводыотпараотводитсятепло,
				2
.Далеепарпоступаетвконденсатор4–теплообменник,					пературуT
				2
ныйпаримеетдавлениеPисоответствующуюэтомудавлениютем-
рогенератора3,вращаемого.турбинойНавыходеизтурбинывлаж-

h1 h5 h8 h7

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).

Рассматривая изображение цикла

этой установки на TS-диаграмме (рис.

14.4.2), следует иметь в виду его ус-

ловность, т.к. эта диаграмма строит-

ся для постоянного количества рабо-

чего тела, тогда как в нашем случае

Δ Δ

количество рабочего тела оказывает-

ся различным по длине проточной ча-

1 2

сти турбины. На участке 1-2 цикла в

TS-диаграмме количество рабочего

ÐÑÏ1

ÐÑÏ2

тела убывает с уменьшением давле-

Ðèñ. 14.4.1

P	q
	1
	k
5	1
	1
4	6
x = const
3	2
	2
	q	v
	2	v
	Ðèñ. 14.2.4

h		P = const			1
h		1			1
			6
			k			x = 1
			k
	x = 0
	5		4	2	x	= const
			4

						2
		3	P	2	= const
		3		2
						S
			Ðèñ. 14.2.5

осуществляемый до давления P , заканчивается в районе более вы-

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-

ществляются по изобарам, то
q1	h1 h 5,		(14.2.1)
q2	h2 h3.		(14.2.2)
Термический к.п.д.
Κ	q1 q2	;
Κ		;
t	q1
	q1
применительно к обратимому циклу Ренкина

Κ		h1 h5 h2 h3			(14.2.3)
	t	h1	h5


èëè
Κ		h1 h2 h5 h3		.	(14.2.4)
	t
		h1	h5

Разность h – h представляет собой располагаемый перепад эн-

тальпий, превращаемый в кинетическую энергию потока и затем в

220

217

219

.Ðèñ2.3.14
			.Ðèñ1.3.14
S
2	3	2
		2
9		T
9
7		5
	6		ÏðÏ	ÏÏ
	4		ÏðÏ	ÏÏ
	4
		T
8		*
8
		1
		T
1
		T

частитурбинывысокогодавлениявыше,чемчастинизкогодавле-
дроввысокогоинизкого.давленияВнутреннийотносительный.д.п.к
дровогоагрегата(внаиболеепростомслучае),состоящегоизцилин-
промежуточногоперегреватурбинавыполняетсяввидедвухцилин-
нымперегревом)представленанарис..1.3.14Вслучаеприменения
Схемаустановкиспромежуточнымперегревомпара(совторич-
	чаеконечнаявлажностьпара.снижается
			2
давленияP.КаквидноизTS-диаграммына.рис2,.3.14вэтомслу-
ныT,послечегоонвновьпоступаетвтурбину,гдерасширяетсядо
			*
мер,вгазоходекотла,гдетемпературапараповышаетсядовеличи-
ляетсявдополнительныйпароперегреватель,размещенный,напри-
2
>P,оннаправ-	тувтурбине,расширитсядонекоторогодавленияP
	*
ныйперегрев.параПослетого,какпотокпара,совершающийрабо-
Длясниженияконечнойвлажностипараприменяютпромежуточ-
		леевысокихстепеней.сухости
точку2(рис..2.144)навыходеизтурбинывправо,.е.твобластьбо-
кувеличениютермического.д.п.кциклаиодновременносдвигает
биныявляетсяперегрев.параПрименениеперегревапараприводит
Однимизспособовснижениявлажностипаранавыходеизтур-
	=0,85.0,88	x	биныдолжнабытьнениже
	ψ
.ломДлясовременныхтурбинстепеньсухостипаранавыходеизтур-
чтоприводиткснижениюэффективного.д.п.квсейустановкивце-
сяипоэтомуснижаетсявнутреннийотносительный.д.п.ктурбины,
родинамическийрежимпроточнойчаститурбинырезкоухудшает-
Есливтурбинетечетпар,имеющийбольшуювлажность,тогид-
.3.14Циклспромежуточнымперегревомпара

218

								температурупараперед.турбиной
этомуприувеличенииначальногодавлениянужнотакжеувеличить
	0i
турбины,по-	Κ	ностьпаранавыходеизтурбины,чтоуменьшает
	Κ			t					1
				t					1
,новозрастаетвлаж-				Κ	УвеличениеPприводиткувеличению
				Κ
			последнихступенейтурбиныбольших.размеров
ныйобъемпара,чтовлечетзасобойприменениеконденсатораи
Дальшеснижатьдавлениенецелесообразно,.к.твозрастаетудель-
определяетсятемпературойохлаждающейводыиравно5–3,5.кПа
2
ВсовременныхтепловыхустановкахдавлениевконденсатореP
		t
	.	Κ	ратуры)вконденсатореприводиткувеличению
		Κ			1		1
					1		1
снижениедавления(темпе-						ПриодномитомжезначенииP,T
				кинаотзначенийпараметровводяного.пара
Выясним,какзависитвеличинатермического.д.п.кциклаРен-
									насосапренебречь.нельзя
го.давленияДляустановоквысокогодавлениявеличинойработы
Этосоотношениеслужитдляоценочныхрасчетовцикловнизко-
						3	h	1
					.		h	h	t
.2.(147)									Κ
.2.(147)						2		1	Κ
						2		1
							h	h
малостипосравнениюсрасполагаемымтеплоперепадом,то

ååвследствие h – h насоса работы величиной пренебречь Если

		напоизвестнымначальнымпараметрам.пара
определитьвеличинутермического.д.п.кобратимогоциклаРенки-
мыилитаблицтермодинамическихсвойствводыиводяногопара
-диаграм-	hS	Уравнения.2.(144)и.2.(146)позволяютспомощью
-диаграм-		Уравнения.2.(144)и.2.(146)позволяютспомощью
					5	h		1
		.				h		h					t
.2.(146)		.	2	1		â			5		1		Κ
			PP			v				h	h
исоотношение.2.(144)сучетом.2.(145)запишетсяввиде
		,		2	1	â			3		5
				2	1		v		3	h	5	h
.2.(145)				P	P		v			h		h
.2.(145)
	впадаетсизохорой(из-замалойсжимаемостиводы),то
.насосаПосколькуадиабатасжатияводывнасосепрактическисо-
				3			5
–этотехническаяработа					–h			работув.турбинеРазностьжеh

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 / 1311 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете Техническая термодинамика