Добавил:
ac3402546@gmail.com Направление обучения: транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов группа ВН (Вечерняя форма обучения) Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

теор / Термодинамика и теплопередача, Калинин, Купцов, Лопатин

.pdf
Скачиваний:
10
Добавлен:
01.06.2021
Размер:
7.08 Mб
Скачать

Термодинамика в технологических процессах…

111

пароводяной смеси также повышается с р2 до р1. Однако для того, чтобы уменьшить работу на сжатие, целесообразно полностью сконденсировать пар в конденсаторе и затем сжимать не пароводяную смесь, а выходящую из конденсатора воду. Описанный цикл паросиловой установки называется циклом Ренкина с перегревом пара (рисунок 1.49).

Цикл Ренкина с перегревом пара состоит из изобары (4–1), где подводится теплота в котельной установке, адиабаты (1–2) расширения пара в паровой турбине, изобары (2–3) отвода теплоты в холодильнике-конденсаторе и изохоры (3–4) повышения давления воды в насосе. Линия (4–а) на изобаре соответствует процессу

повышения температуры жидкости после насоса до температуры кипения ts при

давлении р1. Участок (a–b) соответствует превращению кипящей жидкости в сухой насыщенный пар, а участок (b–1) – процессу подвода теплоты в пароперегревателе для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.

а

б

Рис. 1.49. Циклы паросиловых установок в координатах p-v (а) и Т-s (б): Карно (a-b-c-d-a) и Ренкина (a-b-c-3-4-a) во влажном паре;

Ренкина с перегретым паром (1-2-3-4-1)

Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины

wт = h1 h2 .

(1.331)

Работа, затраченная на сжатие воды в насосе, определяется так же по разности энтальпии рабочего тела в точках 4 и 3.

В координатах р-v эта работа определяется площадью e-3-4-f (рисунок 1.49a). Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.

Полезная работа цикла равна работе турбины wт за вычетом работы, затрачиваемой на привод насоса wн

wц = wт

 

wн

 

wт = h1 h2 .

(1.332)

 

 

112

Часть 1

Удельное количество теплоты q1, подведенной в котле и пароперегревателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теплоты

q1 = h1 h4 ,

(1.333)

где h4 – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р1 практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3), т.е. h4 h3.

Сопоставляя соотношения (1.332) и (1.333), можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты

ηt

=

wт

=

h1

h2

.

(1.334)

q1

h1

 

 

 

 

h4

 

Другая важная характеристика паросиловой установки – удельный расход пара d, который характеризует количество пара [6], необходимого для выработки 1 кВт·ч энергии (3600 Дж), и измеряется в кг/(кВт ч) .

Удельный расход пара в цикле Ренкина равен

d =

3600

=

3600

.

(1.335)

 

 

 

w

 

h h

 

 

т

1 2

 

 

Удельный расход пара определяет размеры агрегатов: чем он больше, тем больше пара приходится вырабатывать для получения той же мощности.

Пути повышения экономичности паросиловых установок

Термический КПД цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50%. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в двигателе значение КПД еще меньше.

Существуют два пути повышения экономичности паросиловых установок: повышение параметров пара перед турбиной и усложнение схем паросиловых установок.

Первое направление приводит к увеличению теплоперепада в процессе расширения пара на турбине (h1 – h2) и, как следствие, к увеличению удельной работы и КПД цикла.

При этом теплоперепад по турбине можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установки, т.е. уменьшая давление р2.

Повышение экономичности паросиловых установок этим путем связано с решением ряда трудных технических задач, в частности, использования высоколегированных, жаропрочных материалов для изготовления турбины.

Эффективность использования паросиловой установки можно значительно повысить за счет использования теплоты отработавшего пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой целью охлаждающую воду (рисунок 1.50), нагретую в конденсаторе (4), не выбрасывают в водоем, а прокачивают

Термодинамика в технологических процессах…

113

через отопительные установки теплового потребителя (6). В таких установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы L1 на валу турбины (3) и теплоту Qт.п для отопления. Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии – один из основных методов повышения эффективности тепловых установок.

Повысить КПД паросиловой установки по сравнению с циклом Ренкина можно за счет применения так называемого регенеративного цикла (рисунок 1.51).

В этой схеме питательная вода, поступающая в котел (1), нагревается паром, частично отбираемым из турбины (3). По этой схеме пар, полученный в котле (1) и перегретый в пароперегревателе (2), направляется в турбину (3), где происходит его расширение до давления в конденсаторе (4). Однако часть пара после совершения им работы из турбины и направляется в регенеративный подогреватель (6), где в результате конденсации он подогревает питательную воду, подаваемую насосом (5) в котел (1).

Рис. 1.50. Схема установки для совместной

Рис. 1.51. Схема паросиловой установки

выработки механической энергии

с регенеративным подогревом

и теплоты

питательной воды

1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – тепловой потребитель (регенеративный подогреватель)

Сам конденсат после регенеративного подогревателя поступает на вход насоса (5) или в конденсатор (4), где он смешивается с конденсатом пара, прошедшего через все ступени турбины. Таким образом, в котел поступает такое же количество питательной воды, какое и выходит из него в виде пара.

Из диаграмм (рисунок 1.52) видно, что каждый килограмм пара, входящий в турбину, расширяется от давления р1 до давления р2, совершая работу w1=h1 h2. Пар в количестве (1 – g) долей килограмма расширяется до конечного давления p3, совершая работу w2=h2 h3.

114

Часть 1

а

б

Рис. 1.52. График адиабатного расширения пара в турбине с промежуточным отбором (а) и изменения количества пара (б)

Общая работа 1 кг пара в данном цикле будет определяться, как сумма

w = w1 + w2 = h1 h2 + (h2 h3 ) (1g) = h1 h3 (h2 h3 ) g , (1.336)

где g – доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.

Уравнение показывает, что использование регенерации теплоты приводит к уменьшению удельной работы расширения по сравнению с циклом Ренкина с теми же параметрами пара.

Однако расчеты показывают, что работа в регенеративном цикле уменьшается медленнее, чем расход теплоты на получение пара при наличии регенерации, поэтому КПД паросиловой установки с регенеративным подогревом в итоге выше КПД обычного цикла.

Применение пара высоких и сверхвысоких давлений с целью повышения КПД вызывает затруднение: влажность его на последних ступенях турбины получается настолько высокой, что заметно снижает КПД турбины, вызывает эрозию лопаток, может служить причиной выхода их из строя.

Поэтому в установках с высокими параметрами пара приходится применять так называемый промежуточный перегрев пара, что также ведет к повышению КПД установки (рисунок 1.53).

В паросиловой установке с промежуточным перегревом пара, после расширения в турбине высокого давления (3) пар отводится в специальный пароперегреватель (7), где он вторично подогревается при давлении ррп до температуры

t1′′ , которая обычно несколько ниже, чем температура t1. Перегретый пар посту-

пает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р2 и направляется в конденсатор (5) (рисунок 1.53).

Термодинамика в технологических процессах…

115

Рис. 1.53. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара: 1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина высокого давления (ТВД); 4 – турбина низкого давления (ТНД); 5 – конденсатор; 6 – питательный насос; 7 – промежуточный пароперегреватель; 8 – потребитель

Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значительно меньше, чем она была бы без него (x1>x2) (рисунок 1.54).

а

б

Рис. 1.54. Процесс расширения пара в установке с промежуточным перегревом

Промежуточный перегрев в реальных условиях дает повышение КПД примерно на 4%. Этот выигрыш получается как за счет повышения относительного КПД турбины низкого давления, так и за счет увеличения суммарной работы расширения пара по турбине низкого и высокого давлений. Дело в том, что сумма отрезков 11и 1′′ − 2 , характеризующих работу соответственно турбин высокого и низкого давлений, больше отрезка 1 – e, характеризующего работу расширения в турбине установки, в которой не применяется промежуточного перегрева пара (рисунок 1.54).

116

Часть 1

1.14. Циклы холодильных машин и тепловых насосов

Холодильные машины предназначены для охлаждения тел до температуры ниже температуры окружающей среды. Чтобы осуществить такой процесс, необходимо от тела отвести теплоту и передать ее в окружающую среду за счет работы, подводимой извне.

Холодильные машины (установки) широко используются в газовой промышленности при подготовке газа к транспорту в установках комплексной подготовки газа (УКПГ), для охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов, проложенных в районах многолетнемерзлых пород, при переработке природного газа, при получении и хранении сжиженного природного газа и т.д.

Теоретически наиболее выгодный цикл холодильной машины – обратный цикл Карно. Однако цикл Карно в холодильных установках не используется изза конструктивных трудностей, которые возникают при реализации этого цикла, и, кроме того, влияние необратимых потерь работы в реальных холодильных машинах настолько велико, что сводит на нет преимущества цикла Карно.

Паровая компрессионная холодильная установка

Для получения неглубокого холода наибольшее распространение получили паровые компрессионные установки (рисунок 1.55). В качестве рабочего тела в таких установках используют хладоагенты – низкокипящие жидкости (аммиак, хладон, пропан-бутановая смесь и др.).

а

б

Рис. 1.55. Схема (а) и цикл паровой компрессионной холодильной установки в координатах T-s (б)

Холодильная установка (рисунок 1.55а) состоит из холодильной камеры (5), где должна быть температура ниже температуры окружающей среды, компрессора (1), испарителя (4), конденсатора (2) и регулирующего дроссельного вентиля (3).

При работе паровой компрессионной холодильной установки компрессор засасывает из испарителя хладоагент в виде влажного насыщенного или сухого

Термодинамика в технологических процессах…

117

насыщенного пара при давлении выше атмосферного p1 > pо.с и отрицательной температуре t1 < 0 (точка 1), и адиабатически его сжимает (1–2) до более высоко-

го давления р2. (рисунок 1.55б). В конце сжатия (2) температура хладоагента уже положительна и превышает температуру охлаждающей воды, которая в данной установке играет роль окружающей среды t2 > tо.с. . При этих параметрах компрес-

сор подает рабочее тело (перегретый пар) в конденсатор, где охлаждающая среда (вода или воздух) отнимает от него теплоту перегрева (2–3) и парообразования (3–4). Вследствие этого пар при давлении p2 = idem полностью конденсируется (точка 4). Конденсат проходит через вентиль (рисунок 1.55а), в котором он дросселируется в изоэнтальпийном процессе (h = idem) до давления p1 (4–5) и поступает в испаритель, где испаряется (5–1), отбирая теплоту от охлаждаемых тел. Затем рабочее тело вновь поступает в компрессор и цикл повторяется.

Вустановках большой мощности между холодильной камерой (5) и испарителем (4) циркулирует рассол, отбирающий от охлаждаемых тел в камере (5) теплоту q2. Эта теплота в испарителе (4) используется для испарения хладоагента.

Вустановках малой мощности, например, в домашних холодильниках, испаритель располагается в самой холодильной камере и, надобность в рассоле отпадает. В диаграмме Тs значению отводимого от охлаждаемых тел количеству теп-

лоты q2 в холодильной камере соответствует площадь с-5-1-а; работе lц, затрачиваемой в компрессоре на сжатие пара, соответствует площади цикла 1-2-3-4-5-1.

Количество теплоты, передаваемое охлаждаемой воде или атмосферному

воздуху (q1= q2+ lц), определяется площадью фигуры с-а-1-2-3-4-5-с. Термодинамическая эффективность холодильных машин определяется холо-

дильным коэффициентом χt . Холодильный коэффициент (1.157) определяется

как отношение количества теплоты q2, отводимой от охлаждаемого тела, к затраченной в цикле работе lц

χt = q2 lц .

(1.337)

Температура в холодильной камере холодильной установки зависит от положения регулирующего дроссельного вентиля (3). Так, при необходимости уменьшить эту температуру вентиль дополнительно прикрывается, в результате чего происходит более глубокое дросселирование, а, следовательно, и охлаждение рабочего тела до более низкой температуры (рисунок 1.55б). При этом процесс отвода теплоты от охлаждаемого тела будет происходить при более низкой температуре рабочего тела (5'–1').

Экономичность установки (χ) снижается в силу уменьшения величины q2 и увеличения работы lц, затрачиваемой на привод компрессора (соотношение 1.337).

Воздушная холодильная установка

Для более глубокого охлаждения тел (получения более глубокого холода) используется воздушная холодильная установка (рисунок 1.56).

118

Часть 1

Рис. 1.56. Схема, p-v и T-s диаграммы воздушной холодильной установки

Принцип действия воздушной холодильной установки основан на расширении предварительно сжатого и охлажденного воздуха. Воздух из холодильной камеры (4) под давлением p1 поступает в компрессор (1), где адиабатно сжимается (1–2) до давления p2 и температуре T2.

Сжатый воздух подается в теплообменник (2), где охлаждается проточной водой до температуры T3 (2–3), и подается в турбодетандер (3), где адиабатно расширяется (3–4) до давления p1, при этом температура рабочего тела понижается до значения T4.

Охлажденный воздух поступает в холодильную камеру, где нагревается до температуры T1 (4–1).

Удельное количество теплоты, переданное охлаждающей воде, может быть определено по соотношению

q1

 

= cpm (T2 T3 ) ,

(1.338)

 

удельное количество теплоты, отведенное от воздуха в холодильной камере, по формуле

q2

 

= cpm (T1 T4 ),

(1.339)

 

а удельная работа цикла при условии постоянства теплоемкости рабочего тела ( cpm = idem ) может быть рассчитана из выражения

lц =

 

l1,2

 

 

l3,4

 

=

 

q1

 

 

q2

 

= cpm (T2 T3 T1 + T4 )

(1.340)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или, поскольку для адиабатных процессов (1–2) и (3–4) справедливы следующие соотношения температур:

T1 T2 = T4 T3 ; T1 T4 = T2 T3 ,

(1.341)

Термодинамика в технологических процессах…

119

или определена по формуле

l

= c

 

(T

T )

1−

T3

.

(1.342)

pm

 

ц

 

2

1

 

T2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При использовании соотношений (1.339), (1.342) холодильный коэффициент воздушной холодильной может быть определен из формулы

χ

 

= q

l

= (T T )/[(T T ) (1

T3

)] =

T1

.

(1.343)

t

 

 

 

2

ц

1 4

2 1

T2

T2 T1

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим, что вследствие малой теплоемкости воздуха, удельная холодопроизводительность воздушных холодильных установок достаточно низкая.

Абсорбционная холодильная установка

Иногда для осуществления цикла холодильной машины целесообразнее расходовать не механическую работу, как это было в рассмотренных типах холодильных машин, а теплоту, отбираемую, к примеру, от уходящих продуктов сгорания газотурбинных установок.

Холодильные машины, в которых для понижения температуры тел до температуры ниже температуры окружающей среды используется теплота отработавших продуктов сгорания, называются абсорбционными холодильными установками (рисунок 1.57).

Абсорбционные холодильные установки используют в качестве рабочего тела хладоагенты и их растворы. В качестве хладагента в абсорбционных холодильных установках может быть использован аммиак (вода) а в качестве растворителя (абсорбента) – вода (раствор бромистого лития).

Рис. 1.57. Схема и идеализированная T-s диаграмма абсорбционной холодильной установки

120

Часть 1

В генераторе (1) к водоаммиачному раствору (рисунок 1.57) подводится теплота от внешнего источника (отработавшие продукты сгорания) при давлении p1 . Подводимая теплота qг идет на испарение рабочего тела: в этом процессе

образуется пар с высокой концентрацией аммиака и с температурой T2 . Пар из

генератора поступает в конденсатор (2), где конденсируется при температуре T5, передавая теплоту охлаждающей воде qк.

Конденсат проходит через дроссельный вентиль (3), на выходе из которого рабочее тело имеет давление p2 и температуру T6, значение которой меньше, чем температура в холодильной камере. В испарителе (4) раствор испаряется за счет подвода теплоты q0 от охлаждаемого объема (5). Из испарителя пар поступает в абсорбер (6), где поглощается при температуре T3 абсорбером, поступающим из генератора через вентиль (8), отдавая теплоту абсорбции qа охлаждающей воде, проходящей через змеевик. Вследствие поглощения пара, концентрация хладагента (аммиака) в растворе повышается. Насосом (7) раствор из абсорбера (6) подается в генератор.

При идеализации работы цикла рассматриваемой установки (полная обратимость процессов, полное выпаривание хладагента из абсорбера) рабочий процесс в ней можно представить в виде совокупности прямого (1-2-3-4) и обратного (5-6-7-8) циклов Карно. Эффективность работы абсорбционной машины можно оценить тепловым коэффициентом

ξ

 

q0

 

.

(1.344)

 

 

 

 

 

 

 

qг

 

Следовательно, чем больше отбирается удельной теплоты от охлаждаемого объема при фиксированном количестве подведенной теплоты в генераторе, тем выше экономичность холодильной установки. Действительный цикл абсорбционной холодильной установки характеризуется необратимостью процессов, что приводит к некоторому снижению теплового коэффициента абсорбционной хо-

лодильной машины ξ .

Тепловой насос

Тепловой насос – устройство для переноса энергии от источника низкопотенциальной энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.

Схема и термодинамический цикл теплового насоса аналогичны паровой компрессионной холодильной машине (рисунок 1.55).

Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.