Теоретические основы теплотехники 1
.pdf
121
Цикл Ренкина состоит из изобары (4–1), где подводится теплота в нагревателе, 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 по-
вышения температуры жидкости после насоса до температуры кипения ts
при давлении р1. Участок (a–b) соответствует превращению кипящей жидко-
сти в сухой насыщенный пар, а участок (b–1) – процессу подвода теплоты в пароперегревателе для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.
а б
Рис. 34. Цикл Ренкина в координатах p-v (а) и Т-s (б)
Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины
wT
h1
h2
.
(306)
Работа, затраченная на сжатие воды в насосе, определяется так же по разности энтальпии рабочего тела в точках (4) и (3).
122
В координатах р-v эта работа определяется площадью e-3-4-f (рис. 34a).
Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.
Полезная работа цикла равна работе турбины за вычетом работы, за-
трачиваемой на привод насоса wН
w w |
w |
w |
T |
H |
T |
h1
h2
.
(307)
Удельное количество теплоты q1, подведенной в котле и пароперегре-
вателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теп-
лоты
q1
h1
h4
,
(308)
где h4 – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р2
практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3), т.е. h4 h3.
Сопоставляя соотношения, можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты
|
|
|
w |
|
Т |
||
|
|
|
|
|
t |
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
h1 h2 h1 h4
.
(309)
Другая важная характеристика паросиловой установки – удельный рас-
ход пара d, который характеризует количество пара, необходимого для выра-
ботки 1 кВт·ч энергии (3600 Дж), и измеряется в кг /( кВт ч ).
Удельный расход пара в цикле Ренкина равен
d |
3600 |
|
3600 |
. |
(310) |
|
|
||||
|
wТ |
h1 h2 |
|
||
123
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 пара-
метрами пара не превышает 50 %. В реальных установках из-за наличия
внутренних потерь в двигателе значение КПД еще меньше.
Существуют два пути повышения экономичности паросиловых устано-
вок: повышение параметров пара перед турбиной и усложнение схем пароси-
ловых установок.
Рис. 35. Схема установки для сов- |
Рис. 36. Схема паросиловой уста- |
местной выработки механической |
новки с регенеративным подогре- |
энергии и теплоты |
вом питательной воды |
1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – тепловой потребитель
Первое направление приводит к увеличению теплоперепада в процессе
расширения пара на турбине (h1 - h2) и, как следствие, к увеличению удель-
ной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h1-h2 можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установ-
124
ки, 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 значи-
тельно повысить за счет использования теплоты отработавшего пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой целью охлаждающую воду, нагретую в конденсаторе (4) (рис. 35), не выбрасывают в водоем, а прокачивают через отопительные установки теплового потреби-
теля (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 Ренки-
на можно за счет применения так называемого регенеративного цикла
(рис. 36). В этой схеме питательная вода, поступающая в котел (1), нагрева-
ется паром, частично отбираемым из турбины (3). По этой схеме пар, полу-
ченный 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 подогре-
вает питательную воду, подаваемую насосом (5) в котел (1).
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 (рис. 37) видно, что каждый килограмм пара, входящий в тур-
бину, расширяется от давления р1 до давления р2, совершая работу w1=h1-h2.
125
Пар в количестве (1 - g) долей килограмма расширяется до конечного давле-
ния p3, совершая работу w2=h2-h3. Суммарная работа 1 кг пара в регенера-
тивном цикле будет
w w |
w |
1 |
2 |
h |
h |
h |
1 |
2 |
2 |
h |
1 g h h h |
||
3 |
1 |
3 |
2 |
h |
|
3 |
|
g
,
(311)
где
g
– доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.
Рис. 37. График адиабатного расширения пара в турбине с промежуточным отбором (а) и изменения количества пара (б)
Уравнение показывает, что использование регенерации теплоты приво-
дит к уменьшению удельной работы расширения по сравнению с циклом Ренкина с теми же параметрами пара. Однако расчеты показывают, что рабо-
та в регенеративном цикле уменьшается медленнее, чем расход теплоты на получение пара при наличии регенерации, поэтому КПД паросиловой уста-
новки с регенеративным подогревом в итоге выше КПД обычного цикла.
Применение пара высоких и сверхвысоких давлений с целью повыше-
ния КПД установок наталкивается на серьезное затруднение: влажность его на последних ступенях турбины получается настолько высокой, что заметно снижает КПД турбины, вызывает эрозию лопаток, может служить причиной
126
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 (рис. 38).
Рис. 38. 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
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 |
t |
1 , которая обычно несколько ниже, чем температура t1. Пере- |
|
|
гретый пар поступает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р2 и уходит в конденсатор (5) (рис. 39).
Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значитель-
но меньше, чем она была бы без него (x1>x2) (рис. 39). Применение промежу-
точного перегрева в реальных условиях дает повышение КПД приблизитель-
127
но на 4 %. Этот выигрыш получается не только за счет повышения относи-
тельного КПД турбины низкого давления, но и за счет повышения суммар-
ной работы расширения пара по турбине низкого и высокого давлений. Дело
в том, что сумма отрезков |
|
и |
|
2 |
, характеризующих работу соответ- |
1 1 |
1 |
ственно турбин высокого и низкого давлений, больше отрезка 1 – e, характе-
ризующего работу расширения в турбине установки, в которой не применя-
ется промежуточного перегрева пара (рис. 39б).
а б
Рис. 39. Процесс расширения пара в установке с промежуточным перегревом
Циклы холодильных установок
Холодильные установки предназначены для охлаждения тел до темпе-
ратуры 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 установки широко используются в газовой промышлен-
ности при подготовке газа к транспорту в установках комплексной подготов-
ки газа (УКПГ), для охлаждения газа на компрессорных станциях маги-
128
стральных газопроводов, проложенных в районах многоголетнемерзлых по-
род, при переработке природного газа, при получении и хранении сжиженно-
го природного газа и т.д.
Теоретически наиболее выгодный цикл холодильной установки – об-
ратный цикл Карно. Однако цикл Карно в холодильных установках не ис-
пользуется из-за конструктивных трудностей, которые возникают при реали-
зации этого цикла, и, кроме того, влияние необратимых потерь работы в ре-
альных холодильных машинах настолько велико, что сводит на нет преиму-
щества цикла Карно.
Паровая компрессионная холодильная установка
Для получения неглубокого холода наибольшее распространение полу-
чили паровые компрессионные установки (рис. 40). В качестве рабочего тела в таких установках используют хладоагенты-низкокипящие жидкости (амми-
ак, фреон и др.). Холодильная установка состоит из холодильной камеры (5),
где должна быть температура ниже температуры окружающей среды, ком-
прессора (1), испарителя (4), конденсатора (2) и регулирующего дроссельно-
го вентиля (3) (рис. 40а).
а |
б |
|
Рис. 40. Схема (а) и цикл паровой компрессионной холодильной установки в координатах T-s (б)
129
При работе паровой компрессионной холодильной установки компрес-
сор засасывает из испарителя хладоагент в виде влажного насыщенного или сухого насыщенного пара при давлении выше атмосферного ( p1 pо.с ) и от-
рицательной температуре ( t1 0 ) (точка 1), и адиабатически его сжимает
(1–2) до более высокого давления р2. (рис. 40б). В конце сжатия (2) темпера-
тура хладоагента уже положительна и превышает температуру охлаждающей воды, которая в данной установке играет роль окружающей среды (t2 tо.с. ).
При этих параметрах компрессор подает рабочее тело (перегретый пар) в
конденсатор, где охлаждающая вода 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 (рис. 40а), 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 посту-
пает в компрессор и цикл повторяется.
В установках большой мощности между холодильной камерой (5) и
испарителем (4) циркулирует рассол, отбирающий от охлаждаемых тел в ка-
мере (5) теплоту q2. Эта теплота в испарителе (4) используется для испарения хладоагента. В установках малой мощности, например в домашних холо-
дильниках, испаритель располагается в самой холодильной камере и, надоб-
ность в рассоле отпадает. В диаграмме Т–s значению отводимого от охлажда-
емых тел количеству теплоты q2 в холодильной камере соответствует пло-
щадь с-5-1-а; работе lц, затрачиваемой в компрессоре на сжатие пара, соот-
ветствует 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 установок определя-
ется холодильным коэффициентом t . Холодильный коэффициент определя-
130
ется как отношение количества теплоты q2,
к затраченной в цикле работе lц
|
t |
q |
2 |
l |
|
|
ц |
отводимой от охлаждаемого тела,
. |
(312) |
Температура в холодильной камере холодильной установки зависит от положения регулирующего дроссельного вентиля (3). Так, при необходимо-
сти уменьшить эту температуру вентиль дополнительно прикрывается, в ре-
зультате чего происходит более глубокое дросселирование, а, следовательно,
и охлаждение рабочего тела до более низкой температуры (рис. 40б). 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, затрачи-
ваемой на привод компрессора (соотношение 312) (рис. 40).
Воздушная холодильная установка
Для более глубокого охлаждения тел (получения более глубокого хо-
лода) используется воздушная холодильная установка (рис. 41).
Принцип действия воздушной холодильной установки основан на рас-
ширении предварительно сжатого и охлажденного воздуха. Воздух из холо-
дильной камеры (4) под давлением p1 поступает в компрессор (1), где адиа-
батно сжимается (1–2) до давления p2 и температуре T2. Сжатый воздух по-
дается в теплообменник (2), где охлаждается проточной водой до температу-
ры 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).