818

На современных крупных тепловых электростанциях основным двигателем является паровая турбина, где в качестве рабочего тела используется водяной пар, который получают в паровых котлах. Процесс парообразования в котлах обычно происходит при постоянном давлении.

На рис. 1.6 и 1.7 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева водяного пара соответственно в p,υ- и T,s-диаграммах.

Рис. 1.6. р,υ-Диаграмма воды и водяного пара

Рис. 1.7. T,s-диаграмма воды и водяного пара

21

Рассмотрим процесс получения водяного пара из воды. Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением P0 и имеющей температуру 0 °С, изображается на p,υ-

и T,s-диаграммах точкой а. При подводе к воде теплоты при р = const температура ее увеличивается, а удельный объем растет. В некоторый момент времени температура воды достигает температуры кипения и состояние ее при этом отражается в точке b. С дальнейшим подводом теплоты начинается процесс парообразования с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда – смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром. Температура смеси остается постоянной, так как вся теплота расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изо- барно-изотермическим и изображается участком bc. Наконец, в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным. Его состояние изображается точкой с.

При дальнейшем подводе теплоты температура пара увеличивается и происходит процесс перегрева пара с–d. Точка d соответствует состоянию перегретого пара и в зависимости от его температуры может находиться на разных расстояниях от точки с.

Для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара, устанавливается следующая индексация:

–индекс 0 означает, что величина относится к начальному состоянию воды;

–индекс ′ – к воде, нагретой до температуры кипения;

–индекс ′′ – к сухому насыщенному пару;

–индекс х – к влажному насыщенному пару;

–без индекса – к перегретому пару.

Рассматривая процесс парообразования при более высоком давлении P1 > P0 , можно отметить, что точка а', соответствую-

щая состоянию жидкой воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как

22

удельный объем воды почти не зависит от давления. Точка b', соответствующая состоянию воды при температуре кипения, смещается вправо (на Р,υ-диаграмме) и поднимается вверх (на T,s-диаграмме), так как с увеличением давления увеличивается температура кипения и, следовательно, удельный объем воды. Точка с′, соответствующая состоянию сухого насыщенного пара, смещается влево, так как с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.

Соединение множества точек b и с при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые аK и Kс. Из Р,υ-диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов υ′′ и υ′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые аK и Kс. Состояние, соответствующее точке K, называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам. Область b–K–с (в Р,υ-диаграмме) соответствует влажному насыщенному пару.

Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой Kс.

Следует отметить, что на Т,s-диаграмме площадь 0–a–b–s′ изображает количество теплоты, потребное для нагрева воды до температуры кипения. Количество подведенной теплоты, равное теплоте парообразования r, Дж/кг, выражается площадью s′bcs′′ следующим соотношением:

r =T (s′′−s′).

Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s"cds.

На Т,s-диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становится равной нулю. Обычно Т,s-диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как ее практическое ис-

23

пользование сильно затрудняется тем, что количество теплоты в ней выражается площадями криволинейных фигур.

i,s-Диаграмма водяного пара. Рассмотренная Т,s-диаграм-

ма дает возможность наглядно представить характер протекания процесса превращения воды в пар различных состояний (влажный, сухой насыщенный и перегретый). Однако при пользовании этой диаграммой установить количество теплоты сложно, так как это связано с необходимостью определения по диаграмме соответствующих площадей, в основном ограниченных кривыми линиями. Поэтому для практических расчетов обычно пользуются i,s-диаграммой водяного пара, по которой это выполнить можно значительно проще. i,s-Диаграмма (рис. 1.8) представляет собой график в системе координат i,s, на который нанесены изобары, изохоры, изотермы, пограничные кривые и линии постоянной степени сухости пара.

Диаграмма строится следующим образом. Откладывая на осях координат значения i′ и s′ для различных состояний воды при температуре кипения и сухого насыщенного пара, получают нижнюю (х = 0) и верхнюю (х = 1) пограничные кривые с критической точкой K, разделяющей их.

Семейство изобар в области насыщения представляет собой пучок расходящихся прямых, начинающихся на нижней и оканчивающихся на верхней пограничной кривой. Чем больше давление, тем выше лежит соответствующая изобара. Переход изобар из области влажного насыщенного пара в область перегретого пара происходит без перелома на верхней пограничной кривой.

В i,s-диаграмме водяного пара наносятся также линии постоянного паросодержания (х = const) и линии постоянного удельного объема (υ = const). Изохоры идут несколько круче, чем изобары.

Состояние перегретого пара обычно определяется в технике давлением р и температурой t. Точка, изображающая это состояние, находится на пересечении соответствующей изобары и изотермы.

24

Состояние влажного насыщенного пара определяется в технике давлением р и паросодержанием х. Точка, изображающая это состояние, находится на пересечении изобары и линии

х = const.

1.6. Термодинамические циклы

Цикл и теоремы Карно. Циклом Карно называется круговой цикл, состоящий из двух изотермических и из двух адиабатных процессов. Обратимый цикл Карно в p,υ- и T,s-диаграммах показан на рис. 1.9.

а б

Рис. 1.9. Обратимый цикл Карно в координатах P,υ (а) и T,s (б)

1–2 – обратимое адиабатное расширение при s1 = const. Температура уменьшается от T1 и T2 ; 2–3 – изотермическое сжатие, отвод теплоты q2 к холодному источнику от рабочего тела; 3–4 – обратимое адиабатное сжатие при s2 = const. Температура повышается от T3 до T4 ; 4–1 – изотермическое расширение, подвод теплоты q1 от горячего источника к рабочему телу.

Основной характеристикой любого цикла является термический коэффициент полезного действия:

26

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

2.1. Циклы паросиловых установок

Цикл Ренкина. На современных тепловых электростанциях большой мощности превращение теплоты в работу производится в циклах, в которых в качестве рабочего тела используется водяной пар высокого давления и температуры. Водяной пар производят в парогенераторах (паровых котлах), в топках которых сжигают различные виды органического топлива: уголь, мазут, газ и др.

Термодинамический цикл преобразования теплоты в работы с помощью водяного пара был предложен в середине XIX в. инженером и физиком У. Ренкиным. Принципиальная тепловая

В конденсаторе пар преобразуется в воду (конденсируется), которая с помощью насоса 5 вновь подается в парогенератор. Таким образом цикл замыкается.

28

На рис. 2.2 показан цикл Ренкина на перегретом паре

вP,υ- и Т,s-диаграммах, состоящий из следующих процессов:

–изобара 4–5–6–1 – нагрев, испарение воды и перегрев пара в парогенераторе за счет подводимой теплоты сгорания топ-

лива q1;

–адиабата 1–2 – расширение пара в турбине с совершением полезной работы lат;

–изобара 2–3 – конденсация отработанного пара с отводом теплоты охлажденной воды q2 ;

–адиабата 3–4 – сжатие конденсата питательным насосом до первоначального давления в парогенераторе с подводимой

извне работой lан.

Рис. 2.2. Цикл Ренкина на перегретом паре: a – в Р,υ-диаграмме;

б– в Т,s-диаграмме

Всоответствии со вторым законом термодинамики полезная работа за цикл равна разности подведенной и отведенной

вцикле теплоты:

lцпол = q1 −q2 =lат −lан.

29

Термодинамический цикл Ренкина определяется выражением

ηt = q1 q−1q2 = lат q−1lан .

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от величин начальных и конечных параметров пара (давления и температуры).

Энергию пара (рабочего тела) при изменении его состояния удобно оценивать величиной энтальпии. Так, количество теплоты, подводимой в изобарном процессе 4–5–6–1 (см. рис. 2.2), при нагреве воды, парообразовании и перегреве, Дж/кг,

q1 =i1 −i2′,

где i2′ – энтальпия конденсата, подаваемого в котел.

Количество теплоты, отдаваемой в изобарном процессе 2–3 при конденсации пара,

q2 =i2 −i2′.

Полезная работа, совершаемая в турбине,

lцпол = q1 −q2 =i1 −i2 +i2′ =i1 −i2.

Термодинамический КПД цикла Ренкина в этом случае

Количество пара, которое требуется пропустить через турбину, чтобы получить 1 кВт ч (3600 Дж) энергии, т.е. теоретический удельный расход пара

Тогда полный расход пара, кг/с, при мощности N, кВт, можно определить по выражению

30