ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

В. Н. Диденко

Теплосиловые установки

Методическое пособие – курс лекций

по дисциплине «Термодинамика »

раздел « Теплосиловые установки »

для студентов специальности 140100.62 «Промышленная теплоэнергетика»

Ижевск 2009

УДК 621.

Определение . Методическое пособие – курс лекций по дисциплине«Термодинамика »раздел « Теплосиловые установки »для студентов специальности 140100.62 «Промышленная теплоэнергетика»

Составитель: доктор технических наук В. Н. Диденко

Методическое пособие – курс лекций - содержит основные сведения о паросиловых и газотурбинных установках и их термодинамических циклах.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению «Теплоэнергетика»

© Диденко В. Н. (составление), 2009

©Издательство ИжГТУ, 2009

1. Паровые теплосиловые установки.

1. Циклы Карно во влажном паре.

Теплосиловые установки – это тепловые двигатели, предназначенные для преобразования теплоты в механическую работу.

В газовых теплосиловых установках рабочим телом является газ. Ранее было показано, что прямой обратимый цикл Карно обладает наивысшим термодинамическим КПД.

Рис 1.2 Прямой цикл Карно газообразного

рабочего тела на диаграмме

Рис 1.1 Прямой цикл Карно газообразного

рабочего тела на диаграмме

Если в качестве рабочего тела использовать газ, топриблизитьсяк изотермическому сжатию возможно с применением многоступенчатых компрессоров, у которых предусматриваетсяпромежуточноеохлаждениепосле последней ступени.

А изотермическое расширение приблизительно можно воспроизвести за счет ступенчатого подвода теплоты в газотурбинныхустановках.

Таким образом, цикл Карно не может быть реализован газообразным рабочим телом (газом) из-за технических проблемосуществления изотермических процессов расширения и сжатия газа.

Использование в качестве рабочего тела пара– газообразного состояния вещества при температуре ниже критической, позволяетотносительно простореализовать цикл Карно.

Паровые теплосиловые установки– это теплосиловые установки, в которых рабочим телом является пар, получаемый испарением легкокипящей жидкости. В качестве такой жидкости наиболее часто используется вода, обладающая следующимипреимуществами:

• вода находится в жидкой фазе при атмосферном давлении и достаточно низкой температуре;

• легкая конденсация в жидкую фазу;

• сравнительно низкая теплота парообразования при ;

• экологичность, низкая агрессивность в установке, большие природные запасы.

Как известно, фазовые переходы в области влажного насыщенного пара (парообразования и конденсация) являются при постоянном давлении одновременно и изотермическими.

Реализовать изобарный процесс как в газе, так и в паре технически просто.

Если расположить изобарные процессы расширения и сжатия в области влажного насыщенного пара и добавить к ним адиабатные процессы расширения и сжатия, то получим цикл Карно.

Рис 1.4 Прямой цикл Карно во влажном

насыщенном паре на диаграмме

Рис 1.3 Прямой цикл Карно во влажном

насыщенном паре на диаграмме

Рис 1.5 Схема паровой теплосиловой установки, работающей по циклу Карно во влажном насыщенном паре:

ПК – паровой котел;

ЭГ – электрогенератор;

ЦН – циркуляционный насос;

ПТ – паровая турбина;

К – конденсатор;

КП – компрессор.

В паровой котел ПК поступает влажный насыщенный пар с параметрами ииз компрессора КП. На рис.1.3. и 1.4. линия 4-1 – процесс увеличения степени сухости влажного насыщенного пара в паровом котле ПК отдоза счет подвода теплотыот сжигания топлива в топке котла ПК. Теплотаподводится к насыщенному пару в котле прии. Пар с высокой степенью сухостиподается из котла к соплам паровой турбины ПТ при давлениии температуре. Линия 1-2 процесс адиабатного расширения пара в турбине. Расширение пара при истечении из сопел приводит к увеличению его кинетической энергии, которая передается лопатками рабочего колеса турбины и приводит рабочее колесо во вращение.

На одном валу с рабочим колесом турбины установлен электрогенератор Э – «потребитель работы».

На выходе из турбины влажный насыщенный пар имеет параметры ,и степень сухости, причем,и. С этими параметрами влажный насыщенный пар поступает в конденсатор К – рекуперативный теплообменный аппарат с проточной водой в качестве охлаждающей жидкости. Охлаждающая вода подается в конденсатор циркуляционным насосом ЦН. Линия 2-3 – процесс отъема теплотыприиот влажного насыщенного пара с понижением степени его сухости отдо.

С параметрами ,ивлажный насыщенный пар всасывается компрессором КП. Линия 3-4 – процесс адиабатного сжатиянасыщенного пара до давлениятемпературыс уменьшением степени сухости отдо.

Но этот цикл не используется из-за проблем реального осуществления процесса сжатия 3-4 в компрессоре. Наличие капель жидкости во влажном насыщенном паре плохо сказывается на работе проточных частей паровой турбины и компрессора. Компрессор предназначен для сжатия газа, а в рассматриваемом процессе 3-4 сжимается влажный насыщенный пар. Из-за неполной конденсации влажного пара в конденсаторе в компрессор поступает влажный пар с большим удельным объемом . Это приводит к необходимости использования компрессоров с увеличенными объемами цилиндров, что увеличивает работу на сжатие пара ( площадь 3-4-5-6 на рис.1.3.).

Термический КПД цикла Карно во влажном паре

или

(1.1)

Пример 1: при и соответствующем,и соответствующем

Таким образом, эффективность цикла Карно во влажном паре весьма велика.

Так как процессы 4-1 и 2-3 является изобарно-изотермическими, то по формулам для изобарных процессов

;

Окончательно (1.2)

по формулам (1.1) необходимо увеличивать давление пара в котле , а для уменьшениянеобходимо понижать давлениев конденсаторе.

При этих изменениях увеличивается , но также увеличиваются объемы цилиндров компрессора.

Таким образом, главными недостатками цикла Карно во влажном паре являются:

1. громоздкость компрессора из-за большого объема цилиндров;

2. большие затраты энергии на сжатии влажного пара в компрессоре с большим объемом цилиндров.

Из-за этих недостатков за идеальный цикл паровой теплосиловой установки принят другой специальный цикл – цикл Ренкина.