12. Циклы паросиловых установок

12.1. Цикл Карно для насыщенного пара

Основным рабочим телом в паросиловых установках является водяной пар, используемый как в перегретом, так и в насыщенном состояниях. Если рабочим телом установки является насыщенный пар, то возможно осуществить цикл Карно и получить максимальный термический к.п.д.

Принципиальная схема установки, осуществляющей цикл Карно в области насыщенного пара, представлена на рис. 12.1. На рис. 12.2 приведено изображение цикла в координатах p, u и T, s.

Установка состоит из следующих основных элементов: паровой котел I, паровая турбина II с электрогенератором, конденсатор III, компрессор IV (рис.12.1). Цикл Карно состоит из следующих процессов: 4-1 - процесс парообразования, осуществляемый в котле при Т₁ = const и p₁ = const; 1-2 - адиабатное расширение сухого пара в турбине; 2-3 - неполная конденсация пара в конденсаторе при Т₂ = const и p₂ = const; 3-4 - адиабатное сжатие влажного пара в компрессоре.

Таким образом, рассмотренный цикл, так же как и изучавшийся ранее цикл Карно для идеального газа, состоит из двух изотерм (4-1 и 2-3) и двух адиабат (1-2 и 3-4).

Особенностью данного цикла является то, что конденсация не доводится до конца, т.е. до получения насыщенной жидкости низкого давления р₂ (ей соответствовала бы точка 3¢). Достигаемая при неполной конденсации точка 3 выбирается таким образом, чтобы последующее адиабатное сжатие 3-4 в компрессоре III привело влажный пар (точка 3) к состоянию 4, т.е. к состоянию насыщенной жидкости при давлении р₁.

Теплота q₁, подведенная к рабочему телу в процессе кипения 4-1, может быть представлена на диаграмме T, s площадью с41d. Теплота q₂, отведенная от рабочего тела в процессе конденсации 2-3, может быть представлена площадью с32d.

Для любого прямого цикла тепловой баланс записывается в виде q₁ = l_ц + êq₂ô. Из этого следует, что площадь 1234 в диаграмме T, s, представляющая собой разность q₁ и êq₂ô, выражает работу цикла: l_ц = q₁ - êq₂ô.

Термический к.п.д. цикла Карно для насыщенного пара может быть найден по формуле

.

В данном случае х₄ = 0, х₁ = 1,

тогда ,

где х₁, х₂, х₃, х₄ - степень сухости в соответствующих точках цикла,

r₁ - теплота парообразования при р₁,

r₂ - теплота парообразования при р₂.

Как известно, цикл Карно имеет наивысший термический к.п.д. в заданных температурных границах. Несмотря на это данный цикл не нашел применения в паросиловых установках. Объясняется это тем, что в процессе конденсации 2-3 образуется влажный пар с достаточно большим удельным объемом, вследствие чего объем цилиндра компрессора при адиабатном сжатии влажного пара от точки 3 до точки 4 должен быть весьма значительным. Это вызывает необходимость иметь громоздкий компрессор, расходующий на сжатие пара значительную работу. Причем эта работа будет увеличиваться при повышении начального давления р₁ и уменьшении конечного давления р₂, т.е. при переходе к более выгодным температурным условиям. Кроме того, необходимость осуществления цикла Карно только в области насыщенного пара не позволяет иметь высокую начальную температуру пара, ограниченную в пределе критической температурой. В силу изложенного за циклом Карно сохраняется лишь теоретическое значение.