ЦИКЛЫ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Основным циклом паросиловой установки является цикл Ренкина. Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паросиловых уста­новках (п. с. у.), которые являются базой современной теплоэнер­гетики (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Принципиальная тепловая схема паросиловой установки

За начальное состояние здесь принята вода при некоторой тем­пературе (точка 3, рис. 13.2), которая насосом сжимается (по 3 – 4¹) и подается в котел К при давлении p₁. Здесь происходит нагревание воды при постоянном давлении (процесс 4 – 5) до температуры кипе­ния (точка 5), затем происходит парообразование (процесс 5 – 6). Полученный сухой насыщенный пар в пароперегревателе ПП пере­гревается до требуемой температуры t₁ (процесс 6-1).

Перегретый пар, имею­щий параметры р₁ и t₁ по паропроводу поступает в паровую турбину Т, где происходит адиабатное рас­ширение до давления р₂ с совершением технической работы (процесс 1 – 2). По­сле турбины пар поступает в конденсатор Кон., который представляет со бой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок охлаж­дается циркулирующей водой.

В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнима­ется теплота парообразования (q₂) и пар переходит при постоянных давлении р₂ и температуре t₂ в жидкость (процесс конденсации 2 – 3). В дальнейшем цикл повторяется. Рассмотренный основной цикл паросиловой установки называется циклом Ренкина или простым кон­денсационным циклом.

Рис. 13.2. Основной цикл п. с. у. (цикл Ренкина) в р – v – (a) и Т – s – координатах (б)

В цикле Ренкина осуществляется полная конден­сация пара с последующим адиабатным сжатием 3 – 4 конденсата в насосе, что уменьает полезную работу пара при его адиабатном расширении в струбке.

Термический к. п. д. цикла Ренкина может быть вычислен по общему выражению (7.1).

Теплота q₁ сообщается на участках 4–5–6–1 (рис. 13.2, б) при постоянном давлении ее можно найти из (9.18); q₁ = i₁–i′₂, где i₁ –энтальпия пара, поступающего в турбину, измеряемая пл. 00'45612'; i₁ – энтальпия поступающей в котел жидкости (конденсата), измеряемая пл. 00'33'.

Рис. 13.3. График обратимого 1–2 адиабатного процесса расширения на i – s –диаграмме

Теплота, отдаваемая паром в конденсаторе также при постоянном давлении, на участке 2 –3 будет равна

q₂ = i₂ – i′₁,

где i₂ – энтальпия пара, выходящего из турбины, измеряемая пл. 00'322'. Тогда

(13.1)

Легко видеть, что подведенная в цикле теплота q₁ будет измеряться пл. 45612'3'4, отведенная q₂ – пл. 22'3'32, а полезно использованная q₀= q₁–q₂ – пл. 456124.

Удобно определять к. п. д. цикла паросиловой установки при помощи i – s – диаграммы, где i₁– i₂ определяются по известным на­чальным и конечным параметрам адиабатного процесса расширения пара в турбине (рис. 13.3); i′₂ определяется по таблицам насыщенного пара для давления р₂.

Важной расчетной характеристикой цикла является удельный расход пара d₀, представляющий собой отношение часового расхода пара в идеальном двигателе D₀ к выработанной электроэнергии N. Так как 1 кг пара совершает в теоретическом цикле q₀ = i₁ – i₂ полезной работы, а 1 квт-час = 3600 кДж, то из уравнения теплового баланса идеального двигателя

D₀ (i₁ – i₂) = 3600N

получаем выражение для теоретического удельного расхода пара

(13.2)

Анализ уравнения (13.1) показывает, что для увеличения термического к.п.д. цикла Ренкина необходимо увеличивать энтальпию пара перед турбиной i₁ путём повышения Р₁ и t₁ и понижать давление пара в конденсаторе Р₂. Однако при работе даже на максимально возможных технически достижимых параметрах пара (р₁=300 бар, t₁=600°С, Р₂=0,03 бар) термический к.п.д теоретического цикла тепловой электростанции (ТЭС) с конденсационными турбинами не превышает 45-47%, а с учётом всех теплоывх, механических и электрических потерь – не более 30-35%.

В этой связи в нашей стране получил широкое распространение метод комбинированной выработки электроэнергии и тепла (теплофикация) на базе теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), оборудованных ПСУ с теплофикационными турбинами. Такие установки позволяют значительно повысить экономичность использования тепла (до 70-80% и выше) за счёт полезного использования значительной части раньше терявшегося тепла на q₂ промышленные и коммунально – бытовые нужды.

Экзаменационные вопросы

1. Понятие о внешней и внутренней энергии тела. Две формы передачи энергии. Теплота и работа. Основные параметры состояния рабочего тела.

2. Идеальный газ как простейшая модель рабочей среды. Уравнение состояния идеального газа в форме Клапейрона и в форме Менделеева.

3. Смеси идеальных газов. Основные понятия и определения. Способы задания состава и связь между ними. Закон Дальтона.

4. Смеси идеальных газов. Определение средней (кажущейся) молекулярной массы, плотности и газовой постоянной смеси.

5. Внутренняя энергия газа и ее определение.

6. Работа изменения объема газа и ее определение.

7. Эквивалентность теплоты и работы. Формулировка и аналитическая форма I закона термодинамики.

8. Энтальпия, основные понятия и определения. Определение энтальпии идеального газа.

9. Аналитическое выражение I закона термодинамики через энтальпию. Физический смысл энтальпии.

10. Понятие теплоты процесса. Основные понятия о теплоемкости. Массовая, объемная и мольная теплоемкости и их взаимосвязь.

11. Зависимость теплоемкости от характера процесса подвода тепла. Изохорная и изобарная теплоемкости идеального газа, взаимосвязь между ними. Уравнение Майера.

12. Зависимость теплоемкости газа от температуры. Истинная и средняя теплоемкости и их взаимосвязь. Теплоемкость газовых смесей.

13. Энтропия, основные понятия и определения. Вычисление изменения энтропии идеального газа. Тепловая TS- диаграмма и ее применение.

14. Изохорный процесс идеального газа.

15. Изобарный процесс идеального газа.

16. Изотермический процесс идеального газа.

17. Адиабатный процесс идеального газа

18. Политропный процесс идеального газа как общая форма частных процессов.

19. Круговые процессы или циклы.

20. Цикл Карно и его значение в теплотехнике.

21. Второй закон термодинамики, его сущность и основные формулировки, их связи с принципом действия технических устройств.

22. Водяной пар и его значение в теплотехнике. Основные понятия и определения. PV-диаграмма водяного пара.

23. Исследование процесса парообразования вTS-диаграмме. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Критическая точка и ее параметры.

24. Определение параметров кипящей жидкости и сухого

насыщенного пара по расчетным формулам, таблицам и iS-диаграмме.

25. Определение параметров влажного насыщенного пара по

расчетным формулам и iS-диаграмме.

26. Определение параметров перегретого пара по расчетным

формулам, таблицам и iS-диаграмме.

27. Принцип построения и характерные особенности iS-диаграммы водяного пара. Определение параметров водяного пара и расчет паровых процессов с помощью iS-диаграммы.

28. Уравнение первого закона термодинамики для газового потока.

29. Сопла и диффузоры, их назначение и принцип действия.

30. Располагаемая работа при истечении газов и паров.

31. Определение скорости и массового расхода для истечения газов и паров из суживающегося сопла. Критическое отношение давлений.

32. Истечение идеального газа. Сопла Лаваля.

33.Процесс дросселирования газов и паров, его физическая сущность и уравнение. Изменение параметров в процессе дросселирования.

34. Дросселирование реальных газов и водяного пара. Практическое использование процесса дросселирования.

35.Классификация компрессорных машин. Термодинамический

анализ процесса сжатия газа в поршневом компрессоре.

36. Схема паротурбинной установки. Цикл Ренкина.Термический КПД цикла и пути его повышения. Понятие о теплофикационном цикле.

37. Влажный воздух как смесь идеальных газов. Определение влагосодержания, относительной влажности и точки росы.

38. Jd- диаграмма влажного воздуха - принципы построения, характерные особенности, определение параметров, расчет процессов.

коэффициента теплопередачи и сопротивления теплопередачи.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980
2. Кушнырев В.И. и др. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. Для вузов / В.И. Кушнырев, В.И. Лебедев, В.А.Павленко. – М.: Стройиздат, 1986.
3. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия,1969.
4. Теплотехника: Учеб.для вузов /Под ред. В.И.Крутова. – М.: Машиностроение, 1986.
5. Теплотехника: Учеб. Пособие для студентов вузов / Под ред. Г.А.Матвеева. – М.: Высшая школа, 1981.
6. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. М.: Энергия, 1980.
7. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1973