И законы (начала) термодинамики

Упрощенная технологическая схема паросиловой конденсационной энергетической установки для производства электроэнергии приведена на рис. 2.1.

Пар большого давления и температуры подается из котельного агрегата КА (парогенератора) через пароперегреватель ПП в сопловые аппараты паровой турбины ПТ (см. линию связи 1 на рис. 2.1), имеющей несколько ступеней расширения пара. Расширяясь, пар вращает турбину, которая приводит во вращение электрогенератор ЭГ. При этом температура и давление пара в ПТ падают до некоторых конечных значений. После турбины (см. линию связи 2 на рис. 2.1) пар направляется в конденсатор К (теплообменник, по трубам которого циркулирует охлаждающая вода), где конденсируется, превращаясь в воду. Эта вода поступает в питательный насос ПН (см. линию связи 3 на рис. 2.1), который закачивает ее под определенным давлением (см. линию связи 4 на рис. 2.1) в нагревательные трубы котельного агрегата КА. В нем вода сначала нагревается дымовыми газами из топки КА до температуры кипения, а затем влажный насыщенный пар нагревается в кипятильных трубах КА до состояния сухого насыщенного пара. Далее этот пар поступает в пароперегреватель (см. линию связи 5 на рис. 2.1), где параметры пара (давление и температура) доводятся до состояния, соответствующего параметрам линии связи 1 на рис. 2.1. Так замыкается термодинамический цикл работы установки.

Рис. 2.1. Схема паросиловой конденсационной установки

В процессе теплообмена с котельным агрегатом и конденсатором рабочее тело меняет такие свои параметры, как давление, объем и температура в зависимости от характера теплопередачи. Как известно [2,4], изменение этих параметров может происходить изотермически (при постоянстве температуры), адиабатически (при постоянстве совершаемой работы), изохорически (при постоянстве объема) и изобатически (при постоянстве давления). Из этих термодинамических процессов в ходе преобразования полученного количества теплоты от котельного агрегата образуются замкнутые термодинамические циклы рабочего тела.

Энергетические установки на органическом топливе всегда используют перегретый пар. В настоящее время температура пара конденсационных установок с промежуточным перегревом пара перед турбиной обычно достигает 540–560 ^оС при давлении пара перед турбиной до 23,5 МПа, а без промежуточного перегрева – до 535 ^оС при давлении до 8,8 МПа.

Энергетические установки на ядерном топливе широко используют насыщенный пар, начальные параметры которого на входе в турбину зависят как от технологической схемы установки, так и от типа применяемой турбины (конденсационной или с регулируемыми отборами пара).

Таким образом, энергия сгораемого топлива идет на нагрев питательной воды и пара в паровом котле. Энергия пара парового котла (теплогенератора) преобразуется в механическую энергию вращения паровой турбины с электрогенератором на валу. Кроме того, она расходуется на промежуточный перегрев пара, регенерацию (регенеративный подогрев питательной воды), теплофикацию самой электростанции и жилых массивов (сетевой подогрев) и др. Заметим, что рабочее тело (питательная вода и пар) получает тепловую энергию от нагревателя (котельного агрегата), имеющего больший запас внутренней энергии, а затем отдает тепловую энергию холодильнику–конденсатору, имеющему меньший запас энергии.

Термодинамическое состояние тепловых двигателей характеризуется важными термодинамическими функциями состояния – энтальпией и энтропией.

(2.1)

Энтальпия h – термодинамическая функция, характеризующая теплосодержание системы (количество теплоты или работу). Она определяется соотношением:

h = ∆W + PV,

где ∆W – изменение внутренней энергии системы при ее переходе из одного термодинамического состояния в другое;

P – давление пара;

V – объем пара.

Энтальпия отражает 1–й закон термодинамики – количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы. По сути, энтальпия, имеющая размерность энергии, является частной формой закона сохранения энергии. Теплота Q, равная h, полученная системой при переходе ее из одного состояния в другое, частично расходуется на совершение работы пара (A = PV), а частично идет на увеличение ее внутренней энергии на величину ∆W. Внутренняя энергия системы является функцией состояния системы, т.е. величина ∆W не зависит от пути перехода из одного состояния в другое, а зависит лишь от начального и конечного состояний. При постоянном давлении количество теплоты, поглощенной системой при переходе из одного состояния в другое, равно приращению энтальпии. Иными словами, согласно (2.1) работа пара при адиабатическом расширении (или сжатии) равно убыли ∆W его внутренней энергии. Как следствие, количество теплоты, полученное паром, полностью превращается в работу при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (∆W=0).

Энтропия s – термодинамическая функция, характеризующая изменение энергии в процессе перехода из одного равновесного состояния в другое. Энтропия отражает 2–й закон термодинамики, определяющий статистическую направленность изменения состояния системы – замкнутая система самопроизвольно переходит из менее вероятного в более вероятное состояние. Полагается, что тепло не может самопроизвольно переходить от более холодного к более горячему телу так, чтобы не произошло каких–либо изменений в других телах. В необратимых тепловых процессах передачи тепла от сжигаемого топлива рабочему телу (пару), что характерно для реальных тепловых двигателей, энтропия возрастает и определяется соотношением

s ≥ Q/T,

где T – абсолютная температура системы;

Q – количество тепла, поглощенного системой.

Заметим, что при совершении полезной работы, т.е. при преобразовании тепловой энергии рабочего тела в механическую энергию, энтропия всегда нарастает, что сопровождается отводом тепла в окружающую среду вместе с охлаждающей водой, охлаждающей средой электрогенератора и др. Следовательно, тепловые двигатели неизбежно приводят к постепенному повышению средней температуры окружающей среды, вероятности возникновения «парникового эффекта» и иным отрицательным для экологии последствиям.