Цикл Карно для водяного пара
Паротурбинные установки отличаются от двигателей внутреннего сгорания тем, что продукты сгорания топлива являются только промежуточным теплоносителем, а рабочим телом служит пар какой-либо жидкости, чаще всего водяной пар.
В паротурбинных установках процесс получения работы происходит следующим образом (рис. 19-1). Химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания, которая затем в виде теплоты передается воде и пару в котле 1 и перегревателе 2. Полученный пар направляется в паровую турбину 3, где и происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем обычно в электрическую энергию в электрогенераторе 4. Отработавший пар поступает в конденсатор 5, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат конденсационным насосом 6 направляется в питательный бак 7, откуда питательная вода забирается питательным насосом 8, сжимается до давления, равного давлению в котле, и подается через подогреватель 9 в паровой котел 1.
Как известно, наиболее совершенным идеальным циклом является цикл Карно. Для насыщенного пара цикл Карно представлен на рис. 19-2. Точка О характеризует начальное состояние кипящей воды при давлении p1. Воде при постоянной температуре Тн1 и постоянном давлении р1 сообщается теплота q1, равная теплоте парообразования r (процесс 0-1). Полученный сухой насыщенный пар от точки 1 расширяется по адиабате в цилиндре паровой турбины до давления р2 (процесс 1-2). В этом процессе температура пара понижается до Тн2 конденсатора и степень сухости уменьшается от х — 1 до хг. Образовавшийся влажный пар со степенью сухости x2 частично конденсируется при постоянной температуре Тн2 и давлении р2 до точки 3 (процесс 2-3). При этом сухость его уменьшается до x3. От пара отводится теплота q2 = r2 (х2 — х3). От точки 3 пар по адиабате сжимается в компрессоре до начального состояния, и пар полностью превращается в кипящую воду. Паротурбинная установка, работающая по циклу Карно, должна 
состоять из парового котла (процесс 0-1), парового двигателя (процесс 1-2), конденсатора (процесс 2-3) и компрессора (процесс 3-0). Термический к. п. д. цикла Карно, где в качестве рабочего тела используют насыщенный пар, определяется по уравнению
Применение перегретого пара в цикле Карно не увеличивает его к. п. д., если пределы температур остаются без изменения. На рис. 19-3 цикл Карно для насыщенного пара изображается площадью прямоугольника 01230, а для перегретого пара — пл. 04530. Из рисунка видно, что к. п. д. обоих циклов одинаковы.
Цикл Карно для пара имеет некоторые недостатки, которые делают нецелесообразным его применение в технике. Эти недостатки заключаются в следующем: в процессе 2-3 конденсация пара осуществляется не полностью, вследствие чего объем цилиндра компрессора при адиабатном сжатии влажного пара от точки 3 до О при давлении р2 должен быть весьма значительным, а это требует большого расхода металла. Размеры цилиндра компрессора увеличиваются с возрастанием начального давления пара и уменьшением давления в конденсаторе, т. е. при переходе к более выгодным температурным режимам. Кроме того, необходимость осуществления цикла Карно только в области двухфазных состояний не позволяет иметь высокую начальную температуру пара, ограниченную в пределе критической температурой, т. е. не дает возможности получить достаточно большое значение термического к. п. д. цикла.
Главное же заключается в том, что затрачиваемая действительная работа на привод компрессора значительно больше теоретической вследствие наличия в нем больших потерь, связанных с необратимостью протекающих процессов. Эти потери могут увеличить действительную работу по сравнению с теоретической на 50% и выше.
Источник статьи: http://helpiks.org/3-16563.html
Цикл Карно для водяного пара и его недостатки
Оценивая совершенство какого-либо цикла путем сравнения его с циклом Карно удобно пользоваться коэффициентом заполнения. Эта величина представляет собой отношение площади рассматриваемого цикла в Ts-диаграмме к площади соответствующего ему цикла Карно.
Например, газовый цикл 1-2-3-4-1 характеризуется коэффициентом заполнения
У газовых циклов коэффициент заполнения значительно меньше единицы, потому что изобарные процессы подвода тепла (линия 2-3)и отвода тепла (линия 4-1) осуществляются при переменной температуре.
Если же вместо неконденсирующегося газа в качестве рабочего тела использовать влажный пар какого-либо вещества, то становится возможным доведение коэффициента заполнения цикла до единицы, ибо в области влажного пара изобарные процессы одновременно являются изотермическими.
Рассмотрим вопрос о практической осуществимости на водяном паре цикла Карно, представленною в р 
— и Ts-диаграммах.
изобарно-изотермический процесс парообразования 4-1;
адиабатное расширение пара 1-2;
изобарно-изотермический процесс неполной конденсации 2-3;
адиабатное сжатие влажного пара 3-4 с полным превращением его в воду.
При использовании сухого насыщенного пара с параметрами p1=170 бар и t1 =352°С (верхний температурный уровень цикла) конечная влажность его при адиабатном расширении до р2 =0,03 барпо расчётусоставляет 41,3%.
Таким образом, двигателю пришлось бы работать в чрезвычайно неблагоприятных гидродинамических условиях очень высокой влажности пара.
На осуществление адиабатного сжатия частично сконденсировавшегося при р2=0,03 бар отработавшего пара до начального давления p1 =170 бар с полным превращением его в воду необходимо затратить работу lТ = 562 кДж/кг, что составляет 55,3% всей работы lТ =1014 кДж/кг, совершаемой двигателем.
Это означает, что компрессор по своим габаритам был бы соизмерим с самим двигателем, гидродинамические же условия его работы были бы еще тяжелее, чем у последнего (по расчету начальная влажность адиабатного сжатия получается равной 58%, конечная же влажность, как ясно, составляет 100%).
Приведенные данные показывают, что паросиловые установки, в которых нашел бы практическое осуществление цикл Карно, являются бесперспективными.
Поэтому развитие паросиловой техники пошло в другом направлении, связанном с полной конденсацией отработавшего пара и применением перегретого пара.
Цикл Ренкина
В результате замены парового компрессора насосом, подающим в котел конденсат отработавшего пара, а также введения перегрева пара перед двигателем цикл Карно превращается уже в другой цикл, называемый циклом Ренкина.
1 – паровой котел с пароперегревателем;
2 – паровой двигатель;
Паровой котел представляет собой устройство, в котором производится сжигание топлива и теплота образующихся газообразных продуктов сгорания используется для превращения поступающей в него воды в перегретый (или насыщенный) пар.
Конденсатор представляет собой трубчатый теплообменник, внутренняя поверхность трубок которого охлаждается циркуляционной водой, за счет чего на их наружной поверхности происходит конденсация отработавшего пара.
Скапливающийся внизу конденсат откачивается насосом, который повышает его давление до необходимой величины и подает обратно в котел.
Цикл Ренкина состоит из:
1-2 — адиабатного процесса расширения пара в двигателе;
2-3 — изобарно-изотермического процесса конденсации отработавшего пара в конденсаторе;
3-4 — адиабатного процесса повышения давления воды в насосе;
4-5-6-1 — изобарного процесса парообразования в котле.
На р — диаграмме:
площадь 1-2-8-7-1 – техническая работа двигателя lТ;
площадь 3-4-7-8-3 – техническая работа, затраченная на привод насоса lн;
площадь цикла 1-2-3-4-1 – их разность, т.е. полезная работа цикла l0, совершаемая над внешним объектом (над генератором).
На Ts-диаграмме:
площадь 4-5-6-1-7-8-4 – тепло q1, получаемое рабочим телом от горячего источника (газообразных продуктов сгорания топлива),
площадь 2-3-8-7-2 – тепло q2, отдаваемое рабочим телом холодному теплоприемнику (циркуляционной воде конденсатора),
площадь цикла 1-2-3-4-5-6-1 – их разность q1–q2, т.е. полезное тепло, превращаемое в работу lо.
Поскольку математически работа двигателя lТ положительна, а работа, затраченная на привод насоса lН, отрицательна, полезная работа цикла может быть представлена как алгебраическая сумма этих работ:
Предполагая, что вода несжимаема, т.е., что в точках 3 и 4 удельные объемы ее одинаковы 
, получаем:
и тогда 
Тепло, подводимое к рабочему телу от горячего источника
а термический к.п.д. цикла Ренкина
Величина i3 представляет собой энтальпию кипящей воды при давлении р2 , которую следует обозначить буквой 
.
Таково выражение для термического к. п. д. цикла Ренкина с учетом затраты работы на привод насоса.
При анализе работы паросиловых установок с невысоким начальным давлением можно пренебречь затратой работы на привод насоса:
Величину термического к.п.д. цикла Ренкина удобно определять графо-аналитическим методом с помощью is-диаграммы:
Помимо термического к.п.д. показателем эффективности цикла Ренкина может служить теоретический удельный расход пара, т.е. количество пара, теоретически расходуемое на единицу работы:
, кДж/кг, или 
, кг/(кВт×ч).
| | | следующая лекция ==> | |
| Методы повышения к.п.д. ГТУ | | | Конспект Водные ресурсы. |
Дата добавления: 2016-02-09 ; просмотров: 2204 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник статьи: http://helpiks.org/6-87658.html
Циклы Карно и Ренкина на насыщенном паре
Рис. 1.25. Циклы Карно и Ренкина на насыщенном паре
Цикл Карно на насыщенном паре можно было бы осуществить следующим образом. Теплота от горячего источника подводится при постоянной температуре Т1 по линии 5-1. В результате вода с параметрами точки 5 превращается в сухой насыщенный пар с параметрами точки 1. Пар адиабатно расширяется в турбине до температуры Т2, совершая техническую работу lтех. При этом превращается во влажный пар с параметрами точки 2. Этот пар поступает в конденсатор, где отдает теплоту холодному источнику. Степень сухости при этом уменьшается от х2 до х2 I . Влажный пар с параметрами точки 2 I сжимается в компрессоре по линии 2 I -5, превращаясь в воду с температурой кипения. На практике этот цикл не осуществляется, так как на привод компрессора затрачивалась бы большая часть мощности вырабатываемой турбиной.
Цикл Ренкина на насыщенном паре реализуется следующим образом. Пар конденсируют до конца по линии 2-3. Затем насосом увеличивают давление воды от р2 до р1 по линии 3-4. Поскольку вода не сжимаема, точки 3 и 4 почти совпадают, и затрачиваемая на привод насоса мощность оказывается ничтожной по сравнению с мощностью турбины (несколько процентов). Соответственно полезная мощность турбины будет значительно больше, чем в предыдущем цикле.
Рис. 1.26. Схема паротурбинной установки:
ПК — паровой котел; Т – паровая турбина; ЭГ – электрогенератор;К – конденсатор; Н – насос.
Теплота в этом цикле подводится по линии 4-5-1 в паровом котле ПК. Далее пар поступает в турбину Т и расширяется там по линии 1-2 до давления р2. Расширяясь пар, совершает техническую работу lтех. Она передается на электрический генератор ЭГ или другую машину, которую вращает турбина. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор К, где конденсируется по линии 2-3, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде.
Термический КПД цикла Ренкина меньше чем КПД цикла Карно при тех же температурах Т1 и Т2, поскольку средняя температура подвода теплоты уменьшается при неизменной температуре отвода. Однако реальный цикл (с учетом неравновесности сжатия в компрессоре в цикле Карно) оказывается экономичнее.
Дата добавления: 2015-08-11 ; просмотров: 1533 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник статьи: http://helpiks.org/4-77816.html
