Колпаков Б.А., Лебедев Б.О. Техническая физика. Часть 1 - Теплофизические основы судовой энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

110

циях различного назначения.

На рисунке 11.1 показан цикл Карно 1234 для пароэнергетической

установки, состоящий из адиабатного сжатия 1-2, изотермического про-

цесса подвода теплоты 2-3, адиабатного расширения 3-4 и изотермиче-

ского отвода теплоты 4-1. Следует отметить, что процессы подвода и

отвода теплоты являются не только изотермическими, но и изобарными

- в этом проявляются особенности процессов кипения и конденсации.

Термический кпд цикла Карно равен

12111t

11 qqТТ // -=-=

(11.1)

где

321

ТТТ == - температура подвода теплоты,

1411

ТТТ == - температура отвода теплоты.

Подведённая теплота цикла равна

231

hhq -=

а отведённая теплота -

142

hhq -= ,

где

hh ,... - удельные энтальпии рабочего тела в соответствующих

точках цикла.

С учётом вышесказанного

(11.2)

Несмотря на то, что в заданном интервале температур цикл Карно

имеет наибольшее значение термического кпд, в реальных пароэнерге-

тических установках он не применяется. Причин этому несколько.

Цикл Карно, осуществлённый в области влажного пара, как это по-

казано на рисунке 11.1 , имеет невысокое предельное значение термиче-

ского кпд, так как температура критической точки составляет 374

С и

даже в идеальном случае при температуре теплоотвода 273

=Т К

5502733742731 ,)/( =+-=

Перегрев пара в цикле Карно не приводит к повышению термиче-

ского кпд, так как температуры теплоподвода и теплоотвода в цикле без

перегрева пара (1234) и в цикле с перегревом пара ( 4312

) одинаковы.

Осуществить цикла Карно в зоне перегретого пара сложно, так как

изотермические процессы происходят при переменных давлениях и

НГАВТ - Стр 111 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

111

объемах. Поэтому в реальных пароэнергетических установках исполь-

зуются другие циклы, о которых будет сказано ниже.

11.2 Цикл Ренкина

Схема пароэнергетической установки, работающей по циклу Рен-

кина, показана на рисунке 11.2,а. В парогенераторе ПГ происходит пре-

вращение воды в сухой насыщенный пар, который затем перегревается в

специальном теплообменнике - пароперегревателе ПП и направляется в

паровую турбину. Процессы, происходящие в паровой турбине ПТ,

аналогичны процессам, протекающим в газовых турбинах. Отработав-

ший пар поступает в конденсатор КС и в процессе охлаждения превра-

щается в жидкость. Питательным насосом НС вода подаётся вновь в

парогенератор и процесс повторяется.

На диаграммах (рисунки 11.2,б и 11.3):

1-2 - адиабатный процесс расширения пара в турбине;

2-3 - изобарно-изотермический процесс отвода теплоты в конден-

саторе (конденсация пара);

3-4 - адиабатный процесс подачи воды питательным насосом в па-

рогенератор;

4-5 - изобарный процесс нагрева воды до температуры кипения в

парогенераторе;

Рисунок 11.2

ПГ

ПП

ПТ

НА

КН

НС

НГАВТ - Стр 112 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

112

5-6 - изобарно-изотермический процесс парообразования (кипение

воды в парогенераторе);

6-1 - изобарный перегрев пара в парогенераторе.

Термический кпд цикла Ренкина равен

121

qqq

/)( -=

где

411

hhq -= - подведённая в цикле теплота на нагрев воды, парооб-

разование и перегрев пара;

322

hhq -= - отведённая теплота в про-

цессе конденсации; h

,…h

– удельные энтальпии пара в соответствую-

щих точках цикла.

Энтальпия воды в процессе сжатия и перемещения её в насосе из-

меняется незначительно и можно принять равенство

hh » .

С учётом последнего замечания формула термического кпд, после

подстановки значений подведённой и отведённой теплоты, имеет вид

(11.3)

При определении термического кпд значения удельных энтальпий,

входящих в формулу (11.3), находятся по диаграммам или таблицам

воды и водяного пара. Без большой погрешности удельную энтальпию

воды в точке 3 цикла можно определить по выражению

Рисунок 11.3

p T

Х=1

а)

б)

НГАВТ - Стр 113 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

113

th 194

,» , кДж/кг , (11.4)

где

t - температура конденсации пара.

Удельная работа цикла Ренкина

l равна разности удельных работ

турбины

l и питательного насоса

l :

HTц

lll -= (11.5)

Удельная работа пара в турбине характеризуется на диаграмме p - v

площадью 12аб и равна

hhl

-= , (11.6)

а удельная работа, совершаемая над водой в питательном насосе, изо-

бражается в диаграмме p - v площадью 34ба и равна

)(

343

ppvl

-= (11.7)

Удельная работа насоса по абсолютной величине составляет обыч-

но менее 3-4 % от работы турбины, поэтому иногда в расчётах этой

работой пренебрегают.

11.3 Повышение эффективности ПЭУ

Определение влияния отдельных параметров на термический кпд

цикла Ренкина позволяет наметить пути повышения эффективности

Рисунок 11.4

Х=1

р р

1 1

Х=1

а)

б)

НГАВТ - Стр 114 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

114

ПЭУ.

На рисунке 11.4,а в координатах h - s показано изменение адиа-

батного перепада удельной энтальпии h

– h

при разных начальных

давлениях (

111

р,р,р

), но постоянной начальной температуре

t и оди-

наковом противодавлении

р .

Как видно из графика, с увеличением давления адиабатный перепад

энтальпий

hhh -=D в этих условиях возрастает, а при постоянном

значении удельной энтальпии

h (из-за неизменности давления в кон-

денсаторе) и примерно одинаковом значении начальной энтальпии

h ,

из формулы (11.3) следует, что термический кпд цикла Ренкина с ростом

начального давления увеличивается. В современных судовых пароэнер-

гетических установках давление перегретого пара составляет 4,0-6,0

МПа, а на стационарных ТЭЦ достигает 20 МПа.

Влияние температуры перегрева пара лучше анализировать по диа-

грамме T - s на рисунке 11.4,б. При сравнении двух циклов 12345 и

1’2’345, отличающихся только температурой пара перед турбиной,

видно, что во втором цикле средняя температура подвода теплоты (

Т )

больше чем в первом цикле (

Т ), а это означает, что при одинаковой

Рисунок 11.5

Х=1

КН

НС

ПГ

ПП

НА

ПТ

ЦН

ПО

а)

б)

НГАВТ - Стр 115 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

115

температуре теплоотвода

Т термический кпд второго цикла будет

выше. В судовых ПЭУ температура пароперегрева составляет 350-450

С, а на мощных ТЭЦ достигает 550

С.

На рисунке 11.5,а иллюстрируется доказательство полезности сни-

жения давления в конденсаторе (противодавления). Если начальные

параметры (температура и давление пара перед турбиной) в циклах оди-

наковы, то в цикле 12345 с более высоким давлением

р отведённая

теплота, определяемая площадью 23ав, оказывается больше чем в цикле

12’3’45, где эта теплота характеризуется площадью 2’3’cв. При одина-

ковом количестве подведённой теплоты термический кпд цикла 12345

будет ниже, и это говорит о том, что для повышения экономичности

ПЭУ следует уменьшать давление (и температуру) конденсации. В со-

временных конденсационных ПЭУ температура конденсации пара со-

ставляет 45-50

С.

Несмотря на целесообразность понижения давления в конденсато-

ре, в некоторых случаях это давление не понижают, а, наоборот, повы-

шают. Установки такого типа называют теплофикационными. В обыч-

ных конденсационных установках использование теплоты, передавае-

мой в конденсаторе, для отопительных целей не представляется воз-

можным из-за низкой её температуры. При повышении давления кон-

денсации до 0,8-1,0 МПа температура конденсации повышается до 170-

180

С, и это позволяет использовать охлаждающую конденсатор воду

для отопительных целей в приборах ОП системы отопления, как это

показано на рисунке 11.5,б. Общий коэффициент использования тепло-

ты в теплофикационных циклах достигает 70-75%.

НГАВТ - Стр 116 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

115

12 Циклы комбинированных двигателей

На рисунке 12.1 в диаграмме T - s показаны для сравнения ранее

рассмотренные циклы ДВС, ГТД и ПЭУ.

Цикл ДВС по сравнению с другими имеет преимущество в том, что

подвод теплоты здесь происходит при более высокой средней темпера-

туре

Т . В этом цикле наибольшая максимальная температура цикла

Т , достигающая 2000-2100 К. Максимальная температура в цикле ГТД

примерно в два раза ниже. Соответственно ниже в этом цикле и средняя

температура подвода теплоты

ТТ <

. Наименьшая максимальная

НГАВТ - Стр 117 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

116

температура в цикле Ренкина, где она достигает 800-850 К. Самая низ-

кая здесь и средняя температура подвода теплоты.

К достоинствам цикла Ренкина относится тот факт, что в этом цик-

ле наименьшая среди сравниваемых циклов средняя температура отвода

теплоты

¢¢

, достигающая 325-335 К. В цикле ГТД средняя температу-

ра отвода теплоты составляет

=400-450 К. Наибольшая средняя тем-

пература отвода теплоты, достигающая

Т = 500-550 К, в двигателях

внутреннего сгорания.

Преимуществом двигателей с газовым рабочим телом (ДВС и ГТД)

перед пароэнергетической установкой заключается в том, что подвод

теплоты в них происходит внутри самого рабочего тела при химической

реакции горения топлива. Передача теплоты через разделительную

стенку теплопередающих элементов парогенератора в ПЭУ приводит к

дополнительным потерям эксергии.

Таким образом, каждому из рассматриваемых двигателей присущи

достоинства и недостатки. Использование положительных качеств и

устранение отрицательных возможно при создании комбинированных

тепловых двигателей. Некоторые из таких установок будут рассмотрены

ниже.

Объединение достоинств двигателей с газовым рабочим телом воз-

можно в комбинированной установке, схема которого показана на ри-

Рисунок 12.1

а)

б)

в)

НГАВТ - Стр 118 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

117

сунке 12.2. Для газовой турбины поршневой ДВС представляет собой

недостающие звенья газотурбинной установки (компрессор и камеру

сгорания), позволяющие осуществить подвод теплоты при высокой

температуре, а для ДВС наличие газовой турбины ГТ даёт возможность

использовать потенциальную энергию давления газа на выпуске и полу-

чать дополнительную работу при расширении газа до атмосферного

давления.

Цикл комбинированной установки ДВС+ГТ показан на рисунке

12.2,б в диаграмме T - s . Здесь процессы 1-2-3-4-5 соответствуют цик-

лу ДВС с изохорно-изобарным подводом теплоты, а процесс 5-6 - рас-

ширению газа в турбине. Использование энергии выпускного газа по-

зволяет уменьшить теплоотвод на величину, пропорциональную пл. 561.

Соответственно на величину этой теплоты увеличивается работа комби-

нированного цикла.

Термический кпд комбинированного цикла ДВС+ГТ равен

)()(

)(

/)(

3423

TTcTTc

TTс

qll

Tцt

-+-

-=+=

где

l - удельная работа цикла ДВС,

l - удельная работа газа в турбине,

q - подведённая в цикле теплота,

TT ..

- температуры в соответст-

вующих точках цикла.

Рисунок 12.2

ДВС

ГТ

НА

а)

б)

НГАВТ - Стр 119 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

118

Развитие идеи комбинированного турбопоршневого двигателя при-

вело к появлению поршневых ДВС с газотурбинным наддувом, позво-

ляющим значительно увеличить мощность двигателей, и особого рода

двигателей (установок со свободно-поршневыми генераторами газа), в

которых поршневой ДВС служит как генератор газа, а полезная работа

передаётся потребителю только от турбины.

На судах и в береговых установках применяются газопаровые ус-

тановки, в которых совмещаются принципы работы газотурбинных и

пароэнергетических тепловых двигателей. На рисунке 12.3,а показана

одна из таких схем, где КМ - воздушный компрессор, КС - камера сго-

рания, ГТ - газовая турбина, ПГ - парогенератор, ПТ - паровая турбина,

КН - конденсатор, НС - питательный насос. Принцип действия установ-

ки основан на утилизации теплоты выпускных газов ГТД в утилизаци-

онном парогенераторе для получения пара, используемого в паротур-

бинной установке, а также на внутренние нужды судна. На некоторых

судах паровая турбина предназначена для вращения гребного винта, на

других она служит для привода вспомогательного электрогенератора.

Термодинамический цикл газопаровой установки показан на ри-

сунке 12.3,б. Он состоит из двух циклов - цикла ГТД 1234 с изобарным

Рисунок 12.3

КМ

ГТ

КС

НА

ПТ

КН

ПГ

НС

а)

б)

НГАВТ - Стр 120 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта