Панов В.К. Физические основы теплотехники. Ч. I: Термодинамика

Подождите немного. Документ загружается.

§ 45. Процесс дросселирования 197

тального уча-

ст

6. О чем свидетельствует сокращение горизон

ка изотермы реального газа с ростом температуры?

Что такое пограничная кривая?

Что такое влажный пар, сухой насыщенный, перегретый?

§ 46. Паросиловая установка 191

Возм ный пар з мет елиного

воска?

11.

Что отобража линия ыщения?

При какой е кипит вода? спирт? медь

Что такое регретый ?

14.

Каковы овия равн есия ного пар

15.

Известн емпература и давление влажного пара. Состоя-

ние задано?

16.

Что такое с ень сухости ного пара?

17.

18.

19.

Ка

22.

Ка

24.

Ка

лировании?

31.

Чт

34.

Чт

Что такое критическое состояние вещества?

0. ожен ли влаж и ана, калия, пч

ет нас

12.

тем

пе

ператур ?

13. пар

овусл

ы т

влаж а?

теп влаж

Что такое степень влажности влажного пара?

Как задается состояние влажного пара?

ковы особенности описания процессов во влажном паре?

20.

Какова теплоемкость с

влажного пара?

21.

Как считать тепло в изобарном процессе с влажным паром?

к посчитать работу в изобарном процессе с влажным

паром?

23.

Как определяются удельный объем, энтальпия, энтропия

влажного пара?

кова структура диаграмм влажного пара?

25.

Как может быть задана на диаграмме точка, изображающая

состояние?

26.

Как пользоваться i-s диаграммой?

27.

Что общего и что различного в испарении и кипении?

28.

Что такое дросселирование?

29.

Что представляет собой дроссель?

30.

Как ведут себя параметры состояния вещества при дроссе-

о такое изоэнтальпийный процесс?

32.

Каково практическое применение дросселирования?

33.

Что такое дроссель-эффект?

о такое кривая инверсии?

§ 46. Паросиловая установка 192

образ

ератур

ежду теплоносителем и поверхностью теплообмена

ь большое тепло.

говорилось о трудности его реали-

температура кипяще-

янна в про-

ляется возможность приблизиться к реализации

самого эффективного цикла — цикла Карно.

ГЛАВА 9

ЦИКЛЫ С ВЛАЖНЫМ ПАРОМ

В этой главе будут рассмотрены циклы, которые охва-

тывают различные области состояния рабочего тела: газо-

ного, двухфазного и жидкого. При этом значительная

(если не бóльшая) часть цикла проходит в области влажного

пара. Особенности двухфазного состояния и процессов в

этой области влияют на эффективность всего цикла. Эти

особенности таковы:

Давление и температура влажного пара однозначно свя-

заны между собой. Большинство технологических про-

цессов происходят в существенно дозвуковом потоке и

поэтому могут считаться изобарными (§17). Вследствие

этих двух причин процесс в потоке влажного пара стано-

вится одновременно изобарным и изотермическим.

Если в таком процессе к ВП подводится или отводится

тепло, это будет сопровождаться фазовым переходом

жидкость – пар или наоборот — в зависимости от направ-

ления теплообмена. Тепло такого процесса (теплота па-

рообразования r, Дж/кг) очень велико, особенно для воды.

Интенсивность теплообмена при кипении/конденсации

огромна: при совсем небольшой разности темп

ежесекундно передается очен

Сказанное означает, что с участием ВП может быть ор-

ганизован практически изотермический теплообмен. В том

двойном смысле, в котором

зации в § 25 (о цикле Карно). А именно:

го (конденсирующегося) теплоносителя а) посто

цессе; б) близка к температуре источника тепла.

Так появ

§ 46. Паросиловая установка 193

ма-

двухсот лет назад, и лишь за льно

вытеснили из большинства обл ивные

приводы. Для транспорта го

сгорания и частич двигател одов

стационарного дования нее

использовать электрические двигатели. Но осталась область, в кото-

рой у паросиловой установки (ПСУ) заметных конкурентов нет и в

ближайшее время не предвидится — это энергетика.

Сегодня примерно ¾ электрической энергии в мире выраба-

тывается тепловыми электрическими станциями (ТЭС). Еще 10–15%

приходится на долю атомных (АЭС), которые по существу тоже яв-

ляются тепловыми, только на другом топливе. То есть 90% мировой

энергетики основано на использовании цикла с влажным паром.

Рабочее тело в ПСУ — это Н

О. Упрощенная схема ус-

тановки представлена на рис. 9.1, цикл – на рис. 9.2 (точки на

схеме соответствуют состояниям с теми же номерами на диа-

грамме — считается, что в магистралях между устройствами

состояние не меняется). Происходит там следующее.

На вход котлоагрегата Кл, который в действительности

представляет собой грандиозную трубную конструкцию разме-

ром с 10-этажный дом (на крупных ТЭС), поступает вода в со-

стоянии насыщения — точка 1 на диаграммах. Там она кипит

при постоянном давлении в десятки, а то и сотни бар. Это про-

цесс 1–2. Как было отмечено во вступлении к главе, это изобар-

но-изотермический процесс. В нем к рабочему телу подводится

тепло Q

, выделяющееся в

топке (реакторе) при сгора-

нии топлива. На выходе из

котла – сухой насыщенный

пар, состояние 2.

Далее он поступает в

теплоизолированную тур-

бину Тб, где расширяется

без теплообмена до весьма

низкого давления, совер-

§ 46. Паросиловая установка

Не будет большим преувеличением сказать, что паровая

последние 50–70 лет ее окончате

астей применения более эффект

лучшими оказались двигатели внутренне

и электрические. В качестве прив

значительно эффективнее и удоб

шина породила индустриальное общество. Случилось это боле

но

обору

Рис. 9.1. Схема ПСУ на влажном паре

Кр Тб

Кд

Гр

Кл

§ 46. Паросиловая установка 195

рдевания сни-

≈ 51%). С приближением процесса 1–2 к пре-

(показан пунктиром на

, равная

удет L = 0.

инамического

, турбины «не любят» работать с двухфазным

ти ВП с нарас-

вижущиеся в

тей. Сталкиваясь с

ей турбины, отни-

де пленки, жидкость несколько увеличивает массу

низкого давления турбины с наибольшими

сс при малых

я по лопаткам в направлении потока пленка

ерхность. Из конденса-

со-

тость поверхности. По этим

кое сопротивление тур-

аток тщательнейшим образом полируется).

снижение собствен-

компрессор. Процесс сжатия

сти состояний жидкости. Это

опасно. Если вдруг при небольшом отклонении начальных па-

раметров процесса весь объем над поршнем окажется запол-

ненным жидкостью раньше, чем поршень дойдет до верхней

мертвой точки, то произойдет так называемый гидроудар. Это

аварийная ситуация: жидкость практически несжимаема, и

гидроудар может привести к разрушению компрессора.

ской температурой сверху и температурой затве

зу. В случае Н

О это 0 ÷ 374 °С (реально 30 ÷ 350 °С, что соот-

ветствует η

терм

дельным температурам цикл сужается

рис. 9.2), а это значит, что уменьшается работа цикла

площади цикла. При Т

1–2

= Т

кр

цикла

Кроме этого, есть ряд причин нетермод

характера, по которым описанный цикл не применяется.

Во-первых

потоком, а весь процесс 2–3 проходит в облас

тающей степенью влажности. Капли жидкости, д

потоке пара, доставляют массу неприятнос

лопатками турбины, они вызывают их вибрацию. Она плоха

тем, что, помимо ускоренного износа детал

мает на колебательное движение энергию, которая могла бы

быть преобразована в нужную вращательную. Оседая на ло-

патках в ви

(момент инерции) ротора. Эти обстоятельства особенно суще-

ственны в ступенях

размерами лопаток, где и оканчивается проце

давлениях и наибольшей степени влажности.

Стекающа

имеет нерегулярную (волнистую) пов

та на лопатки выпадает осадок — не до конца удаленные

ли жесткости, растет шерохова

причинам увеличивается гидравличес

бины, а значит, потери на вязкое трение (при изготовлении

поверхность лоп

Общий результат всех неприятностей —

ного КПД турбины.

Во-вторых, настораживает

4–1 должен закончиться в обла

§ 46 . Паросиловая установка19

вольно мала, удельный

об требует-

ся адь под

кр к дополнительным затратам.

Изложенные причины достаточно серьезны для того,

чтобы отказаться от такого воплощения цикла Карно. Но для

инжен

мим

опас-

лнитель-

Кроме того, плотн

ъем соо

сущес

ивой 4–1). Это приводит

ость ВП до

тветственно велик. Поэтому для сжатия ВП

твенная работа (в р-

v диаграмме это площ

ерной мысли нет непреодолимых трудностей.

Цикл Рэнкина. Первые существенные изменения в

цикл, тогда применительно к паровой машине, внес Уильям

Джон Макуори Рэнкин (1820–1872).

Член королевских обществ, шотландский инженер и физик Рэнкин

считается одним из создателей технической термодинамики. Именно ему мы

обязаны терминами: «потенциальная энергия», «адиабатический» и «изо-

термический» процессы. По о большого собственного вклада в развитие

термодинамики и теплотехники, Рэнкин – автор по существу первого учеб-

ника по технической термодинамике («Руководство к паровым машинам»,

1859), выдержавшего только в Англии около 20 переизданий.

Усовершенствование Рэнкина состояло в том, что пар в

процессе 3–4 конденсируется полностью. На выходе из кон-

денсатора — только вода. Это позволяет заменить компрессор

для сжатия ВП насосом для воды (рис. 9.3). Устраняется

ность гидроудара, и в силу несжимаемости воды затраты на ее

сжатие практически равны нулю. Правда, плотность и вяз-

кость воды гораздо больше, чем у пара. Поэтому работа про-

тив вязкого сопротивления и силы тяжести тоже больше по

сравнению с паром. Тем не менее затраты на привод насоса

все равно меньше, чем у компрессора.

Однако при адиабатном сжатии в компрессоре темпе-

ратура рабочего тела растет, а из насоса вода выходит такой

же холодной, как и вошла. Значит, потребуется допо

ное тепло на ее нагрев. Из-за этого

снижается средняя температура под-

вода тепла (процесс 1–2), термиче-

ский КПД становится несколько

меньше, чем у эквивалентного цикла

Карно (на рис. 9.3 он показан пунк-

тиром). Зато установка в целом ста-

новится пригодной для надежной

длительной эксплуатации

Рис. 9.3. Цикл Рэнкина

§ 46. Паросиловая установка 197

совершенствование ка-

выше

дняя темпера-

тура п

– q

)/q

я к рабочему телу в процессе 1

ым, му

= i

– i

изобарном п ессе 4–5:

= i

– i

по энтальпиям состояний:

Перегрев пара. Второе важное у

сается процесса в турбине. Для уменьшения описанных

неприятностей СНП (в действительности пар не совсем сухой,

а содержит 0,5÷1 % мелких капель) из котла поступает в паро-

перегреватель. Там его температура значительно увеличивает-

ся – в современных мощных энергоблоках до 450÷550 °С.

Только после этого пар подается в турбину.

В результате процесс расширения 3–4 (рис. 9.4) прохо-

дит в выгодной для турбины области перегретого пара и ее

собственный КПД растет (на выходе из турбины допускается

влажность до 10 %). Кроме того, подрастает сре

одвода тепла, и следом подрастает КПД цикла (по срав-

нению с отсутствием перегрева). Но до цикла Карно все же

далековато, поскольку теперь эквивалентный цикл должен

осуществляться в более широком диапазоне температур (на

рис. 9.4 показан пунктиром).

Получим выражение для КПД цикла ПСУ. С учетом

первого начала термодинамики для кругового процесса

η =

Тепло в цикле подводитс

Этот процесс можно считать изобарн

–3.

поэто

Отводится тепло тоже в

Тогда КПД определится

η =

роц

413

()(

iii

−

)i−

−

ii −

543

)()( iiii

−

T 3

Рис. 9.4. Цикл Рэнкина с перегревом пара

§ 46. Паросиловая установка 19

ре-

сит от давления. Поэтому вто-

ро для прикидочных расчетов

ен

Первая

гретого пара и крайне мало зави

скобкой можно ренебречь

ь прощенное раж

η =

скобка в числителе соответствует работе, полу-

чаемой в турбине, вторая – затратам работы на привод насоса.

Энтальпия жидкой воды на порядок меньше энтальпии пе

й п и

использоват у вы ие

−

КП уст овки зависит, конечно, от параметров цикла.

Снижение темпера ры отвода тепла в нденсаторе уменьшает

отводимое

т 255 бар и 540–560 °С. Они ха-

элементов котлов.

(9.1)

Д ан

ту ко

тепло, а значит, увеличивает КПД. Но здесь уже дос-

тигнут экономически обоснованный предел около отметки 30 °С,

что соответствует давлению 3–5 кПа.

Наибольшее влияние на термический КПД оказывают па-

раметры пара, подаваемого в турбину (состояние 3). Увеличение

и давления, и температуры приводит к увеличению средней тем-

пературы подвода тепла, а значит, КПД. Предельные значения,

достигаемые сегодня, составляю

рактерны для очень крупных

котлоагрегатов паропроизводи-

тельностью более 1000 т/ч, ра-

ботающих на турбины (генера-

торы) мощностью в сотни и ты-

сячи мегаватт.

Такие энергоблоки несут базо-

вую нагрузку в сети (ниже которой не

бывает в любое время суток и в любой

сезон). Дальнейшее увеличение пара-

метров ограничивается применением

дешевых сталей для теплообменных

Вся современная энергетика основана на использовании

схемы (рис. 9.5), реализующей цикл Рэнкина с перегревом пара

(рис. 9.4.). Конечно, при реализации он обрастает массой до-

полнительных подробностей, добавлений и улучшений, имею-

щих одну общую цель — повышение технико-экономической

эффективности энергетического производства.

Рис. 9.5. Схема ПСУ на основе

цикла Рэнкина с пе

ег

евом па

Тб

Кд

Гр

Котлоагрегат

Пп

↑