Контрольная работа: Регенеративные циклы

Регенеративные циклы

Контрольная работа

Регенеративные циклы

Содержание

1. Физический смысл регенерации тепла в цикле теплового двигателя и способы ее осуществления

. КПД цикла с одноступенчатой регенерацией тепла

. Многоступенчатый регенеративный подогрев питательной воды

Литература

1 Физический смысл регенерации тепла в цикле теплового двигателя и способы ее осуществления

Для выяснения физической сути регенерации тепла целесообразно рассмотреть идеальные циклы для простейшей ПТУ, где балансы тепловой энергии не осложнены дополнительными потерями.

Из термодинамики известно, что если между двумя источниками тепла с температурами Т₁ и Т₂ (T_г и Т_х) организовать рабочий цикл, то его экономичность, измеряемая термическим КПД h_t, существенно зависит от вида цикла. Предельно возможное (т.е. максимальное) значение h_t имеет цикл Карно, состоящий из двух изотерм подвода и отвода тепла (Т₁ и Т₂) и двух адиабат - расширения и сжатия рабочего тела между этими изотермами. КПД такого цикла составляет

h_t = 1 - (Т₂ /Т₁).

Термический КПД у любых иных циклов, организованных между этими же источниками тепла, будет ниже, в том числе он будет ниже и у цикла Ренкина. Однако, существует еще один цикл, равноценный по экономичности циклу Карно - так называемый обобщенный цикл Карно. Рассмотрим его более детально, так как идея его реализации используется для внедрения в практику построения иных циклов с целью повышения их экономичности. Цикл Карно и обобщенный цикл Карно показаны на рисунке 1. регенерация тепло двигатель подогрев

Рисунок 1 - Цикл Карно и обобщенный цикл Карно в диаграмме Т - s

Цикл 1-2'-3'-4-1 - цикл Карно. Если же расширение рабочего тела из точки 1 организовать по некоторой кривой 1-2, то процесс расширения должен сопровождаться отводом соответствующего количества тепла, измеряемого площадью 1-2-в-г-1. Затем организуют изотермическое охлаждение рабочего тела до точки Причем изменение энтропии при этом принимается таким же, как и в цикле Карно, т.е.

s₂ - s₃ = s₂¢ - s₃¢.

Тогда, если цикл замкнуть линией 3-4 (сжатие рабочего тела с одновременным подводом тепла), то при этом необходимо к рабочему телу подвести количество тепла, измеряемого площадью 3-4-б-а- Если процессы 3-4 и 1-2 подобны (эквидистантны), то величины тепловой энергии, участвующей в этих процессах, равны. В этом случае можно организовать процессы цикла таким образом, что нагрев рабочего тела в процессе 3-4 можно обеспечить за счет охлаждения рабочего тела в процессе 1-2 (так называемый внутренний теплообмен). В таком случае для нагрева рабочего тела в процессе 3-4 мы не прибегаем к услугам внешнего источника тепла. Тогда теплообмен рабочего тела с внешними источниками тепла осуществляется так же, как и в цикле Карно 1-2'-3'-4-1. Следовательно, КПД такого цикла равен КПД цикла Карно. Цикл 1-2-3-4-1 и есть обобщенный цикл Карно.

Внутренний теплообмен рабочего тела на участках его расширения и сжатия называют регенерацией тепла в цикле (от латинского слова regeneratio - восстановление, возрождение), а циклы тепловых двигателей с регенерацией тепла - регенеративными циклами.

В рассмотренном примере осуществляется предельная (полная) регенерация тепла в цикле, в результате чего КПД достигает предельно возможной величины - КПД цикла Карно. Может быть и частичная регенерация, когда КПД регенеративного цикла меньше КПД цикла Карно, но все же больше, чем в исходном цикле - цикле без регенерации.

Как известно, в паросиловой технике широкое распространение получил цикл Ренкина, термодинамический КПД которого заметно ниже КПД цикла Карно. Весьма заманчивой является идея внедрения регенерации тепла в такой цикл Ренкина, с тем, чтобы его КПД приблизить к предельно возможному значению - к КПД цикла Карно. Рассмотрим возможные способы регенеративного теплообмена на примере цикла Ренкина на сухом насыщенном паре. Как уже отмечалось, для двухконтурных ЯЭУ АЭС с теплоносителем "вода под давлением" такие циклы наиболее целесообразны и нашли широкое распространение.

В диаграмме Т - s такой цикл имеет вид 1-2-3-4-1 (рисунок 2).

Рисунок 2 - Цикл Ренкина на насыщенном паре в диаграмме Т - s

В этом цикле:

1-2 - адиабатическое расширение пара в турбине;

2-3 - изотермический (он же изобарный) процесс конденсации пара в главном конденсаторе;

3-4 - изобарный нагрев рабочего тела на экономайзерном участке парогенератора;

4-1 - изотермический (он же изобарный) процесс испарения рабочего тела на испарительном участке парогенератора.

Если адиабатный процесс расширения пара в турбине 1-2 заменить политропным процессом расширения пара с одновременным его охлаждением, а полученную тепловую энергию использовать для нагрева рабочего тела на участке 3-4, то можно представить себе такой цикл 1-2'-3-4-1, который будет соответствовать обобщенному циклу Карно, и его КПД будет равен предельно возможному КПД - КПД цикла Карно:

h_t^рег = 1 - (Т₂ /Т₁)

Правда, при этом несколько уменьшится и полезная площадь цикла, что потребует увеличения расхода рабочего тела для получения заданной мощности установки, но эффективность использования подведенного от внешнего источника тепла существенно возрастет.

Заметим, что теоретически предельно полная регенерация тепла в цикле Ренкина может быть реализована только в цикле на насыщенном паре. В цикле на перегретом паре, где температура питательной воды не может достичь температуры свежего перегретого пара, КПД регенеративного цикла будет заметно ниже КПД цикла Карно (но все же выше, чем для цикла Ренкина без регенерации тепла).

Рассмотрим различные способы, которые могут быть применены в ЯЭУ для осуществления регенерации тепла. Гипотетически схему такой ЯЭУ можно представить в следующем виде (рисунок 3).

Рисунок 3 - Функциональная схема рабочего контура с регенерацией тепла в цикле:

- ПГ, 2 - ГТ, 3 - регенеративный подогреватель, 4 - ГК, 5 - ПН

На практике такую схему реализовать затруднительно, так как обеспечить надежный контакт расширяющегося в проточной части турбины пара через поверхность теплопередачи с подогреваемой питательной водой конструктивно очень сложно.

Реально можно организовать подогрев питательной воды дискретно, выводя пар на соответствующие водоподогреватели после каждой ступени турбины. Тогда схема рабочего контура будет иметь вид, показанный на рисунке 4.

Рисунок 4 - Функциональная схема рабочего контура с дискретным регенеративным подогревом питательной воды: 1 - ПГ, 2 - ГТ, 3 - регенеративный подогреватель, 4 - ГК, 5 - ПН

В диаграмме Т - s цикл такой паротурбинной установки можно представить следующим образом (рисунок 5).

Рисунок 5 - Цикл Ренкина с дискретным регенеративным подогревом воды в диаграмме Т - s

Очевидно, что чем больше таких водоподогревателей по потоку рабочего тела, тем ближе ступенчатая кривая 1-2' приближается к плавной кривой 1-2' и тем ближе экономичность такого цикла к предельно возможному значению. КПД такой установки даже при количестве ступеней 10…12 достаточно близок к КПД цикла Карно. Предельное количество водоподогревателей составляет

_вп = z_{ступ.турб.} - 1. (1)

Реально такая схема может быть выполнена. Но она обладает рядом существенных недостатков, которые не позволяют ей получить практическое применение в паросиловой энергетике. Основные из этих недостатков следующие:

а) охлаждение влажного пара в регенеративных водоподогревателях ведет к увеличению его влажности, вследствие чего на последних ступенях турбины влажность может достигать недопустимо больших значений;

б) стремление увеличить количество водоподогревателей до рациональной величины (7…8) потребует предусмотреть в соответствии с выражением (1) минимум 8…9 ступеней турбины. Так как на регенерацию тепла выводится полный поток пара, то каждый участок проточной части турбины между двумя отводами пара конструктивно рациональнее оформлять в виде отдельного корпуса - цилиндра турбины. Это резко усложняет и увеличивает стоимость турбоагрегата в целом;

в) пропуск полного потока пара через систему регенерации (особенно на последних ступенях турбины) потребует паропроводов большого проходного сечения, существенно увеличит сложность и стоимость системы. Кроме того, из-за больших гидравлических сопротивлений системы возрастут реальные потери энергии в установке, что может обесценить положительный термодинамический эффект увеличения КПД цикла.

В реальных паротурбинных установках используется идея дискретного отбора пара из проточной части турбины на регенеративный подогрев питательной воды, но на регенерацию направляется не весь поток пара из турбины, а его часть. Отборный пар не возвращается в проточную часть турбины, поэтому тепловая энергия этого пара используется полностью до полной его конденсации (иногда конденсация пара завершается охлаждением полученного конденсата ниже его температуры насыщения). Благодаря этому в отборе может использоваться небольшая часть общего потока пара. Конденсат греющего пара возвращается в рабочий контур на участке конденсатно-питательной системы. Термодинамическая эффективность такой схемы регенеративного подогрева питательной воды практически равноценна эффективности подогрева питательной воды полным потоком расширяющего пара, но схема в значительной степени свободна от ранее рассмотренных недостатков: влажность пара по тракту турбины не нарастает так резко, отпадает необходимость делить турбину на большое количество отдельных агрегатов, потоки греющего пара значительно меньше, следовательно, уменьшаются диаметры подводящих трубопроводов отбора пара, уменьшаются потери энергии в отводящих трубопроводах.

Внедрение регенеративного подогрева в рабочем контуре за счет отборов пара потребует увеличения расхода пара на турбину, так как не весь пар проходит всю проточную часть. Причем, увеличивается расход пара на ступенях ЦВД, а на ступенях ЦНД он несколько уменьшается. Это способствует более рациональной компоновке проточной части турбины, увеличивает ее внутренний КПД.

Первые по тракту конденсатно-питательной системы подогреватели питательной воды прокачиваются конденсатными насосами и поэтому находятся под сравнительно низким давлением. Эти подогреватели называются подогревателями низкого давления - ПНД. На последнем участке тракта трубные системы подогревателей находятся под высоким давлением, так как они прокачиваются уже питательными насосами. Такие подогреватели называются подогревателями высокого давления - ПВД.

Регенеративные подогреватели воды могут быть смешивающего или поверхностного типа.

В подогревателе смешивающего типа нагрев питательной воды осуществляется за счет смешения греющего пара с конденсатом, имеющим меньшую температуру.

Конструктивно смешивающий подогреватель обычно представляет собой вертикальный или горизонтальный сосуд, в котором в несколько ярусов установлены направляющие перфорированные лотки, обеспечивающие каскадный слив подогреваемой воды. Подогреваемая вода на своем пути встречает поток греющего пара. Потоки сред организованы таким образом, чтобы было обеспечено их интенсивное перемешивание, в результате чего осуществляется нагрев воды за счет конденсации греющего пара.

Если правильно подобран расход греющего пара, а также обеспечено качественное перемешивание греющего пара и нагреваемой воды, то температура нагреваемой воды может быть увеличена до температуры конденсации греющего пара. В этом случае тепловая энергия греющей среды используется наиболее полно. Это является существенным достоинством смешивающего подогревателя. Из его недостатков можно отметить необходимость уравнивания давлений греющей и нагреваемой сред в полости смешения. Уравнивание давлений может быть обеспечено установкой соответствующих насосов для подачи воды в каждый такой подогреватель. Правда, для первых по ходу питательной воды подогревателей (значения давления в них равны значениям давления пара на концевых ступенях турбины и отличаются незначительно) можно обеспечить направленное движение нагреваемой воды и без насосов, за счет установки этих подогревателей на разной высоте (гравитационная схема).

Ниже показаны возможные схемы включения водоподогревателей смешивающего типа в рабочий контур (рисунок 6).

Рисунок 6 - Регенеративные схемы рабочего контура со смешивающими подогревателями: а) - только с перекачивающими насосами; б) - с перекачивающими насосами и частично с самотечным движением воды; 1 - ВП, 2 - ГТ, 3 - насос, 4 - ГК

В качестве примера на рисунке 7 приведена схема регенеративного подогревателя смешивающего типа, используемого в качестве ПНД-2 в установке с турбиной К-1000-60/3000. Конструктивно он представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический сосуд с двумя горизонтальными дырчатыми листами внутри. Нагреваемая вода подается сначала на верхний лист, а затем перетекает на нижний. Под оба листа подается греющий пар, который барботирует через дырчатый лист и слой воды на листе. Подогретая вода собирается в нижней части цилиндра, откуда отводится в последующий участок тракта конденсатной системы.

Рисунок 7 - Схема подогревателя низкого давления смешивающего типа (ПНД-2 типа ПНСГ-4000-2А): 1 - подвод греющего пара; 2 - подвод нагреваемой воды; 3 - отвод неконденсирующихся газов; 4 - отвод нагретой воды к конденсатному насосу конденсатной системы КН-2; 5 - сборник нагретой воды; 6 - подвод конденсата греющего пара от ПНД-3 (каскадный слив); 7 - корпус водоподогревателя; 8 - верхний дырчатый лист; 9 - нижний дырчатый лист

Так как вода в таком подогревателе достигает температуры насыщения, то из нее выделяются растворенные газы, т.е. происходит не только нагрев воды, но и ее деаэрация. Деаэрация воды в ПНД способствует уменьшению количества растворенных в воде газов и вследствие этого уменьшению агрессивности среды в конденсатном трубопроводе до деаэратора. Отвод выделившихся газов осуществляется из верхней части подогревателя на главный конденсатор. Подогреватели ПНД-1 и ПНД-2 имеют незначительно отличающиеся схемы и конструкции. ПНД-2 обычно имеет конденсатосборник увеличенного объема. Это способствует улучшению устойчивой работы конденсатного насоса второго подъема, который откачивает воду из ПНД-2 и подает ее в конденсатный трубопровод ПТУ.

В ПТУ с турбиной К-1000-60/3000 установлено два параллельно включенных подогревателя ПНД-1 (длина корпуса порядка 11100 мм, диаметр корпуса около 2,8 м, масса 25 т) и один подогреватель ПНД-2 (длина корпуса около 13 м, диаметр корпуса порядка 3,86 м, масса 44 т). В составе каждой ПТУ обычно имеется два параллельно включенных деаэратора термического типа. Деаэратор выполняет также функцию регенеративного подогревателя смешивающего типа. В конструкцию каждого деаэратора входят две деаэраторные колонки и один бак большой емкости для сбора деаэрированной воды (рабочая емкость - 185 м3). Последнее способствует улучшению работы питательного насоса, откачивающего воду из бака в питательный трубопровод. В деаэраторных колонках вода нагревается до состояния насыщения за счет смешения ее с греющим паром, при этом из воды практически полностью удаляются растворенные в ней газы. Таким образом, деаэратор по существу является регенеративным водоподогревателем смешивающего типа, а принцип его действия аналогичен принципу действия рассмотренных выше смешивающих подогревателей ПНД-1 и ПНД-2. В тоже время имеются и некоторые отличия. В частности, нагрев воды до состояния насыщения в деаэраторных колонках осуществляется не только на дырчатых листах, но и в устройствах струйного типа. Схема и принцип действия деаэраторной колонки термического деаэратора представлены на рисунке 8.

Подогреватель поверхностного типа представляет собой теплообменный аппарат с поверхностью теплопередачи в виде трубной системы. Трубная система может быть прямотрубной, с U-образными трубками, с трубками, свитыми в плоские спирали, или иной схемы. Греющая среда обычно подается в межтрубное пространство, нагреваемая среда - внутрь трубок.

В составе паротурбинной установки обычно большинство водоподогревателей (иногда все подогреватели кроме деаэратора) являются подогревателями поверхностного типа. Конструкция и схема обтекания трубной системы таких подогревателей могут быть различны. Обтекание трубок теплопередающей поверхности может быть продольным, поперечным и комбинированным. В качестве примера на рисунке 9 показаны схема и принцип действия поверхностного подогревателя низкого давления (ПНД-3), находящегося в составе паротурбинной установки с турбиной К-1000-60/3000.