Материал: Теоретические основы теплотехники 1
121
Цикл Ренкина состоит из изобары (4–1), где подводится теплота в нагревателе, адиабаты (1–2) расширения пара в паровой турбине, изобары (2– 3) отвода теплоты в холодильнике-конденсаторе и изохоры (3–4) повышения давления воды в насосе. Линия (4–а) на изобаре соответствует процессу по-
вышения температуры жидкости после насоса до температуры кипения ts
при давлении р1. Участок (a–b) соответствует превращению кипящей жидко-
сти в сухой насыщенный пар, а участок (b–1) – процессу подвода теплоты в пароперегревателе для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.
а б
Рис. 34. Цикл Ренкина в координатах p-v (а) и Т-s (б)
Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины
wT
h1
h2
.
(306)
Работа, затраченная на сжатие воды в насосе, определяется так же по разности энтальпии рабочего тела в точках (4) и (3).
122
В координатах р-v эта работа определяется площадью e-3-4-f (рис. 34a).
Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.
Полезная работа цикла равна работе турбины за вычетом работы, за-
трачиваемой на привод насоса wН
w w |
w |
w |
T |
H |
T |
h1
h2
.
(307)
Удельное количество теплоты q1, подведенной в котле и пароперегре-
вателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теп-
лоты
q1
h1
h4
,
(308)
где h4 – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р2
практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3), т.е. h4 h3.
Сопоставляя соотношения, можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты
|
|
|
w |
|
Т |
||
|
|
|
|
|
t |
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
h1 h2 h1 h4
.
(309)
Другая важная характеристика паросиловой установки – удельный рас-
ход пара d, который характеризует количество пара, необходимого для выра-
ботки 1 кВт·ч энергии (3600 Дж), и измеряется в кг /( кВт ч ).
Удельный расход пара в цикле Ренкина равен
d |
3600 |
|
3600 |
. |
(310) |
|
|
||||
|
wТ |
h1 h2 |
|
||
123
Удельный расход пара определяет размеры агрегатов: чем он больше,
тем больше пара приходится вырабатывать для получения той же мощности.
Пути повышения экономичности паросиловых установок
Термический КПД цикла Ренкина даже в установках с высокими пара-
метрами пара не превышает 50 %. В реальных установках из-за наличия
внутренних потерь в двигателе значение КПД еще меньше.
Существуют два пути повышения экономичности паросиловых устано-
вок: повышение параметров пара перед турбиной и усложнение схем пароси-
ловых установок.
Рис. 35. Схема установки для сов- |
Рис. 36. Схема паросиловой уста- |
местной выработки механической |
новки с регенеративным подогре- |
энергии и теплоты |
вом питательной воды |
1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – тепловой потребитель
Первое направление приводит к увеличению теплоперепада в процессе
расширения пара на турбине (h1 - h2) и, как следствие, к увеличению удель-
ной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h1-h2 можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установ-
124
ки, т.е. уменьшая давление р2. Повышение экономичности паросиловых установок этим путем связано с решением ряда трудных технических задач, в
частности, использования высоколегированных, жаропрочных материалов для изготовления турбины.
Эффективность использования паросиловой установки можно значи-
тельно повысить за счет использования теплоты отработавшего пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой целью охлаждающую воду, нагретую в конденсаторе (4) (рис. 35), не выбрасывают в водоем, а прокачивают через отопительные установки теплового потреби-
теля (6). В таких установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы L1 на валу турбины (3) и теплоту Qт.п для отопления.
Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии – один из основных методов повышения эффективности тепловых установок.
Повысить КПД паросиловой установки по сравнению с циклом Ренки-
на можно за счет применения так называемого регенеративного цикла
(рис. 36). В этой схеме питательная вода, поступающая в котел (1), нагрева-
ется паром, частично отбираемым из турбины (3). По этой схеме пар, полу-
ченный в котле (1) и перегретый в пароперегревателе (2), направляется в турбину (3), где происходит его расширение до давления в конденсаторе (4).
Однако часть пара после совершения им работы из турбины и направляется в регенеративный подогреватель (6), где в результате конденсации он подогре-
вает питательную воду, подаваемую насосом (5) в котел (1).
Сам конденсат после регенеративного подогревателя поступает на вход насоса (5) или в конденсатор 4, где он смешивается с конденсатом пара,
прошедшего через все ступени турбины. Таким образом, в котел поступает такое же количество питательной воды, какое и выходит из него в виде пара.
Из диаграмм (рис. 37) видно, что каждый килограмм пара, входящий в тур-
бину, расширяется от давления р1 до давления р2, совершая работу w1=h1-h2.
125
Пар в количестве (1 - g) долей килограмма расширяется до конечного давле-
ния p3, совершая работу w2=h2-h3. Суммарная работа 1 кг пара в регенера-
тивном цикле будет
w w |
w |
1 |
2 |
h |
h |
h |
1 |
2 |
2 |
h |
1 g h h h |
||
3 |
1 |
3 |
2 |
h |
|
3 |
|
g
,
(311)
где
g
– доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.
Рис. 37. График адиабатного расширения пара в турбине с промежуточным отбором (а) и изменения количества пара (б)
Уравнение показывает, что использование регенерации теплоты приво-
дит к уменьшению удельной работы расширения по сравнению с циклом Ренкина с теми же параметрами пара. Однако расчеты показывают, что рабо-
та в регенеративном цикле уменьшается медленнее, чем расход теплоты на получение пара при наличии регенерации, поэтому КПД паросиловой уста-
новки с регенеративным подогревом в итоге выше КПД обычного цикла.
Применение пара высоких и сверхвысоких давлений с целью повыше-
ния КПД установок наталкивается на серьезное затруднение: влажность его на последних ступенях турбины получается настолько высокой, что заметно снижает КПД турбины, вызывает эрозию лопаток, может служить причиной