Файл: Конспект лекций для студентов, обучающихся по программе прикладного бакалавриата по направлению подготовки 13. 03. 03 (141100) Энергетическое машиностроение.pdf

h
i
h
h




,
2 2
3
q
h
h


; термический КПД цикла –
0 1
2
t
1 1
4
(
)
(
)
a
b
b
a
l
h
h
h
h
q
h
i
h
h









Регенерация теплоты в цикле паротурбинной установки
В паросиловых установках регенерация осуществляется при помощи отборов пара из турбины и их конденсации в теплообменных аппаратах, где теплота, выделяющаяся при конденсации пара, подводится к конденсату, по- ступающему из конденсатора, и нагревает его. Теплообменники могут быть поверхностного или смешивающего типа. В поверхностных теплообменных аппаратах конденсат и пар разделены поверхностью, а в смешивающих пере- мешиваются. Схема установки с двумя регенеративными отборами и термо- динамический цикл в h – s координатах изображены на рис.8.10 и 8.11. Изо-

74
бражение цикла на диаграмме h – s является условным, так как в регене- ративном цикле расход рабочего тела на разных участках цикла различен.
Рис.8.10. Схема ПТУ с регенерацией
Рис.8.11. h – s диаграмма ПТУ с регенерацией теплоты теплоты
После расширения в турбине до давления p
о1
часть пара отбирается из турбины и смешивается с конденсатом в теплообменнике I. Остальной пар расширяется в турбине до давления p
o2
после чего из турбины отводится еще одна часть пара и смешивается с конденсатом в теплообменнике II. Осталь- ной пар расширяется до давления в конденсаторе p
2
Доли пара, отбираемого из турбины равны
01 02 1
2
,
D
D
D
D
 
 
, где D
o1
, D
o2
–массовые расходы пара, поступающие в первый и второй отбо- ры, соответственно.
На участке турбины 1–о
1
расширяется весь пар, на участке о
1
–о
2
– доля пара
1–

1 на участке о
2
–2 – доля пара 1–
1
–
2
. Этот пар поступает в конденсатор, где конденсируется и конденсат насосом подается в теплообменный аппарат
II, где перемешивается с паром из второго отбора. В первый теплообменник насосом подается конденсат, доля которого 1–

1
. После смешения с паром из первого отбора весь конденсат подается в котел.

75
Регенерация наиболее эффективна, когда конденсат в теплообменниках нагревается до максимально возможной температуры. Практически это тем- пература насыщения при давлении соответствующего отбора (хотя конденсат можно нагреть до более высокой температуры, если пар в отборе перегрет).
Это условие позволяет рассчитать доли отбора, составляя уравнения тепло- вого баланса для соответствующих теплообменных аппаратов:
Уравнения теплового баланса для I и II теплообменников:


o1 1
1
o2 01
ï â
1
h
h
h
h


 
 


o 2 2
3 1
2 1
o2
(1
)
(1
)
h
h
h
 
   

 
ï â
o2 1
o1
o2
h
h
h
h


 




o2 3
o1
ï â
o2 3
2 1
o2 3
o1
o2
o2 3
1
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h





 
 






, где h
1
, h
пв и h
3
– энтальпия кипящей воды соответственно при давлениях o2
o1 2
,
и
p
p
p
Если пренебречь работами насосов, то удельная работа этого цикла равна
0 1
2 1
01 2
2 02 2
(
)
(
)
(
)
l
h
h
h
h
h
h


 

 

; удельные количества подведенной и отведенной теплоты –
1 1
)
ï â
q
h
h


,
2 2
3 1
2
(
)(1
)
q
h
h


   
; термический КПД цикла –
0 1
2 1
01 2
2 02 2
t
1 1
(
)
(
)
ï â
l
h
h
h
h
h
h
q
h
i

 

 

 


Увеличение количества отборов пара на регенерацию увеличивает 
t
, но ка- ждый последующий отбор вносит все меньший вклад в рост 
t
. В современ- ных паротурбинных установках число отборов достигает десяти.
Лекция 15
Теплофикационные циклы
В теплофикационных циклах кроме электрической энергии получают теплоту теплофикации – теплоту для производственных и бытовых нужд.
Теплота, отводимая в конденсационных циклах паротурбинных установок, не может быть использована, так как с целью увеличения термического КПД температура отводы теплоты поддерживается близкой к температуре окру-

76
жающей среды, а для целей централизованного отопления, например, темпе- ратура теплоносителя должна быть не менее 100° С.
Использовать теплоту, отдаваемую конденсирующимся паром, можно, если увеличить давление (а следовательно и температуру) в конденсаторе.
Это приведет к понижению 
t
,, поэтому для характеристики комбинирован- ной выработки электроэнергии и теплоты в цикле паротурбинной установки применяются другие показатели. Тепловые электростанции, вырабатываю- щие и тепловую, и электрическую энергию, называются теплоэлектроцен- тралями (ТЭЦ), в отличие от чисто конденсационных электрических станций
(ГРЭС), производящих только электроэнергию.
Существует две основные схемы теплофикационных установок.
При температуре >100° C давление должно быть >1 бара, поэтому такие цик- лы называют циклами с противодавлением.
Рис.8.12. Теплофикационные установки с противодавлением
На рис. 8.12 даны схемы установок с турбинами с противодавлением. В первом случае роль конденсатора выполняет бойлер, в котором нагревается вода из тепловых сетей. Во втором – конденсатор отсутствует, а пар из тур- бины направляется на производственные нужды, Отдав теплоту, он конден-

77
сируется, и конденсат возвращается в цикл. Давление пара на выходе из тур- бины определяется потребителем.
Этот цикл рассчитывается так же, как и обычный цикл Ренкина.
Другой способ теплофикации – отбор пара из турбины и использование для теплофикации теплоты, выделяющейся при конденсации этого пара –
теплофикационный цикл с отбором пара на теплофикацию.
Схема установки и диаграмма h – s для этого цикла приведены на рис.3.14,
3.15.
Рис. 8.13. Теплофикационная установка с отбором пара
В отличие от регенеративного цикла доля отбора пара отбираемого на тепло- фикацию
0 1
D
D
 
может быть произвольной.
Если пренебречь работой насоса, то удельная работа этого цикла равна
0 1
2 0
2
(
)
(
)
l
h
h
h
h


 

удельные количества подведенной и отведенной теплоты и термический
КПД цикла равны
1 1
пв
q
h
h


,
2 2
3
(
)(1
)
q
h
h


  ,
0 1
2 0
2
t
1 1
пв
(
)
l
h
h
h
h
q
h
h

 

 


где энтальпия питательной воды пв
3 0
(1 – )
h
h
h 


 

78
Полный расход пара D складывается из расхода пара, идущего в конденсатор
D
к и расхода пара идущего на теплофикацию D =D
к
+ D
o
Расходы пара, топлива и охлаждающей воды в конденсаторе вычисляются по известной мощности установки и доле отбора пара на теплофикацию.
Эффективность теплофикационного цикла оценивается коэффициентами ис- пользования теплоты пара k
п и теплоты топлива k
т
, определяемыми отноше- нием суммы полезной работы L
о
, произведенной в цикле, и теплоты, отдан- ной внешнему потребителю Q
тф
, к количеству теплоты, подводимой к рабо- чему телу в котельной установке Q
1 или к количеству теплоты, выделяюще- муся при сгорании топлива: o
тф тф
Т
п т
р
1 1
н
,
L
Q
N
Q
N
Q
k
k
Q
Q
B Q












Для цикла с противодавлением без потерь энергии k
п
= k
т
=1, для цикла с теплофикаци- онным отбором эти коэффициенты <1.
Цикл Ренкина с учетом необратимых потерь
Цикл Ренкина в h – s координатах с учетом необратимых потерь изо- бражен на рис.8.14.
Основные потери связаны с необра- тимым расширением пара в турбине – трение приводит к росту энтропии
(процесс 1–2
д
), сгоранием топлива в котельной установке – часть теплоты теряется с уходящими газами, непол- нотой сгорания топлива, а для твер- дого топлива еще и с золой и шлаком.
Рис. 8.14. Цикл Ренкина с учетом потерь
Менее существенны потери, связанные с трением в насосе (3–4
д
), в паропро- водах (процесс 0–1), электрогенераторе и на собственные нужды.

79
Уменьшение полезной работы или увеличение количества подведенной теплоты из-за потерь в отдельном устройстве установки характеризуются ко- эффициентами, которые называются относительными:
внутренние относительные КПД турбины, насоса и цикла: д
т
1 2д oi т
1 2
т
h
h
l
l
h
h

 


; н
н
4 3
oi д
н
4д
3
l
h
h
l
h
h

 


; д
1 2д
4 3
0 0
1 2
4 3
(
)
(
)
д
oi
h
h
h
h
l
l
h
h
h
h



 




КПД котельной установки:
1
ку р
н
Q
B Q




;
механический КПД, учитывающий потери на собственные нужды, 
м
;
КПД паропроводов, 
пп
; КПД электрогенератора, 
г
С учетом относительных КПД определяется эффективный КПД паротурбин- ной установки:

eff
= 
t
·
oi
·
м
·
г

пп
·
ку
Значения относительных КПД лежат в следующих пределах: т
 , н
oi

= 0.85…0.90; 
м
= 0,97…0,98; 
г
= 0,98…0,99; 
пп
= 0,99…0,995;

ку
= 0,85…0,94.
9. ТЕРМОДИНАМИКА ЦИКЛОВ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
Бинарные циклы, парогазовый цикл
Термический КПД цикла Карно определяется выражением
K
2
t
1 1
T
T
  
Как отмечалось ранее, невысокая критическая температура воды не позволя- ет достичь приемлемых значений термического КПД. В то же время сравни- тельно умеренное разрежение при отводе теплоты в конденсаторе паротур- бинной установки позволяет осуществить этот процесс при минимально воз- можных температурах, близких к температуре окружающей среды. Таким образом, свойства воды удовлетворительны при отводе теплоты в цикле и не

80
позволяют осуществить цикл с сокими значениями КПД из-за не- высокой температуры изотермиче- ского подвода теплоты в процессе парообразования и ограниченной температурой перегрева пара из-за конструктивных особенностей ус- тановки.
Рабочих тел с приемлемыми свой- ствами и в верхней, и нижней частях цикла не существует. Рис.
8.15. Схема би- нарного цикла
Увеличить эффективность паросиловой установки можно, комбинируя рабочие тела с высокой критической температурой и температурой насыще- ния, близкой к температуре окружающей среды, при умеренно низких давле- ниях (таким рабочим телом, как было сказано выше, является вода).
Одним из таких циклов является бинарный, изображенный на рисунке
8.15. Желтым цветом на рисунке изображен парогенератор для жидкости с высокой температурой, синим – турбина насыщенного пара для этого рабо- чего тела, конденсация которого после турбины происходит в теплообменни- ке при температурах, достаточных для перегрева водяного пара до темпера- тур 350–400° С. Таким образом, бинарный цикл состоит из двух циклов Рен- кина, расчет которых мы рассматривали в предыдущих лекциях. Здесь необ- ходимо учитывать соотношение между расходами рабочих тел, которое можно определить из теплового баланса теплообменника. Проект такой пи- лотной установки был осуществлен в 20-х годах прошлого века и имел тер- мический кпд 49 %. Однако серийными такие установки не могли быть, по- скольку рабочим телом с высокой критической температурой (1640 0
С) была ртуть, использование которой невозможно из-за ее токсичности. Идея ком-

81
бинирования рабочих тел с разными свойствами нашла свое применение в
цикле парогазовой установки. Этот цикл отличается от бинарного лишь тем, что высокотемпературный подвод теплоты осуществляется в цикле газотур- бинной установки (при температурах продуктов сгорания перед газовой тур- биной до 1400º
С, в то время как температура водяного пара перед турбиной по конструкционным соображениям не превышает 550º С). В настоящее вре- мя такие комбинированные циклы широко используются при производстве электрической энергии на тепловых электростанциях, увеличивая их кпд от
35–40 до 55–60 %.
Лекция 16 10. ОБРАТНЫЕ ЦИКЛЫ
В обратном цикле теплота за счет совершения работы над рабочим те- лом передается от менее нагретых к более нагретым телам. По обратным циклам работают холодильные установки и тепловые насосы. В холодильных установках теплота подводится к рабочему телу при температурах ниже тем- пературы окружающей среды и отводится в окружающую среду. В тепловых насосах теплота к рабочему телу подводится из окружающей среды, а отво- дится при температурах, достаточных для теплофикации (отопления и горя- чего водоснабжения). Холодильные установки по свойствам рабочего тела
(хладоагента) делятся на газовые (воздушные) и паровые. Эффективность ра- боты холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом 
2 2
o
1 2
q
q
l
q
q
 


, где q
2
– количество теплоты, отводимой от холодного источника (удельная холодопроизводительность);
q
1
– количество теплоты, отводимой от рабочего тела в окружающую среду;
l
0
– работа цикла, совершаемая над рабочим телом.

82
Циклы холодильных установок
Цикл воздушной холодильной установки
Схема установки и изображение циклов на диаграмме p – v приведены на рис.9.1.
Рис.9.1. Схема и диаграмма p – v воздушной холодильной установки
Воздух расширяется в детандере Д от давления p
3
до p
4
, совершая ра- боту, которая частично компенсирует работу, затрачиваемую на привод ком- прессора. В результате адиабатного расширения в детандере температура уменьшается от температуры Т
3
до Т
4
и поступает в холодильную камеру ХК, в которой к нему при постоянном давлении подводится теплота от охлаж- даемого объекта. Затем давление воздуха адиабатически повышается от p
1
до
p
2
в компрессоре К
Сжатый компрессором воздух поступает в охладитель
ТО, где охлаждается при p
2
= const, отдавая теплоту в окружающую среду.
На рис.5.2 цикл изображен в p – v координатах.
Цикл воздушной холодильной установки является полностью обратным по отношению к циклу ГТУ с изобарным подводом теплоты.
Тогда холодильный коэффициент будет равен

 

2 2
1 4
o
1 2
2 3
1 4
q
q
T
T
l
q
q
T
T
T
T

 






, где температуры определяются так же, как в цикле ГТУ.

83
Цикл парокомпрессорной холодильной установки
Парокомпрессорная установка – это установка, в которой сжатие пара осуществляется при помощи компрессора. В качестве хладоагентов в паро- компрессионных установках чаще всего используются аммиак или фреоны.
Температура кипения аммиака при атмосферном давлении составляет -34
о
С, а, например, у фреона–12, являющегося хладоагентом в бытовых холодиль- никах, t
н
= -29,8
о
С при p = 1 бар. Следовательно, применение таких хладаген- тов не требует вакуума, что значительно упрощает установку.
На рис.5.3 приведена принципиальная схема парокомпрессорной уста- новки.
Сжатый в компрессоре К до давления p
2
пар поступает в охладитель ТО. Пар в охладителе ТО, отдавая теплоту во внешнюю среду при p
2
=const, конденси- руется. Далее кипящая жидкость дросселируется с понижением температуры, проходя через дроссель Др, и переходит в со- стояние влажного пара. Из дросселя влажный
Рис. 9.2. Схема и диаграмма T – s парокомпрессорных установок. пар поступает в холодильную камеру ХК, где забирает теплоту, нагревается, и его степень сухости увеличивается. Дроссель, называемый также редукци- онным клапаном, позволяет плавно регулировать температуру в холодильной камере путем изменения степени открытия вентиля.

84
В холодильной технике обычно используются две схемы: цикл с влажным ходом компрессора (рис.9.2a), в котором холодильной каме- ры выходит влажный пар, а на выходе из компрессора получается сухой на- сыщенный пар хладоагента; цикл с сухим ходом компрессора (рис.9.2b), в котором из холодильной каме- ры выходит сухой насыщенный пар, а компрессор работает в области пере- гретого пара.
В этих циклах 1–2 – процесс адиабатного сжатия пара в компрессоре
2–3 – изобарный отвод теплоты от пара в окружающую среду 3–4 – процесс дросселирования, в котором

1   2   3   4   5   6   7   8   9