Файл: Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 471
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ГЛАВА 9. Циклы паросиловых установок
Тепловые двигатели, в которых рабочее тело в процессе совершения цикла переходит из одного фазового состояния в другое (жидкость – пар) называются паросиловыми установками (ПСУ).
В большинстве случаев на практике в качестве рабочего тела для ПСУ применяются вода и водяной пар.
ПСУ нашли широкое применение:
а) как энергетические установки ТЭС и АЭС;
б) как транспортные установки;
в) для привода мощных механизмов в промышленности.
9.1. Основные циклы паросиловых установок
На рис. 1.1. представлена схема ПСУ, работающей по циклу Карно.
Рис. 9.1. Схема ПСУ, работающей по циклу Карно:
1 – котел; 2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – компрессор; 5 – электрогенератор
Рассмотрим цикл такой установок в P–V и T–S диаграммах, представленных соответственно на рис. 9.2 и рис. 9.3.
Основные процессы, входящие в цикл:
1–2 – адиабатное расширение пара в турбине;
2–3 – изобарно–изотермический процесс отвода теплоты в конденсаторе;
3–4 – адиабатное сжатие влажного пара в компрессоре;
4–1 – изобарно–изотермический подвод теплоты в котле.
Все процессы данного цикла совпадают с процессами Карно, однако, происходят в области влажного пара, то есть являются процессами фазового перехода.
Такой цикл будет обладать максимальным термическим КПД:
,
однако полезная работа такого цикла
складывается из работы, полученной в паровой турбине минус работа сжатия пара в компрессоре и, так как составляет значительную часть работы , то получаемая в цикле полезная работа ограничена. Поэтому цикл Карно ПСУ не нашел практического применения.
Затраты энергии на сжатие рабочего тела становятся значительно меньше, если заменить компрессор на гидравлический насос (рис. 9.4), однако при этом необходимо завершить процесс конденсации 2–3, отведя от рабочего тела значительное количество теплоты в конденсатор.
Рис. 9.4. Схема ПСУ, работающей по циклу Ренкина:
1 – котел; 2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – насос; 5 – электрогенератор
Цикл, в котором процесс сжатия происходит в гидравлическом насосе, получил название цикла Ренкина. На рис. 9.5, 9.6 представлен цикл Ренкина ПСУ соответственно в P-V и T-S диаграммах.
Работа повышения давления воды в насосе значительно (в сотни раз) меньше работы парового компрессора, поэтому существенно возрастает полезная работа цикла.
Однако у рассмотренного цикла Ренкина есть недостаток – в силу снижения средней температуры подвода теплоты в данном цикле (процесс ) термический КПД цикла Ренкина, совершающегося в области влажного пара, ниже термического КПД цикла Карно ПСУ
.
Цикл Ренкина влажного пара с параметрами 6÷7 мПа, 260÷300 ○С нашёл практическое применение на энергетических установках АЭС.
Для повышения термического КПД цикла Ренкина применяют перегрев пара. На рис. 9.7 изображена схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина на перегретом паре. В результате применения перегрева пара температура пара возрастает (в пароперегревателе 6) и увеличивается средняя температура подвода теплоты в цикле, что соответственно позволяет увеличить термический КПД цикла
ПСУ, работающее на перегретом паре с параметрами до 24 мПа, 560 оС нашли применение на энергетических установках ТЭС.
Рис. 9.7. Схема ПСУ, работающей по Циклу Ренкина перегретого пара:
1 – котел; 2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – насос; 5 – электрогенератор;
6 - пароперегреватель
9.2. Определе6ние основных характеристик цикла ПСУ
К основным характеристикам цикла ПСУ относят:
Для определения основных характеристик ПСУ используют в большинстве случаев параметр рабочего тела – энтальпию, значения которой для всех точек цикла можно найти по H–S диаграмме и таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара.
Обычно задаваемыми параметрами цикла Ренкина являются и – температура и давление пара и давление в конденсаторе турбины - .
Процесс расширения пара 1–2 строится в H–S диаграмме (см. рис. 9.8), при этом определяют:
; .
и в итоге определяется работа, получаемая в турбине
.
Рис. 9.8. Процесс расширения пара в турбине
Количество тепла, отводимое в конденсаторе
.
Энтальпию конденсата H3 находят по давлению насыщения
.
Так как вода является практически несжимаемой жидкостью, то справедливо следующее выражение для определения работы, затрачиваемой на привод насоса
,
где - удельный объём воды в состоянии насыщения;
- энтальпия воды за насосом.
Зная значения , нетрудно определить количество тепловой энергии, подведенной в цикле
.
Термический КПД цикла
.
Если принять, что , то
.
9.3. Необратимость процессов в ПСУ
Реальные процессы, протекающее в ПСУ являются необратимыми, то есть сопровождаются потерями энергии и увеличением энтропии рабочего тела. Необратимость процесса расширения пара в турбине представлена на рис. 9.9. На рис. 9.10 представлены реальные термодинамические процессы в паросиловой установке.
Необратимость процесса расширения пара в турбине оценивается внутренним относительным КПД
,
где – потеря полезной работы турбины на необратимость.
Необратимость процессов в гидравлическом насосе также можно оценить своим внутренним относительным КПД
,
где – затраты работы в насосе на необратимость.
Внутренний относительный КПД всей паросиловой установки можно определить по зависимости:
,
где – все необратимые потери теплоты в цикле ПСУ.
9.4. Регенерация и теплофикация в циклах ПСУ
Регенерация тепловой энергии и теплофикация нашли применение в циклах ПСУ для повышения термического КПД цикла.
Схема установки с регенерацией (рис. 9.11) включает дополнительный теплообменник (регенеративный подогреватель) 6, в который поступает пар из отбора турбины, составляющий часть полного расхода пара на турбину. В регенеративном подогревателе обеспечивается дополнительный подогрев питательной воды, подаваемой в котел.
Рис. 9.11. Схема ПСУ с регенерацией и теплофикацией:
1 – котел; 2 – паровая турбина с отборами пара; 3 – конденсатор;
4 – питательный насос; 5 – электрогенератор; 6 – регенеративный подогреватель;
7 – бойлер; 8 – сетевой насос
В результате применения регенерации снижается количество тепла Q2, теряемое в конденсаторе (рис. 9.12, 9.13), за счет этого возрастает термический КПД цикла
.
Однако при этом существенно снижается полезная работа, получаемая в турбине на величину
,
где – доля пара, идущего в отбор (в данном случае регенеративный).
Одновременная выработка на одной и той же ПСУ электрической энергии и тепловой энергии сравнительно низкого потенциала является более выгодной, чем их раздельное производство, такая выработка электроэнергии и тепла называется теплофикацией.
С целью обеспечения потребностей тепловой энергией в виде горячей воды в схему установки включает теплообменник 7 (рис. 9.11), который называется бойлер, в котором происходит подогрев сетевой воды до температуры 130÷150 оС. В качестве греющей среды используется пар из отбора турбины.
В результате применения теплофикации также как и при применении регенерации снижается количество теплоты Q2, теряемое в конденсаторе (рис. 9.13), за счёт чего значительно возрастает термический КПД цикла
.
Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала
ГЛАВА 10. Цикл холодильных установок
Для понижения температуры вещества ниже температуры окружающей среды и непрерывного поддержания заданной низкой температуры применяются холодильные машины.
Современные рефрижераторы нашли применение:
Холодильные установки, рассматриваемые в теплотехнике, делятся на три вида:
а) компрессорные;
б) абсорбционные;
в) струйные.
В качестве рабочего тела в холодильных машинах используются различные вещества – газы, жидкости с низкой температурой кипения, абсорбенты – эти вещества называются холодильные агенты.
10.1. Цикл Карно холодильной машины
В большинстве случаев производство искусственного холода основано на совершении рабочим телом обратного кругового процесса (цикла), наиболее совершенным типом которого является цикл Карно.
На рис. 10.1 и 10.2 представлен цикл Карно холодильной машины соответственно в P-V и T-S диаграмме.
Цикл Карно холодильной машины включает в себя следующие процессы:
Для переноса тепловой энергии тела, имеющего низкую температуру Tx, к телу, имеющего более высокую температуру Tг, необходимо затратить работу цикла
,
Эффективность работы любой компрессионной холодильной машины оценивается следующими характеристиками:
.
Найдем величину холодильного коэффициента обратного цикла Карно. При этом количество подведённой и отведенной теплоты определяется соответственно следующим образом:
Тепловые двигатели, в которых рабочее тело в процессе совершения цикла переходит из одного фазового состояния в другое (жидкость – пар) называются паросиловыми установками (ПСУ).
В большинстве случаев на практике в качестве рабочего тела для ПСУ применяются вода и водяной пар.
ПСУ нашли широкое применение:
а) как энергетические установки ТЭС и АЭС;
б) как транспортные установки;
в) для привода мощных механизмов в промышленности.
9.1. Основные циклы паросиловых установок
На рис. 1.1. представлена схема ПСУ, работающей по циклу Карно.
Рис. 9.1. Схема ПСУ, работающей по циклу Карно:
1 – котел; 2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – компрессор; 5 – электрогенератор
Рассмотрим цикл такой установок в P–V и T–S диаграммах, представленных соответственно на рис. 9.2 и рис. 9.3.
| Рис. 9.2. Цикл Карно ПСУ в P-V диаграмме | Рис. 9.3. Цикл Карно ПСУ в T-S диаграмме |
Основные процессы, входящие в цикл:
1–2 – адиабатное расширение пара в турбине;
2–3 – изобарно–изотермический процесс отвода теплоты в конденсаторе;
3–4 – адиабатное сжатие влажного пара в компрессоре;
4–1 – изобарно–изотермический подвод теплоты в котле.
Все процессы данного цикла совпадают с процессами Карно, однако, происходят в области влажного пара, то есть являются процессами фазового перехода.
Такой цикл будет обладать максимальным термическим КПД:
,
однако полезная работа такого цикла
складывается из работы, полученной в паровой турбине минус работа сжатия пара в компрессоре и, так как составляет значительную часть работы , то получаемая в цикле полезная работа ограничена. Поэтому цикл Карно ПСУ не нашел практического применения.
Затраты энергии на сжатие рабочего тела становятся значительно меньше, если заменить компрессор на гидравлический насос (рис. 9.4), однако при этом необходимо завершить процесс конденсации 2–3, отведя от рабочего тела значительное количество теплоты в конденсатор.
Рис. 9.4. Схема ПСУ, работающей по циклу Ренкина:
1 – котел; 2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – насос; 5 – электрогенератор
Цикл, в котором процесс сжатия происходит в гидравлическом насосе, получил название цикла Ренкина. На рис. 9.5, 9.6 представлен цикл Ренкина ПСУ соответственно в P-V и T-S диаграммах.
Работа повышения давления воды в насосе значительно (в сотни раз) меньше работы парового компрессора, поэтому существенно возрастает полезная работа цикла.
| Рис. 9.5. Цикл Ренкина ПСУ в P-V диаграмме | Рис. 9.6. Цикл Ренкина ПСУ в T-S диаграмме |
Однако у рассмотренного цикла Ренкина есть недостаток – в силу снижения средней температуры подвода теплоты в данном цикле (процесс ) термический КПД цикла Ренкина, совершающегося в области влажного пара, ниже термического КПД цикла Карно ПСУ
.
Цикл Ренкина влажного пара с параметрами 6÷7 мПа, 260÷300 ○С нашёл практическое применение на энергетических установках АЭС.
Для повышения термического КПД цикла Ренкина применяют перегрев пара. На рис. 9.7 изображена схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина на перегретом паре. В результате применения перегрева пара температура пара возрастает (в пароперегревателе 6) и увеличивается средняя температура подвода теплоты в цикле, что соответственно позволяет увеличить термический КПД цикла
ПСУ, работающее на перегретом паре с параметрами до 24 мПа, 560 оС нашли применение на энергетических установках ТЭС.
Рис. 9.7. Схема ПСУ, работающей по Циклу Ренкина перегретого пара:
1 – котел; 2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – насос; 5 – электрогенератор;
6 - пароперегреватель
9.2. Определе6ние основных характеристик цикла ПСУ
К основным характеристикам цикла ПСУ относят:
-
термический КПД цикла; -
работу, получаемую в турбине; -
работу, затрачиваемую на привод насоса; -
количество подведенной и отведенной тепловой энергии.
Для определения основных характеристик ПСУ используют в большинстве случаев параметр рабочего тела – энтальпию, значения которой для всех точек цикла можно найти по H–S диаграмме и таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара.
Обычно задаваемыми параметрами цикла Ренкина являются и – температура и давление пара и давление в конденсаторе турбины - .
Процесс расширения пара 1–2 строится в H–S диаграмме (см. рис. 9.8), при этом определяют:
; .
и в итоге определяется работа, получаемая в турбине
.
Рис. 9.8. Процесс расширения пара в турбине
Количество тепла, отводимое в конденсаторе
.
Энтальпию конденсата H3 находят по давлению насыщения
.
Так как вода является практически несжимаемой жидкостью, то справедливо следующее выражение для определения работы, затрачиваемой на привод насоса
,
где - удельный объём воды в состоянии насыщения;
- энтальпия воды за насосом.
Зная значения , нетрудно определить количество тепловой энергии, подведенной в цикле
.
Термический КПД цикла
.
Если принять, что , то
.
9.3. Необратимость процессов в ПСУ
Реальные процессы, протекающее в ПСУ являются необратимыми, то есть сопровождаются потерями энергии и увеличением энтропии рабочего тела. Необратимость процесса расширения пара в турбине представлена на рис. 9.9. На рис. 9.10 представлены реальные термодинамические процессы в паросиловой установке.
| Рис. 9.9. Необратимость процесса расширения пара в турбине | Рис. 9.10. Реальные процессы в ПСУ |
Необратимость процесса расширения пара в турбине оценивается внутренним относительным КПД
,
где – потеря полезной работы турбины на необратимость.
Необратимость процессов в гидравлическом насосе также можно оценить своим внутренним относительным КПД
,
где – затраты работы в насосе на необратимость.
Внутренний относительный КПД всей паросиловой установки можно определить по зависимости:
,
где – все необратимые потери теплоты в цикле ПСУ.
9.4. Регенерация и теплофикация в циклах ПСУ
Регенерация тепловой энергии и теплофикация нашли применение в циклах ПСУ для повышения термического КПД цикла.
Схема установки с регенерацией (рис. 9.11) включает дополнительный теплообменник (регенеративный подогреватель) 6, в который поступает пар из отбора турбины, составляющий часть полного расхода пара на турбину. В регенеративном подогревателе обеспечивается дополнительный подогрев питательной воды, подаваемой в котел.
Рис. 9.11. Схема ПСУ с регенерацией и теплофикацией:
1 – котел; 2 – паровая турбина с отборами пара; 3 – конденсатор;
4 – питательный насос; 5 – электрогенератор; 6 – регенеративный подогреватель;
7 – бойлер; 8 – сетевой насос
В результате применения регенерации снижается количество тепла Q2, теряемое в конденсаторе (рис. 9.12, 9.13), за счет этого возрастает термический КПД цикла
.
-
Рис. 9.12. Цикл ПСУ
с регенерацией
Рис. 9.13. Цикл ПСУ с
теплофикацией
Однако при этом существенно снижается полезная работа, получаемая в турбине на величину
,
где – доля пара, идущего в отбор (в данном случае регенеративный).
Одновременная выработка на одной и той же ПСУ электрической энергии и тепловой энергии сравнительно низкого потенциала является более выгодной, чем их раздельное производство, такая выработка электроэнергии и тепла называется теплофикацией.
С целью обеспечения потребностей тепловой энергией в виде горячей воды в схему установки включает теплообменник 7 (рис. 9.11), который называется бойлер, в котором происходит подогрев сетевой воды до температуры 130÷150 оС. В качестве греющей среды используется пар из отбора турбины.
В результате применения теплофикации также как и при применении регенерации снижается количество теплоты Q2, теряемое в конденсаторе (рис. 9.13), за счёт чего значительно возрастает термический КПД цикла
.
Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала
-
Приведите примеры использования паросиловых установок. -
Какое рабочее тело используется обычно в ПСУ? -
Изобразите схему ПСУ, работающей по циклу Карно. -
Изобразите схему ПСУ, работающей по циклу Ренкина. -
В чем отличие цикла ПСУ Ренкина от цикла Карно? -
Зачем необходим перегрев пара в цикле ПСУ? -
Изобразите цикл ПСУ Ренкина в P-V и T-S диаграммах водяного пара. -
Опишите последовательность термодинамических процессов в цикле ПСУ. -
Назовите основные характеристики цикла ПСУ. -
Как рассчитать термический КПД цикла ПСУ? -
Как определить работу, получаемую в турбине для цикла ПСУ Ренкина? -
Как определить количество теплоты, подведенной к рабочему телу в котле? -
Какую диаграмму используют для расчета процесса расширения пара в турбине? -
В чем заключается необратимость процессов в ПСУ? -
Каким показателем оцениваются необратимые потери энергии в цикле ПСУ? -
Как осуществляется регенерация теплоты в цикле ПСУ? -
Объясните принцип использования энергии пара для теплофикации. -
Докажите, что при регенерации теплоты в цикле возрастает термический КПД ПСУ. -
Докажите, что при применении теплофикации возрастает термический КПД ПСУ. -
Почему ПСУ являются наиболее крупными и мощными энергетическими агрегатами?
ГЛАВА 10. Цикл холодильных установок
Для понижения температуры вещества ниже температуры окружающей среды и непрерывного поддержания заданной низкой температуры применяются холодильные машины.
Современные рефрижераторы нашли применение:
-
в сельском хозяйстве и пищевой промышленности; -
в торговле, на предприятиях общественного питания; -
в быту (холодильники, кондиционеры); -
в промышленности.
Холодильные установки, рассматриваемые в теплотехнике, делятся на три вида:
а) компрессорные;
б) абсорбционные;
в) струйные.
В качестве рабочего тела в холодильных машинах используются различные вещества – газы, жидкости с низкой температурой кипения, абсорбенты – эти вещества называются холодильные агенты.
10.1. Цикл Карно холодильной машины
В большинстве случаев производство искусственного холода основано на совершении рабочим телом обратного кругового процесса (цикла), наиболее совершенным типом которого является цикл Карно.
На рис. 10.1 и 10.2 представлен цикл Карно холодильной машины соответственно в P-V и T-S диаграмме.
| Рис. 10.1. Цикл Карно холодильной машины в P-V диаграмме | Рис. 10.2. Цикл Карно холодильной машины в T-S диаграмме |
Цикл Карно холодильной машины включает в себя следующие процессы:
-
1–2 – адиабатное сжатие рабочего тела; -
2–3 – изотермический отвод теплоты Qг; -
3–4 – адиабатное расширение рабочего тела; -
4–1– изотермический подвод теплоты Qx.
Для переноса тепловой энергии тела, имеющего низкую температуру Tx, к телу, имеющего более высокую температуру Tг, необходимо затратить работу цикла
,
Эффективность работы любой компрессионной холодильной машины оценивается следующими характеристиками:
-
Хладопроизводительностью – количеством тепловой энергии, отведенным от охлаждаемого тела в единицу времени , Вт. -
Затратами энергии в виде работы цикла (обычно равной работе компрессора). -
Температурой охлаждаемого тела . -
Холодильным коэффициентом – отношением количества теплоты, отведенной от охлаждаемого тела к затраченной работе цикла
.
Найдем величину холодильного коэффициента обратного цикла Карно. При этом количество подведённой и отведенной теплоты определяется соответственно следующим образом: