Еталонний цикл Карно (стор.254)

Для оцінки ефективності довільного оборотного циклу важливе значення має поняття еталонного циклу. Еталонний цикл – це умовний цикл Карно, що прохо-дить в інтервалі максимальної і мініма-льної температур робочого тіла у довіль-ному циклі. На рисунку еталонним є цикл 1`-2`-3`-4`.

Термічний ККД еталонного циклу дорі-внює:

;

оскільки , а , то:

.

Таким чином, термічний ККД еталон-ного циклу показує максимально можливу ефективність використання теплоти для отримання роботи в будь-якому оборотному циклі, який проходить в даному інтервалі температур.

*§10 Регенеративний цикл паросилової установки (стор. 332-337)

Підведення теплоти в циклі Карно про-ходить в ізотермічних процесах, а в циклі Ренкіна частково теплота підводиться в ізо-барних процесах. Цим пояснюється більш високе значення термічного ККД циклу Карно порівняно з циклом Ренкіна, якщо ці цикли виконуються в однаковому інтервалі температур.

Якщо ізобарного перегріву пари не мо-жна уникнути, то підігрів води можна про-водити за рахунок теплоти пари, яка відби-рається з парової турбіни. Такий спосіб пі-дігріву води називають регенеративним, а цикл, в якому використовується такий ме-тод підігріву води, називають регенератив-ним циклом. У регенеративних циклах се-редня температура підводу теплоти від зов-нішнього джерела до робочого тіла вища, ніж у звичайного циклу Ренкіна, що приз-водить до підвищення ККД.

****

1 – паровий котел;

2 – пароперегрівач;

3 – парова турбіна;

4 – конденсатор;

5 – насос;

6 – підігрівники.

У регенеративному циклі конденсат, який має температуру , підігріває-ться в підігрівниках парою, яка ві-дбирається з проміжних ступенів турбіни. Виконуючи ступінчастий підігрів води за рахунок ступінчастого відбору теплоти па-ри в процесі її розширення, можна реалізу-вати ідею регенеративного циклу Карно, як це вказано на рисунку для частини цик-лу в області насиченої пари.

Збільшуючи кількість відборів до нескі-нченності, можна процес розширення наб-лизити до кривої, яка буде еквідистантна кривій процесу підігріву води 9-10. Проте на практиці це реалізувати неможливо.

Зображення регенеративного циклу ду-же умовне, так як в окремих процесах бере участь різна кількість пари: до першого ві-дбору І кг, з початком відборів все менша та менша кількість. Через турбіну прохо-дить не вся пара. З кожного кілограма па-ри, яка поступає в парову турбіну, відбира-ється: кг в першому підігрівнику з ентальпією , тиском та температурою ; кг в другому підігрівнику з ентальпі-єю , тиском та температурою ; кг у третьому підігрівнику з ентальпією , тиском та температурою . Відводиться в конденсатор кг пари з ентальпією , тиском та температурою .

Тоді .

1-2-3-4-5-6-7-8 – процес розширення па-ри в турбіні та відведення теплоти з відіб-раною парою;

1-2, 3-4, 5-6, 7-8 – процеси розширення;

2-3, 4-5, 6-7 – процеси віддачі теплоти парою в підігрівниках 6.

Кількість теплоти, яка передана таким чином визначається площею 2-в-д-7-6-5-4-3-2. Цю теплоту бере конденсат, який після конденсатора насосом 5 послідовно прока-чується через три підігрівника та нагріває-ться до температури пари першого відбору і має ентальпію живільної води . Корисна робота 1 кг пари в ідеальній турбіні з регенерацією менша за роботу в циклі Ренкіна на величину, яка еквівалентна теплоті, що зображується площею 2`-8-7-6-5-4-3-2.

Корисна робота 1 кг пари в регенерати-вному циклі визначається як сума робіт від потоків пари, які проходять через турбіну:

;

;

.

Термічний ККД регенеративного циклу визначається за загальною формулою:

.

Ентальпію пари в місцях отбору зручно визначати з hs-діаграми.

Адіабату розширення пари в турбіні проводять між початковим станом пари пе-ред турбіною та кінцевим станом в конден-саторі. У місцях перетину цієї адіабати з ізобарами значень тисків пари в місцях от-бору знаходять точки відповідних значень ентальпій.

*Термічний ККД циклу паросилової ус-тановки збільшується на 10..14% за раху-нок використання регенерації для підігріву води. При регенерації зменшуються прохід-ні перерізи між лопатками в останній сту-пені турбіни за рахунок зменшення кілько-сті пари, яка проходить через цю ступінь. Це призводить до зменшення габаритів ту-рбіни.

У зв'язку з підвищенням середньої тем-ператури робочого тіла, за рахунок підви-щення початкової його температури при регенеративному підігріві води, зменшує-ться різниця температур між гарячими га-зами та робочим тілом, що призводить до зменшення необоротності процесу передачі теплоти в паровому котлі від гарячих газів до води.

Тема 14

Парогазові цикли

У газових турбінних установках робоче тіло має достатньо високу початкову темпе-ратуру в межах . Незважаючи на це, ККД цих установок порівняно неве-ликий через те, що висока температура від-працьованих газів порядка . Але по-чаткова температура у них порівняно неви-сока, що також приводить до зниження ККД. Найбільш ефективним є комбінова-ний цикл, в якому температура набли-жається до максимальної в газовій турбіні, а температура відведення теплоти – до тем-ператури парового циклу, тобото, до тем-ператури навколишнього середовища. Та-кий цикл є бінарним, тобто, цикл, у якому приймають участь два робочих тіла: газ і пара. Розглянемо схему такого цикла.

1 – компресор;

2 – паливний насос;

3 – камера згоряння;

4 – газова турбіна;

5 – електричний генератор;

6 – парова турбіна;

7 – конденсатор;

8 – насос;

9 і 10 – регенеративний підігрівник – паровий котел.

Повітря стискується в компресорі і по-дається в камеру згоряння 3. Туди ж від паливного насоса 2 подається паливо, яке згоряє, і утворюються продукти згоряння, які охолоджуються шляхом підігріву реге-неративного підігрівника до температури . З камери згоряння продукти згоряння подаються в газову турбіну 4, з валом якої зв’язаний електричний генера-тор 5. Відпрацьовані гази з газової турбіни поступають під час достатньо високої тем-ператури в регенеративний теплообмінник 9, де охолоджуються.

Паровий цикл працює так:

Відпрацьована пара з парової турбіни 6 поступає в конденсатор 7. Конденсат подає-ться насосом 8 в регенеративний підігрів-ник 9. Там конденсат підгрівається до тем-ператури насичення під час тиску в кмері згоряння і поступає в камеру згоряння, де пара перегрівається, і з камери згоряння перегріта пара надходить в парову турбіну 6.

Лекція 22. 25.12..

Цикл парогазової установки складаєть-ся з парового циклу 1-2-3-4-5-6-1 і газового циклу 7-8-9-10. Адіабатно стиснуте в комп-ресорі повітря (лінія 9-10) надтодить у ка-меру згоряння, де йому в ізобарних умовах передається теплота згоряння палива (лі-нія 10-7). Продукти згоряння адіабатно ро-зширюються (лінія 7-8) в газовій турбіні. Розширення відбувається практично до ти-ску навколишнього середовища. Після тур-біни гази надходять у регенеративний піді-грівник, де здійснюється підігрів жи-вильної води ПСУ (лінія 8-8`). Подальше охолодження продуктів згоряння відбуває-ться в атмосфері (лінія 8`-9)*. Ефективність такого циклу залежить від різниці темпе-ратур відпрацьованих газів і живильної во-ди. Чим менше різниці температур та , тим ближче ізоба-ра процесу нагріву води 4-5 до ізобари охо-лодження газу 8-8`. І тим ближче вони бу-дуть до еквідистантних кривих. Враховую-чи, що теплоємності води і газів різні, для здійснення ізобарних процесів 4-5 і 8-8` на-грівання води і охолодження газів не обхід-но подавати різні кількості робочих тіл. Співвідношення між масою газу і води мо-жна записати у вигляді теплового балансу:

(1)

Тут – витрата живильної води, ;

і – теплоємності відповідно води і газів;

– масова витрата відпрацьованих газів, .

Оскільки процес теплообміну в регене-ративному підігрівнику ізобарний, то це рі-вняння (1) для випадку, коли мо-жна переписати через ентальпії:

;

(2)

Звідси знайдемо масу газу, яка прихо-диться на 1 кг води:

(3)

Термічний ККД парогазового циклу знаходиться за загальною формулою:

,

де – робота всього циклу;

– теплота, яка підводиться у циклі.

;

,

– робота, яка виконується в па-ровій турбіні;

– робота, яка витрачена на робо-ту насосу.

,

де – робота, яка виконується га-зовою турбіною;

– робота, яка витрачена на стис-нення повітря в компресорі.

Теплота: ;

; T m

.

Остаточно:

З цього рівняння видно, що термічний ККД такого циклу залежить від парамет-рів робочих тіл. Під час роботи на оптима-льних параметрах економія палива в циклі порівняно з паровим циклом може склада-ти 8..12%. Пояснюється це тим, що ліва час-тина парового циклу 3-4-5 являє собою бі-нарне достроювання до газового циклу 9-10-7-8. Втрати теплоти в газовому циклі зведені до мінімуму завдяки глибокому охолодженню газів у регенеративному піді-грівнику. Економія палива також досягає-ться завдяки тому, що паротурбінна части-на таких установок не має власних втрат теплоти з відпрацьованою парою.

Тема 15

*Установки, що працюють за зворотними циклами (стор. 348-359)