экзамен / TEHNIChESKAYa_TERMODINAMIKA

любом цикле.

Рассмотрим влияние температур конденсации и испарения хладагента на эффективность холодильной установки.

Как видно из рисунка 9.9, понижение температуры конденсации хладагента (Т К < ТК) приводит к уменьшению затрачиваемой работы (степень сжатия в компрессоре уменьшается), к увеличению холодопроизводительности и, следовательно, к увеличению холодильного коэффициента. Таким образом, температура конденсации хладагента должна быть как можно ниже, однако она не может выбираться произвольно: температура конденсации должна быть выше температуры окружающей среды (охлаждающей воды). В зимнее время эффективность холодильной установки можно повысить используя компрессор с меньшей степенью сжатия.

T			K	2	T			K	2
	4			3		4			3
TК	4'			3' 2'	TК
TК'
					TИ	6			1
ТИ	6					6'	5
				1	TИ'
	5'	5						5'	1'
				s					s
	Рисунок 9.9 Циклы с разными					Рисунок 9.10 Циклы с разными
	температурами испарения					температурами конденсации

Понижение температуры испарения хладагента (Т И < ТИ на рисунке 9.10) приводит к увеличению затрачиваемой работы, уменьшению холодопроизводительности и, следовательно, к уменьшению холодильного коэффициента. Таким образом, получение более низких температур (более высокого “качества” холода) требует больших энергетических затрат.

110

10. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ЭНЕРГОБЛОКА ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (ЦИКЛ РЕНКИНА)

Основной современный принцип получения электроэнергии заключается в преобразовании теплоты, полученной при сжигании топлива или в атомных реакторах, в работу электрогенераторов. В качестве рабочего тела, преобразующего теплоту в работу, служит водяной пар, поэтому установки получили название паросиловых.

Назначение электростанций – выработка как можно более дешевой электроэнергии. Решение этой задачи привело к созданию сложных установок, но в основе работы всех их типов лежит теоретический цикл паросиловой установки – цикл Ренкина. Схема энергоблока представлена на рис.10.1.

II

I

Q1

III

Q2

IV

Рис.10.1. Схема энергоблока тепловой электростанции

Вода поступает в котлоагрегат 1, где превращается в перегретый пар, направляемый в паровую турбину П. Расширяясь в адиабатных условиях пар совершает работу – вращает турбины генераторов, вырабатывающих электроэнергию. Из турбины отработавший пар поступает в конденсатор Ш, где происходит отдача теплоты охлаждающей воде. Конденсат забирается насосом IV, сжимается и вновь направляется в котлоагрегат на парообразование. Таким образом, рабочее тело совершает цикл, который может быть представлен в координатах Т-s следующим образом (рис.10.2): сжатие

111

воды в насосе по линии 1 – 2 (в действительности повышение температуры и энтальпии воды в насосе будет настолько мало, что точки 1 и 2 совместятся, что часто и изображают на диаграммах); процесс получения перегретого пара в котлоагрегате выражается линией 2 - 3 - 4 - 5, где отрезок 2 – 3 – нагрев воды, 3 – 4 – парообразование, 4 – 5 – перегрев пара; адиабатное расширение пара по линии 5-6; конденсация пара в условиях вакуума (Рабс = 0,04 – 0,06) по линии 6 - 1.

	5			К
T	К	p
			3	4	5
3	4	2

lц

	2	6 x=1	1	6	x=1
	1
		q2
		s			v

Рис.10.2. Цикл энергоблока в Т-s и р-v диаграммах

На основании свойств прямых циклов, площадь цикла в Т-s координатах представляет теплоту эквивалентную полезной работе, величина которой может быть определена как разность подведенной и отведенной теплоты. Подведенную теплоту выражает площадь под линией 2 – 3 – 4 – 5, отведенную теплоту площадь под линией 6 – 1, соответствующие расчеты которых могут быть произведены на основе разности удельных энтальпий (в расчете на 1 кг)

как изобарных процессов подвода и отвода тепла:
q1 = i5 – i2 ; q2 = i6 – i1;	(10.1)
Тогда удельная полезная работа цикла:
lц = q1 – q2 = (i5 – i2) – (i6 – i1) ,	(10.2)
если принять i1 = i2, то
lц = i5 – i6	(10.3)

112

Термодинамическим КПД цикла является отношение полезной работы к подведенной теплоте:

η lц	i5	i6		;	(10.4)
q	i	i	2
1	5

Поскольку в диаграммах i – s нижняя пограничная кривая обычно не приводится, то энтальпия конденсата на входе в котлоагрегат – i1 может быть рассчитана как произведение теплоемкости воды на температуру конденсата:

i1 = св . tк = 4,187 . tк (кДж/кг)

В рассмотренных расчетах цикла Ренкина и его КПД не принималась во

2

внимание работа, затрачиваемая на питательный насос, равная vdp . В связи

1

с малым удельным объемом воды эта работа оказывается настолько мала, что ею можно пренебречь. Однако, в крупных установках высокого давления эта величина становится существенной и может заметно влиять на КПД.

Рассчитать затрачиваемую насосом работу при адиабатных условиях сжатия воды в насосе, можно как:

lн = vв (Р2 – Р1) = i2 – i1 (10.5)

где vв – удельный объем воды;

i1 и i2 – энтальпии воды на входе и выходе из насоса. КПД цикла Ренкина с учетом работы насоса выразится:

η lп.т lн	i5 i6 i1 i2			lц	i5	i6		(10.6)
q	i	i	2	q	i	i	2
1	5			1	5

Сравнение величин lц = q1 – q2 = (i5 – i2) – (i6 – i1) и lц = lп.т - lн = (i5 – i6) – (i2 – i1) = (i5 – i2) – (i6 – i1) дает один и тот же результат.

Возможности для повышения КПД заключаются в применении пара с более высокими значениями давления и температурами. Ограничения при этом являются прочностные характеристики оборудования и прежде всего лопаток паровых турбин, работающих постоянно в жестких условиях параметров при

113

больших скоростях вращения в сотни и тысячи оборотов в минуту. В современных энергоблоках давление пара превышает 230 – 240 бар и температуру свыше 520 – 540оС.

К показателям, характеризующим экономичность цикла относятся также удельные расходы пара и тепла на единицу получаемой работы или на 1 кВт.час электроэнергии.

Удельные расходы пара:

d	1	(кг/кДж); d	3600		(кг/кВт.час)	(10.7)
i	i		i	i
5	6		5	6

Общее количество пара, необходимое на работу установки в час зависит от получаемой мощности:

	D = d . N (кг/час);					(10.8)
Удельные затраты теплоты:
q Q1	q1	1 ;	q d i	i	2	(10.9)
Lц	lц	η	5

Эти величины чаще измеряются в кДж/мДж или кДж/кВт.час.

Общее количество необходимого тепла в час на работу установки также определяется получаемой мощностью или расходом пара:

Q = q .N = D . (i5 – i2) (кДж/час); (10.10)

Зная количество затрачиваемого тепла, можно подсчитать расход топлива. При этом обычно необходимо учитывать и КПД котельной установки, так как имеющиеся потери требуют в действительности большого расхода тепла:

Q = Qд . ηк.у.; Qд	Q	(10.11)
	ηк.у.

Тогда:

Q

Qд = В . Qт; В Qд (10.12)

т

где Qт – теплотворная способность топлива; В – расход топлива в час.

114

Рассматриваемый цикл Ренкина является идеальным теоретическим циклом, то есть предполагается, что при его протекании не происходит падений давления, связанных с трением в котлоагрегате, турбине, конденсаторе, питательном насосе и трубопроводах, нет потерь энергии в форме теплоты от различных узлов установки в окружающую среду., исключая необходимый отвод тепла в конденсаторе.

В соответствии с этим в реальной паросиловой установке, кроме чисто термодинамических потерь q2 , определяемых вторым законом термодинамики, имеются и другие потери, связанные с работой оборудования: котлоагрегата, трубопроводов, турбогенераторов и прочего. Обычно это оборудование дает потери КПД в пределах 2 – 10%.

Таким образом, КПД электростанции представляет произведение КПД элементов, составляющих всю энергетическую установку (турбины, котельной установки, пароперегревателя, внутреннего КПД турбины, механического КПД, КПД генератора):

ηэ ηт ηк.у. ηп ηв.т. ηм ηг

(10.13)

115

Литература

1. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. Учебное пособие для втузов, 3е издание, испр. - М.: Высш. шк. 2003. - 261 с.

2. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. Учебник для неэнергетических спец. втузов. - М.: Высш.шк., 1988. – 479 с.

3. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена. Учебное пособие для энергомашиностроительных спец. вузов /В.Н.Афанасьев, С.И.Исаев и др. Под ред. В.И.Крутова и Г.Б.Петражицкого. - М.: Высш. шк.,

1986. – 383 с.

4.Луканин В.Н. И др. Теплотехника /Под ред. Луканина В.Н. 5е изд. стер.

-М.: Высш.шк., 2006. - 671 с.

5.Ерофеев В.Л. и др. Теплотехника. Учебн. Для вузов /Под ред. Ерофеева В.Л. - М.: ИКЦ Академкнига, 2006. - 456 с.

116

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ЛАВРОВ Леонид Иванович и другие

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Компьютерная верстка О.Н.Бузыкина

РТП ИК «Синтез» Московский пр.,26

117