Тема 6. Циклы паросиловых, холодильных установок и теплового насоса

6.1 Циклы паросиловых установок. Цикл Ренкина

В современной стационарной теплоэнергетике в основном ис­пользуются паровые теплосиловые установки. На долю паротур­бинных электростанций приходится более 80% вырабатываемой электроэнергии. В паровых теплосиловых установках в качестве рабочего тела, как правило, используется водяной пар, что объяс­няется доступностью и дешевизной воды.

Н а рисунке 6.1 приведена схема паросиловой установки. Из парового котла ПК перегретый пар с параметрами p₁, T₁, h₁ поступает в паровую турбину Т. При расширении в сопловом аппарате пар приобретает значительную кинетическую энергию, которая в роторе турбины превращается в техническую работу. Механическая энергия турбины превращается в электрогенераторе ЭГ в электрическую энергию. После турбины пар с давлением р₂ и энтальпией h₂ поступает в конденсатор К, представляющий собой теплообменник, в трубах которого циркулирует вода, охлаждаю­щая пар.

Рис. 6.1 – Принципиальная схема паровой теплосиловой установки

В конденсатор отводится теплота в количестве q₂, в ре­зультате чего пар конденсируется. Конденсат подается насосом Н в котел, и цикл повторяется вновь. Таким образом, характерная особенность паросиловых установок – фазовое превращение ра­бочего тела в цикле.

Рассмотрим описанный замкнутый процесс в рт–, Тs– и hs – координатах (рисунок 6.2).

Точка 4 соответствует состоянию рабочего тела перед паро­вым котлом. В котле происходят нагрев жидкости (4–5), парообра­зование (5–6) и перегрев пара (6–1). Теплота q₁, подведенная к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе, равна разности энтальпий в конечной и начальной точках процесса q₁ = h₁ – h₄.

В паровой турбине осуществляется адиабатный процесс расши­рения (1–2). В результате перегретый пар превращается в сухой на­сыщенный, а затем во влажный с параметрами точки 2. Конденса­ция пара происходит при постоянном давлении (процесс 2–3). Изобары в области влажного пара являются одновременно и изотер­мами, т.е. на участке 2–3 давление р₂ и температура Т₂ остаются неизменными. При этом от рабочего тела отводится в окружаю­щую среду количество теплоты q₂ = h₂ – h₃. Процесс 3–4 подачи конденсата в котел насосом изображается изохорой, так как вода практически несжимаема. Точки 3 и 4 на Ts– и hs – диаграммах не совпадают, но это отклонение столь мало, что им пренебрегают. Образованный таким образом термодинамический цикл называется циклом Ренкина (по имени шотландского физика, предложившего его в середине прошлого столетия).

Термический КПД цикла Ренкина:

. (6.1)

Как уже говорилось, можно принять, что , т.е.

, (6.2)

где h_К – энтальпия конденсата в точке 3.

Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины h₁ и после нее h₂ и энтальпии воды h_К при температуре конденсации пара t₂. Поэтому при определении значения η_t, цикла паросило­вой установки удобно пользоваться hs – диаграммой.

а) в pv– координатах; б) в Ts – координатах; в) в hs – координатах

Рис. 6.2 – Цикл Ренкина