Меню Рубрики

Установки для насыщения пара

Паросиловая установка. Цикл Ренкина

В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары различных жидкостей (вода, ртуть и т. п.), но чаще всего водяной пар.

В паровом котле паросиловой установки (1) за счет подвода теплоты Q1, получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при постоянном давлении р1 (рис. 33). В пароперегревателе (2) он дополнительно нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой двигатель (3) (например, в паровую турбину), где полностью или частично расширяется до давления р1 с получением полезной работы L1. Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор (4), где он полностью или частично конденсируется при постоянном давлении р2. Конденсация пара происходит в результате теплообмена между отработавшим паром и охлаждающей жидкостью, протекающей через холодильник-конденсатор (4).

Рис. 33. Схема простейшей паросиловой установки

После холодильника сконденсированный пар поступает на вход насоса (5), в котором давление жидкости повышается с величины р2 до первоначального значения р1 после чего жидкость поступает в паровой котел (1). Цикл установки замыкается. Если в холодильнике (4) происходит частичная конденсация отработавшего пара, то в паросиловой установке вместо насоса (5) используется компрессор, где давление пароводяной смеси также повышается с р2 до р1. Однако для того, чтобы уменьшить работу на сжатие, целесообразно полностью сконденсировать пар в конденсаторе и затем сжимать не пароводяную смесь, а выходящую из конденсатора воду. Описанный цикл паросиловой установки называется циклом Ренкина (рис. 34).

Цикл Ренкина состоит из изобары (4–1), где подводится теплота в нагревателе, адиабаты (1–2) расширения пара в паровой турбине, изобары (2–3) отвода теплоты в холодильнике-конденсаторе и изохоры (3–4) повышения давления воды в насосе. Линия (4–а) на изобаре соответствует процессу повышения температуры жидкости после насоса до температуры кипения при давлении р1. Участок (a–b) соответствует превращению кипящей жидкости в сухой насыщенный пар, а участок (b–1) – процессу подвода теплоты в пароперегревателе для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.

Рис. 34. Цикл Ренкина в координатах p-v (а) и Т-s (б)

Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины

. (306)

Работа, затраченная на сжатие воды в насосе, определяется так же по разности энтальпии рабочего тела в точках (4) и (3).

В координатах р-v эта работа определяется площадью e-3-4-f (рис. 34a). Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.

Полезная работа цикла равна работе турбины за вычетом работы, затрачиваемой на привод насоса wН

. (307)

Удельное количество теплоты q1, подведенной в котле и пароперегревателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теплоты

, (308)

где h4 – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р2 практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3),
т.е. h4 @ h3.

Сопоставляя соотношения, можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты

. (309)

Другая важная характеристика паросиловой установкиудельный расход пара d, который характеризует количество пара, необходимого для выработки 1 кВт·ч энергии (3600 Дж), и измеряется в .

Удельный расход пара в цикле Ренкина равен

. (310)

Удельный расход пара определяет размеры агрегатов: чем он больше, тем больше пара приходится вырабатывать для получения той же мощности.

Пути повышения экономичности паросиловых установок

Читайте также:  Установки настенный газ колонки

Термический КПД цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50 %. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в двигателе значение КПД еще меньше.

Существуют два пути повышения экономичности паросиловых установок: повышение параметров пара перед турбиной и усложнение схем паросиловых установок.

Рис. 36. Схема паросиловой установки с регенеративным подогревом питательной воды
Рис. 35. Схема установки для совместной выработки механической энергии и теплоты

1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина;
4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – тепловой потребитель

Первое направление приводит к увеличению теплоперепада в процессе расширения пара на турбине (h1 — h2) и, как следствие, к увеличению удельной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h1-h2 можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установки, т.е. уменьшая давление р2. Повышение экономичности паросиловых установок этим путем связано с решением ряда трудных технических задач, в частности, использования высоколегированных, жаропрочных материалов для изготовления турбины.

Эффективность использования паросиловой установки можно значительно повысить за счет использования теплоты отработавшего пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой целью охлаждающую воду, нагретую в конденсаторе (4) (рис. 35), не выбрасывают в водоем, а прокачивают через отопительные установки теплового потребителя (6). В таких установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы L1 на валу турбины (3) и теплоту Qт.п для отопления. Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии – один из основных методов повышения эффективности тепловых установок.

Повысить КПД паросиловой установки по сравнению с циклом Ренкина можно за счет применения так называемого регенеративного цикла
(рис. 36). В этой схеме питательная вода, поступающая в котел (1), нагревается паром, частично отбираемым из турбины (3). По этой схеме пар, полученный в котле (1) и перегретый в пароперегревателе (2), направляется в турбину (3), где происходит его расширение до давления в конденсаторе (4). Однако часть пара после совершения им работы из турбины и направляется в регенеративный подогреватель (6), где в результате конденсации он подогревает питательную воду, подаваемую насосом (5) в котел (1).

Сам конденсат после регенеративного подогревателя поступает на вход насоса (5) или в конденсатор 4, где он смешивается с конденсатом пара, прошедшего через все ступени турбины. Таким образом, в котел поступает такое же количество питательной воды, какое и выходит из него в виде пара. Из диаграмм (рис. 37) видно, что каждый килограмм пара, входящий в турбину, расширяется от давления р1 до давления р2, совершая работу w1=h1-h2. Пар в количестве (1 — g) долей килограмма расширяется до конечного давления p3, совершая работу w2=h2-h3. Суммарная работа 1 кг пара в регенеративном цикле будет

, (311)

где – доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.

Рис. 37. График адиабатного расширения пара в турбине с промежуточным отбором (а) и изменения количества пара (б)

Уравнение показывает, что использование регенерации теплоты приводит к уменьшению удельной работы расширения по сравнению с циклом Ренкина с теми же параметрами пара. Однако расчеты показывают, что работа в регенеративном цикле уменьшается медленнее, чем расход теплоты на получение пара при наличии регенерации, поэтому КПД паросиловой установки с регенеративным подогревом в итоге выше КПД обычного цикла.

Применение пара высоких и сверхвысоких давлений с целью повышения КПД установок наталкивается на серьезное затруднение: влажность его на последних ступенях турбины получается настолько высокой, что заметно снижает КПД турбины, вызывает эрозию лопаток, может служить причиной выхода их из строя. Поэтому в установках с высокими параметрами пара приходится применять так называемый промежуточный перегрев пара, что также ведет к повышению КПД установки (рис. 38).

Читайте также:  Установка кнопка обогрева зеркал

Рис. 38. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара:

1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина высокого давления (ТВД); 4 – турбина низкого давления (ТНД); 5 – конденсатор; 6 – питательный насос; 7 – промежуточный пароперегреватель; 8 – потребитель

В паросиловой установке с промежуточным перегревом пара, после расширения в турбине высокого давления (3) пар отводится в специальный пароперегреватель (7), где он вторично подогревается при давлении ррп до температуры , которая обычно несколько ниже, чем температура t1. Перегретый пар поступает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р2 и уходит в конденсатор (5) (рис. 39).

Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значительно меньше, чем она была бы без него (x1>x2) (рис. 39). Применение промежуточного перегрева в реальных условиях дает повышение КПД приблизительно на 4 %. Этот выигрыш получается не только за счет повышения относительного КПД турбины низкого давления, но и за счет повышения суммарной работы расширения пара по турбине низкого и высокого давлений. Дело в том, что сумма отрезков и , характеризующих работу соответственно турбин высокого и низкого давлений, больше отрезка 1e, характеризующего работу расширения в турбине установки, в которой не применяется промежуточного перегрева пара (рис. 39б).

Рис. 39. Процесс расширения пара в установке с промежуточным перегревом

источник

Цикл Ренкина на сухом насыщенном и перегретом паре

Перечисленные выше недостатки частично могут быть устранены, если отвод теплоты от влажного пара в конденсаторе производить до тех пор, пока весь пар не превратится в конденсат (x=0). В этом случае сжатию перед подачей в котел будет подвергаться не пар большого удельного объема, а конденсат и вместо громоздкого компрессора можно использовать компактный водяной насос. Такой цикл впервые был предложен шотландским физиком Ренкиным.

В цикле Ренкина, который представлен на рис.4.3, процесс конденсирования 2-3 заканчивается переходом всего влажного пара в жидкое состояние в точке 3 (х=0), что вместо компрессора позволяет использовать водяной насос.

Рис. 4.3. Цикл Ренкина (в турбину подается сухой насыщенный пар)

В цикле Ренкина для условий вышеприведенного примера отношение объемов (рис. 4.3) против 0,55 в цикле Карно; соответственно уменьшаются и размеры водяного насоса по сравнению с компрессором; затраты работы на привод насоса чуть больше 1 % от работы парового двигателя против 36 % в цикле Карно. Однако термический КПД цикла Ренкина не выше, чем цикл Карно, т.е. Δqab=Δh. Это означает, что при изобарном парообразовании подводимая теплота полностью расходуется на приращение энтальпии. Последнее заключение позволяет определить величину подводимой теплоты следующим образом

. (4.1)

Аналогично определяется величина отводимой от отработанного пара теплоты

Анализ процессов, происходящих в турбине и в конденсатном насосе, целесообразно производить на основе I закона термодинамики для потока

. (4.3)

Ввиду незначительности скорости потока пара (w≈0) и пренебрежимо малого влияния гравитации (g∙dz≈0) и при допущении, что эти процессы адиабатны (δq=0), из последнего уравнения получаем

Из выражения (4.4) следует, что техническая работа lтур, совершаемая паром, в указанных выше условиях сопровождается снижением значения энтальпии рабочего тела. Основываясь на этом выводе можно заключить, что работа, переданная паром турбине, которая еще называется располагаемым теплоперепадом, равна

Читайте также:  Установка регулируемых приточных клапанов

(это есть работа, совершаемая 1 кг пара при прохождении через турбину), а небольшая доля этой работы затрачивается на привод питательного насоса, которую можно выразить в виде

В соответствии с первым законом термодинамики, представленным в виде δq=dh-vdp, при δq=0 (учитывая, что этап 3-4 адиабатный) следует, что dh=v∙dp, далее интегрируя последнее выражение, получаем

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9451 — | 7495 — или читать все.

источник

Паросиловые установки. Цикл Ренкина

Для производства электроэнергии большое распространение получили паровые машины, использующие в качестве рабочего тела водяной пар. Простейшая схема установки представлена на рис. 13. Установка работает по следующему принципу. В паровом котле 1 за счет подвода теплоты образуется водяной пар при постоянном давлении р1. В пароперегревателе 2 он дополнительно получает теплоту, нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровую турбину 3 с электрогенератором 4, где полностью или частично расширяется до давления р2 с получением полезной работы l. Отработанный пар направляется в охладитель 5, где он полностью конденсируется при постоянном давлении р2. После охладителя конденсат поступает на вход насоса 6, в котором давление жидкости повышается до первоначального значения р1, после чего жидкость отводиться в паровой котел и цикл повторяется.

Рис. 13. Простейшая схема паросиловой установки

Цикл рассмотренной паросиловой установки в координатах и представлен на рис. 14, где 4–5–6–1 –– изобарный подвод теплоты в котле и пароперегревателе, 1–2 –– адиабатное расширение пара в турбине, 2–3 –– изобарный отвод теплоты в охладителе при конденсации пара; 3–4 –– повышение давления жидкости в насосе.

Рис. 14. Цикл Ренкина в и координатах

Первое основное преимущество цикла состоит в том, что изохорное повышение давления рабочего тела происходит не в парообразном, а в жидком состоянии. Это дает минимальную затрату на работы насоса, так как техническая работа насоса прямопропорциональна удельному объему рабочего тела, а удельный объем водяного пара при одном и том же давлении примерно в 1000 раз больше, чем у воды.

Второе основное преимущество –– это изотермический отвод теплоты при конденсации пара и изотермический подвод теплоты в процессе парообразования (5–6). Это позволяет иметь температуру Т2 почти равную температуре окружающей среды и тем самым увеличивать к. п. д. установки.

Так как теплота в цикле подводится при постоянном давлении, то количество подведенной теплоты будет равно разности конечной и начальной энтальпии:

.

Отвод теплоты также осуществляется изобарно. Тогда количество теплоты отведенной в цикле можно определить

.

Количество теплоты, которое превратилось в работу,

.

К.п.д. цикла Ренкина составит: . (9)

Наряду с термическим к. п. д., для паросиловых установок определяют и другие величины, характеризующие эффективность работы установки –– это удельные расходы пара и тепла.

Удельный расход пара находят по формуле:

, кг/(кВт-ч).

Так как на 1 кг пара в цикле Ренкина расходуется теплота q1, то удельный расход теплоты можно найти по выражению:

, или

, кДж/(кВт-ч).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9931 — | 7720 — или читать все.

источник