Методические указания к практическим работам по дисциплине "Общая энергетика". Составитель Д. П. Андрианов Владимир 2014
 Скачать 3.48 Mb.
|
|
Контрольные вопросы 1. Каково воздействие на окружающую среду со стороны АЭС? 2. Чем обусловлено применение многоконтурных схем АЭС? 3. Каким образом отводится выделяемое при ядерной реакции тепло из реактора на АЭС? 4. Для чего используются сепараторы в проточных частях энергоустановок? 5. Какие материалы используют в качестве замедлителя ядерной реакции в реакторе АЭС? 6. Какие по величине электрические мощности вырабатывают реакторы современных АЭС? 7. Для каких целей создаются защитные зоны вокруг территорий АЭС? 8. Изобразить трехконтурную схему АЭС. 9. Что такое твэл? Практическое занятие № 5 5. Анализ паросилового цикла Ренкина. Цель работы: Изучить методику расчета параметров идеального термодинамического цикла паросиловых установок. План проведения занятия: 1. Рассмотрение теоретических сведений. 2. Решение примеров. 3. Ответы на контрольные вопросы. Краткие теоретические сведения Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом паросиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике. В качестве рабочего тела используется водяной пар. Паросиловые установки обычно состоят из паровых котлов 33 33 (парогенераторов) и паровых двигателей (паровых машин или паровых турбин) для пароходов, паровозов, паровых автомобилей или электрических генераторов (тепловых и атомных электростанций). Известно, что большая часть мировых энергетических ресурсов направляется на выработку электроэнергии и работу транспорта, где бесчисленное количество тепловых преобразователей энергии, превращают их в полезную работу. Эффективность преобразователей энергии, к которым относятся двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные, паротурбинные и другие энергетические установки, способна снизить не только экономические, но и экологические проблемы, что заставляет постоянно совершенствовать их конструкцию. Цикл Ренкина - теоретический термодинамический цикл паровой машины, состоящий из четырех основный операций: • 1- испарения жидкости при высоком давлении; • 2- расширения пара; • 3- конденсации пара; • 4- увеличения давления жидкости до начального значения. На рис. 5. 1 представлена технологическая схема паросиловой установки для производства электроэнергии. Пар большого давления и температуры подается в сопловые аппараты турбины, где происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую энергию потока пара (скорость потока – сверхзвуковая). Кинетическая энергия сверхзвукового потока превращается на лопатках турбины в кинетическую энергию вращения колеса турбины и в работу производства электроэнергии. После турбины пар направляется в конденсатор. Это обычный теплообменник, внутри труб проходит охлаждающая вода, снаружи – водяной пар, который конденсируется, вода становится жидкой и поступает в питательный насос, где происходит увеличение давления до номинальной (проектной) величины. Далее вода с высоким давлением направляется в котельный агрегат. В этом агрегате вода сначала нагревается до температуры кипения от дымовых газов из топки котла, затем поступает в кипятильные трубы, где происходит фазовое превращение вплоть до состояния сухого насыщенного пара. Сухой насыщенный пар идет в пароперегреватель, обогреваемый топочными дымовыми газами из топки. Цикл оборота рабочего тела повторяется. Этот цикл паросиловой установки предложил немецкий инженер Ренкин. Рис. 5.1 Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина. Влажный насыщенный пар с параметрами P1, ts1, Xk (точка 5 рис. 5.2), полученный в паровом котле ПК поступает в пароперегреватель ПП, где при постоянном давлении сначала подсушивается от Xk до Х=1 (процесс 5-а”), а затем перегревается от ts1 до t1 34 34 (процесс a”-1). Перегретый пар после пароперегревателя ПП подается в турбину T и адиабатно расширяется в ней от состояния 1 до состояния 2. Влажный пар низкого давления P2 (точка 2) после турбины направляется в конденсатор K, где от него при постоянных давлении P2 и температуре ts2 с помощью охлаждающей воды отводится теплота q2 (процесс 2-3). Рис. 5.2 PV и TS-диаграммы цикла Ренкина. Процесс конденсации в цикле Ренкина доводится до конца, т.е. до получения насыщенной жидкости при постоянном давлении P2 (точка 3). Жидкость поступает в насос Н, где адиабатно сжимается до высокого давления P1 (процесс 3-4) и подается в паровой котел ПК, где вначале вода нагревается до температуры насыщения ts1 (процесс 4-а’), а затем идет процесс парообразования (процесс а’-5). Теоретическая работа сжатия Lц воды в насосе Н (a’43a’) очень мала (вода практически несжимаема, вся затрачиваемая работа в насосе идет на проталкивание воды, удельный объем воды невелик, поэтому работа проталкивания (P1-P2)V мала). Процесс 3-4 в насосе вырождается в точку, если пренебречь ничтожно малым повышением температуры при адиабатном сжатии воды от P2 до P1, т.е. точка 4 (ненасыщенная жидкость давления P1) совпадает с точкой 3 (насыщенная жидкость давления P2). После насоса ненасыщенная жидкость (точка 4) нагревается до температуры насыщения ts1 (точка a’), соответствующей давлению в котле P1. Теплота q1 подводится в паровой котле ПК (процесс 4-5) и пароперегревателе ПП (процесс 5-1) – площадь c4a’a”1fc, которая включает в себя теплоту подогрева воды в котле (с4a’dc) – процесс 4-a’, теплоту парообразования в котле (da’5cd) – процесс a’-5, подсушку пара в пароперегревателе (c5a”rc) – процесс 5-a”, перегрев пара в пароперегревателе (ka”1fk) – процесс a”-1. Полезная работа цикла представляет собой разность работ турбины и насоса Lц = Lт – Lн = q1 – q2 и выражается площадью 12341 на диаграмме PV и площадью 1234a’a”1 на диаграмме TS. В hs-диаграмме (рис. 5.3) процессы подвода и отвода теплоты определяются как разность энтальпий: Q1 = h1 – h4, Q2 = h2 – h3, Lц = h1 – h4 - h2 + h3 = h1 – h2, т.к. h3 = h4. Разность энтальпий (h1 – h2) определяет удельную работу пара в турбине и называется располагаемым теплопопаданием. 35 35 Рис. 5.3 h-s диаграмма цикла Ренкина Термический к.п.д. цикла Ренкина с перегретым паром Решение примеров. Дано: Давление пара в котле и пароперегревателе P1, температура перегретого пара t1, давление пара в конденсаторе P2 и степень сухости пара на выходе из котла Xk (Табл.5.2). Необходимо рассчитать цикл Ренкина паросиловой установки. Построение цикла Ренкина начинается с построения пограничной кривой жидкости. Из справочника по теплофизическим свойствам воды и водяного пара необходимо выписать 10-15 промежуточных давлений в интервале P1-P2 и соответствующих им параметров в таблицу 5.1. Табл.5.1 P ts Ts h’ S’ h’’ S’’ r P1 P2 Pкр К параметрам насыщенной воды относятся обозначения с одним штрихом, к параметрам сухого насыщенного пара – с двумя штрихами. Используя сплайновую интерполяцию (математический пакет MathCad) необходимо построить пограничную кривую жидкости ОК (параметры h’, S’) и пограничную кривую пара КМ (параметры h”, S”). Необходимо обозначить точки 3 (характеризует состояние насыщенной жидкости при давлении P2), a’ (характеризует состояние насыщенной жидкости при давлении P1). На пограничной кривой пара точки a’’ и М соответствуют состоянию сухого насыщенного пара при давлении P1 и P2. В области влажного пара изобары (изотермы) представляют собой прямые линии. Соединив прямой линией точки a’ и a”, получим изобару P1, соединив точки 3 и М – изобару P2 в области влажного пара. Точка 1 (перегретый пар на выходе из пароперегревателя или на входе в турбину) находится на пересечении изобары P1 и изотермы t1. Изобара P1 после точки a” не является прямой, так как соответствует условиям перегретого пара. 36 36 Изобара P1 состоит из участков: 4 - a’ область ненасыщенной жидкости, a’ - a” – область влажного пара, a” – 1 – область перегретого пара. В паровой турбине происходит процесс адиабатного расширения пара от P1 до P2 при постоянной энтропии, чему соответствует вертикальная линия из точки1 до пересечения ее с изобарой P2. Точка 2 характеризует состояние пара на входе в конденсатор. Процесс конденсации пара происходит при постоянном давлении P2 (и постоянной температуре) изображается отрезком прямой 2-3. Адиабатный процесс сжатия воды от p2 до P1 в насосе изображается отрезком 3-4, однако этот процесс вырождается в точку (совпадение точек 3 и 4). Процесс в паровом котле 4-5 – на изобаре P1 необходимо найти точку 5, соответствующую сухому пару на выходе из котла. h5 = h’ +rXk, S5 = S”Xk + S’(1-Xk), Величины h’, r, S’, S” берутся из справочника по теплофизическим свойствам воды и водяного пара для давления P1. Оставшийся отрезок изобары P1 (5-1) соответствует процессу в пароперегревателе и состоит из двух участков: 5 - a” – подсушка пара а” 1 – перегрев пара. В результате получается круговой процесс 1234a’5a”1, соответствующий циклу Ренкина. Количество отведенной теплоты q2 = h2 – h3 Степень сухости пара в точке 2 x2 = (S2 – S’) / (S” – S’), причем S2 = S1 Энтальпия пара в точке 2 h2 = h’ + r x2 Значения S’, S”, h’, r берутся из таблицы для P2. Расчет цикла Ренкина сводится к определению: • Количества теплоты, подведенной в цикле, • Количества теплоты, подведенной только в котле, • Количества теплоты, подведенной только в параперегревателе, • Количества теплоты, отведенной в цикле, • Термического к.п.д. цикла Ренкина, • Удельного расхода пара, • Полезной работы цикла, • Адиабатного тепловыпадения. Табл. 5.2 № P1, МПа P2, кПа T1, о С Xk 1 1,0 20 380 0,90 2 1,2 18 390 0,91 3 1,4 16 400 0,92 4 1,5 14 410 0,93 5 1,6 12 420 0,94 6 1,8 10 430 0,95 7 2,0 8 440 0,96 8 2,2 6 450 0,97 9 2,4 20 380 0,98 10 2,5 18 390 0,97 11 2,6 16 400 0,96 37 37 Контрольные вопросы 1. Какие агрегатные состояния воды используются в установках, работающих по циклу Ренкина? 2. Какие термодинамические процессы последовательно происходят в установках, работающих по циклу Ренкина? 3. Что из себя представляют пограничные кривые воды и пара? 4. Каковы особенности адиабатного расширения пара в паровой турбине? 5. Каковы особенности адиабатного сжатия воды в насосе? 6. Из каких условий определяется термический к.п.д. цикла Ренкина? 7. Что из себя представляет cтепень сухости пара? 8. Для каких целей служит конденсатор в установках, работающих по циклу Ренкина? 9. При каких условиях происходит процесс конденсации пара в конденсаторе? 10. В каком устройстве вода доводится до состояния сухого насыщенного пара? Практическое занятие № 6 6. Термодинамические процессы в двигателях внутреннего сгорания Цель работы: Изучение термодинамических процессов в ДВС. План проведения занятия: 1. Рассмотрение теоретических сведений 2. Решение примеров. 3. Ответы на контрольные вопросы Краткие теоретические сведения Тепловой двигатель – превращает теплоту в работу. Необходимая для перевода в работу теплота получается при сгорании жидких, твердых или газообразных топлив. В зависимости от места сгорания топлива различают: • двигатели внешнего сгорания (паровые машины и турбины) – сгорание вне тепловой машины • двигатели внутреннего сгорания - процесс сгорания осуществляется в рабочем пространстве машины. Карно указал на возможность создания ДВС (1824 г.). Ленуар (1860 г.) построил первый ДВС, работающий на светильном газе, но без предварительного сжатия рабочего тела (низкий КПД). Отто построил бензиновый двигатель (1877 г.). Дизель разработал двигатель, работающий на керосине, который распылялся в цилиндре 12 2,8 14 410 0,95 13 3,0 12 420 0,94 14 1,0 10 430 0,93 15 1,2 8 440 0,92 16 1,4 6 450 0,91 17 1,5 20 380 0,90 18 1,6 18 390 0,91 19 1,8 16 400 0,92 20 2,0 14 410 0,93 38 38 воздухом высокого давления от компрессора (1897 г.). Тринклер построил безкомпрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива (1904 г.). Этот двигатель получил самое широкое распространение во всем мире. Реальные и идеальные циклы. Рабочим телом в ДВС являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце – смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива. Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень. Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, остальная часть отдается окружающей среде. Основные элементы поршневого ДВС - цилиндр 1 с поршнем 2, возвратно- поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала 8 с помощью кривошипно-шатунного механизма 6, 7 (рис. 6.1). В верхней части цилиндра размещены впускной 4 и выпускной 5 клапаны, приводимые в движение от главного вала двигателя, а также свеча зажигания 3 топливной смеси (или форсунка для распыления топлива). Помимо этого у ДВС имеются механизм газораспределения, системы питания топливом, зажигания, смазки, охлаждения и регулирования (на рисунке не показаны). Рис. 6.1. Схема поршневого ДВС Мертвые точки - два крайних положения в возвратно-поступательном движении поршня: верхнее и нижнее, в которых поршень меняет направление движения на обратное. Ход поршня S - расстояние между мертвыми точками Такт - перемещение поршня из ВМТ в НМТ или наоборот. Рабочий объем цилиндра - внутренний объем цилиндра в пределах хода поршня. Камера сгорания - часть объема цилиндра, заключенная между крышкой и торцом поршня, находящегося в ВМТ. Рабочая смесь - смесь распыленного в воздухе топлива, предназначенного для сжигания. Процесс приготовления рабочей смеси – смесеобразование. По способу приготовления горючей смеси ДВС подразделяются на две группы: • внешнее смесеобразование - карбюраторные и газовые двигатели. Рабочая смесь приготавливается в специальном устройстве – карбюраторе (при работе на бензине или керосине) или смесителе (при работе на газовом топливе). В этом случае в камеру сгорания подается уже готовая рабочая смесь, которая воспламеняется принудительно от электрической искры (свечи зажигания). • внутреннее смесеобразование - приготовление рабочей смеси происходит внутри рабочего цилиндра, куда воздух и топливо подаются раздельно. Сначала поршень сжимает чистый воздух до давления 3-4 МПа, вследствие чего его температура в конце сжатия достигает 600-650 °С, затем в камеру сгорания через форсунку впрыскивается жидкое топливо (дизельное или моторное), которое воспламеняется при смешении с раскаленным воздухом. По способу осуществления цикла ДВС могут быть двух- и четырехтактными. В четырехтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня (такта), т.е. за два оборота вала, а в двухтактном двигателе – за два хода (такта) поршня, т.е. 39 39 один оборот коленчатого вала. Индикаторная диаграмма - диаграмма, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня (объема) за весь цикл. Рис. 6.2. Действительная индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя. 0-1 – заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или рабочей смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из- за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода, 1-2 – сжатие воздуха или рабочей смеси, 2-3'-3 – период горения рабочей смеси, 3-4 – рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическая работа, 4-5 – выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходит практически при постоянном объеме, 5-0 – освобождение цилиндра от продуктов сгорания. В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов (трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен и др.) Термодинамический анализ такого цикла невозможен. Теоретические циклы - обратимые термодинамические процессы, допускающие применение для их анализа термодинамических методов Допущения, используемые для теоретических циклов: 1) циклы замкнуты (в действительности продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело). 2) Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью. 3) Подвод теплоты осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива (аналогично отвод теплоты). 4) Механические потери (трение, потери теплоты) отсутствуют. 5) Процессы 0-1 и 5-0 исключают из рассмотрения, т.к. работа в них практически одинаковая, только имеет разный знак. Анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: анализируется - эффективность теоретического (обратимого) цикла, - реальный (необратимый) цикл с учетом основных источников необратимости. Для ДВС рассматривают следующие основные циклы: а) цикл Отто - подвод теплоты при постоянном объеме (v = const); б) цикл Дизеля - подвод теплоты при постоянном давлении (р = const); в) цикл Тринклера - смешанный подвод теплоты при v =const и р=const. Цикл со смешанным подводом теплоты – цикл Тринклера – характерен для бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива. Особенности: механическое распыление 40 40 горючего (с помощью плунжерного насоса), внутреннее смесеобразование, самовоспламенение от сжатого до высокой температуры воздуха. Это теоретический цикл всех современных транспортных и стационарных дизелей. Рис. 6.3. Цикл Тринклера. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы. 1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 – изохорный подвод теплоты, 3-4 – изобарный подвод теплоты, 4-5 – адиабатное расширение, 5-1 – изохорный отвод теплоты. Характеристики цикла степень сжатия отношение объемов в начале и конце процесса сжатия 1-2 степень повышения давления отношение давлений в процессе изохорного подвода теплоты степень предварительного расширения отношение объемов в процессе изобарного подвода теплоты При анализе считают известными: состояние рабочего тела в т.1 (Т 1 , p 1 ) и характеристики цикла ε, λ, ρ. Вместо одной из характеристик может быть задана максимальная температура или максимальное давление. Расчет цикла заключается в определении: • параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла (p, T, v), • энергетических характеристик цикла: подводимой удельной теплоты q 1 , отводимой удельной теплоты q 2 , цикловой работы l ц и термического КПД цикла процесс 1-2 точка 2 адиабатное сжатие pv k = const, или p 1 v 1 k = p 2 v 2 k Tv k-1 = const, или T 1 v 1 k-1 = T 2 v 2 k-1 процесс 2-3 точка 3 изохорный процесс подвод теплоты процесс 3-4 точка 4 изобарное расширение подвод теплоты р 4 =р 3 |