Термодинамика. Терм. Техническая термодинамика

• Название: Техническая термодинамика
• Анкор: Термодинамика
• Дата: 07.05.2023
• Размер: 1.67 Mb.
• Имя файла: Терм.pdf
• Тип: Учебное пособие; #1114009
• страница: 19 из 21

9.3.5.
Анализ цикла Ренкина с учетом необратимых потерь
На практике цикл Ренкина не может быть обратимым, так как на различных его стадиях происходят необратимые потери, которые связаны с трением пара в проточной части турбины, гидродинамическими явлениями, трением в механических частях установки, теплом, уходящим из источника тепла с газообразными продуктами сгорания.
Рис. 9.18. Источники основных тепловых потерь в цикле Ренкина в процентах
Если принять тепло, образующееся при сгорании топлива, за 10 %, то из диаграммы, отражающей основные тепловые потери (рис. 9.18), видно, что теплосиловая установка, работающая по циклу Ренкина, преобразует в работу, отдаваемую внешнему потребителю, ≈ 3 % тепла, выделяющегося при сгорании топлива.
Однако эта диаграмма не позволяет оценить то, насколько необратима каждая составная часть цикла. Такой анализ может быть сделан, если определены потери работоспособности отдельных узлов установки.
Под РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ понимают работу, производимую системой в обратимом процессе.
Величина работоспособности, отнесенная к единице массы рабочего тела, получила название ЭКСЕРГИИ. Данный термин был принят в 1956 г., а вошел в употребление лишь в последнее время.
Если эксергию тепла, выделившегося при сгорании топлива, принять за
10 % и учесть ту долю эксергии, которая уходит в виде потерь работоспособности, то для теплосилового парового процесса примерная диаграмма потоков эксергии представлена на рис. 9.19.
9
– потери в источнике тепла
1
– потери в паропроводе
1
– механические потери в турбине
1
– потери в генераторе
33
– превращено в электроэнергию
55
–
т еп ло
, от да нн ое в
ко нд ен са то ре
100
– тепло, выделяющееся при сгорании топлива

189
Рис. 9.19. Диаграмма потоков эксергии в процентах
Из диаграммы следует, что наибольшие потери работоспособности имеют место в источнике тепла, где необратимость наиболее велика вследствие переноса тепла от горячего тела к холодному. Величина этих потерь возрастает с увеличением разности температур между топочными газами и рабочим телом.
Для уменьшения потерь работоспособности необходимо уменьшить степень необратимости процесса теплообмена в источнике тепла. Это может быть достигнуто уменьшением разности температур источника тепла и рабочего тела. В свою очередь уменьшения этой разности можно добиться двумя путями: уменьшить температуру сгорания топлива или увеличить температуру рабочего тела в процессе подвода тепла. Первый из этих путей не дает желаемого результата, так как в этом случае снижается работоспособность рассматриваемой системы в целом. Повышение температуры подвода рабочего тела выгодно с термодинамической точки зрения. Однако для этого необходимо подогревать рабочее тело после конденсатора.
Снижение потерь работоспособности в турбогенераторе может быть достигнуто путем совершенствования проточной части турбины с уменьшением механических потерь.
Уменьшение потерь работоспособности в конденсаторе связано с уменьшением разности температур конденсирующегося пара и охлаждающей воды, что всегда может быть обеспечено условиями водоснабжения.
Снижение потерь в паропроводе связано с улучшением теплоизоляции и его гидродинамических характеристик.
50
– потери в источнике тепла
0.7
– потери в паропроводе
4
– потери в конденсаторе
0.05
– потери в насосе
≈37
– полезная работа
8
– потери в турбине и генераторе
П
ит ат ел ьн ая вода
0
.08 100
– эксергия тепла, выделившегося при сгорании топлива

190
Потери в насосе малы, и их обычно не учитывают.
Таким образом, рассматриваемые потери тепла и эксергии говорят о том, что КПД тепловых станций составляет 35–4 %, это та энергия, запасенная в топливе, которая может быть использована для превращения в полезную работу.
9.4.
Т
ЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ ЦИКЛЫ
Из анализа диаграммы основных тепловых потерь при выработке электроэнергии на тепловых электростанциях (рис. 9.18) следует, что большое количество тепла передается холодному источнику (охлаждающей конденсатор воде). Потери этого количества тепла можно уменьшить путем увеличения термического КПД цикла, однако полностью устранить нельзя, так как в соответствии со вторым законом термодинамики передача определенного количества тепла холодному телу является неизбежной. Поскольку устранить передачу тепла холодному источнику в принципе невозможно, то встает вопрос о возможности использования этого тепла для других нужд, например, отопления зданий, использования горячей воды и пара для проведения других технологических процессов.
В обычных конденсаторных паротурбинных установках конденсация пара происходит при температурах, меньших 30 ºC. Тепло, отданное охлаждающей воде, в этом случае не может быть использовано для других нужд, так как имеет низкий температурный потенциал.
Для того чтобы иметь возможность использовать это тепло, необходимо повысить давление в конденсаторе, т.е. увеличить температуру, при которой конденсируется пар.
Повышение нижней температуры цикла, очевидно, приведет к уменьшению термического КПД и, следовательно, к уменьшению выработки электроэнергии. Поэтому с точки зрения экономичности собственного цикла такая операция невыгодна. Однако возможность получения тепла для технологических нужд за счет сокращения выработки электроэнергии оказывается экономичной.

191
Комбинированная выработка электроэнергии и тепла называется
ТЕПЛОФИКАЦИЕЙ, а турбины на таких электростанциях называются
ТЕПЛОФИКАЦИОННЫМИ ТУРБИНАМИ.
Электростанции, осуществляющие комбинированную выработку электроэнергии и тепла, называются ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛЯМИ (ТЭЦ).
Цикл теплофикационной установки приведен на рис. 9.20 в T–S координатах, где 1–2–3–4–5–6–1 – работа цикла, а А–3–2–B – тепло, отданное потребителю.
Рис. 9.20. Цикл теплофикационной установки в T–S координатах
Поскольку для производственных и бытовых нужд требуется вода и пар в относительно широком диапазоне температур и давлений, то применяются турбины различных типов.
Рис. 9.21. Турбины с ухудшенным вакуумом
1.
Турбина с ухудшенным вакуумом. Ее схема приведена на рис. 9.21.
Давление в конденсаторе данной турбины поддерживается таким, чтобы температура насыщения пара была достаточной для нужного нагрева охлаждающей воды в конденсаторе, которая затем идет к потребителю.
T
K
1 5
4 3
2
A
S
6
B
К потребителю

192 2.
Турбина с противодавлением представлена на рис. 9.22.
В таких установках конденсатор отсутствует, а отработанный пар из турбины направляется по паропроводу на производство. Конденсат с производства возвращается. Давление пара на выходе из турбины определяется потребностями производства.
Рис. 9.22. Турбина с противодавлением
3.
Турбина с отбором пара изображена на рис. 9.23.
Рис. 9.23. Турбина с отбором пара
В этих турбинах часть пара достаточно высоких параметров отбирается из промежуточных ступеней турбины. Отобранный пар может быть направлен на производство либо в теплообменник, в котором этот пар нагревает воду, используемую для отопления (так называемый теплофикационный отбор).
Конденсат с производства или из теплообменника возвращается в питательный бак.
Для характеристики экономичности работы ТЭЦ применяется так называемый коэффициент использования тепла K, определяемый как отношение суммы полезной работы l
э
, произведенной в цикле (выработанная
Питательный бак
Пар на производство
Возврат конденсата
Пар на производство или в теплообменник
Возврат конденсата
Питательный бак

193 электроэнергия), и тепла q
2
, отданного внешнему потребителю, к теплу q
1
, выделившемуся при сгорании топлива: э
2 1
l
q
K
q
+
=
(9.30)
Величина K тем ближе к единице, чем совершеннее установка, чем меньше потери тепла в котлоагрегате и паропроводах, механические и электрические потери.
9.5.
Ц
ИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
9.5.1.
Цикл Брайтона
В газотурбинных установках полезная работа совершается за счет кинетической энергии движущегося с большой скоростью газа. Рабочим телом в этих установках служат продукты сгорания, образующиеся при сжигании топлива в специальных камерах под давлением, а также некоторые газы. Поток, обладающий большой скоростью, создается в результате истечения газа из сопел турбины.
Топливо в газотурбинных установках может сгорать как при постоянном давлении, так и при постоянном объеме. В соответствии с этим газотурбинные установки подразделяют на два типа:
− с подводом тепла при const
p
=
;
− с подводом тепла при const
V
=
Рис. 9.24. Схема газотурбинной установки
На рис. 9.24 представлена газотурбинная установка, где 1 – турбина, 2 – компрессор, 3 – топливный насос, 4 – камера сгорания, 5 – выпускной патрубок, 6 – генератор.

Воздух
1 2
3 4
5 6
Топливо

194
В настоящее время газовые турбины применяются в авиации, в судовых установках и постепенно внедряются в энергетику.
Рассмотрим принципиальную схему газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении. Компрессор 2 засасывает воздух из окружающей среды, сжимает его до некоторого требуемого давления и направляет в камеру сгорания 4. Туда же топливным насосом 3 подается топливо. Сгорание топлива происходит при постоянном давлении. Продукты сгорания поступают на лопатки турбины 1, а затем выбрасываются в атмосферу через патрубок 5. Отметим, что насос, компрессор и генератор 6 находятся на общем валу.
Для построения идеализированного цикла такой установки в координатах
p–V обычно полагают:
− цикл является замкнутым, т.е. количество рабочего тела в цикле сохраняется постоянным;
− выход отработанных газов в атмосферу заменяется изобарным процессом отвода тепла к холодному источнику;
− тепло подводится к рабочему телу извне через стенки корпуса установки;
− рабочее тело не изменяет своего состава, является газообразным (воздух) и представляет собой идеальный газ.
Цикл, удовлетворяющий приведенным выше условиям, называют циклом
Брайтона, он представлен на рис. 9.25.
Рис. 9.25. Цикл Брайтона
На рис. 9.25 участок 1–2 соответствует сжатию воздуха в компрессоре, процесс 2–3 – подвод тепла к рабочему телу (соответствует сгоранию топлива в камере), 3–4 отражает адиабатное расширение рабочего тела, при котором совершается работа, 4–1 – изобарный процесс выхода рабочего тела из турбины.
p
2 2
3
p
4 1
V

195
Важно отметить, что процесс сжатия в компрессоре может быть изотермическим, адиабатным и политропическим. В зависимости от этого проанализируем величину термического КПД цикла газотурбинной установки.
9.5.2.
Цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном
давлении
Рассмотрим изотермический процесс сжатия рабочего тела в компрессоре.
Такой цикл в T–S координатах приведен на рис. 9.26, где участок 2–3 – подвод тепла, процесс 3–4 – адиабатное расширение газа в турбине, 4–1 – отвод тепла в изобарном процессе, 1–2 – отвод тепла в изотермическом процессе сжатия газа.
Рис. 9.26. Цикл газотурбинной установки с подводом тепла при const
p
=
9.5.3.
Цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном
давлении с адиабатным сжатием в компрессоре
Рассмотрим графически цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении с адиабатным сжатием в компрессоре.
Рис. 9.27. Цикл газотурбинной установки с подводом тепла при const
p
=
с адиабатным сжатием в компрессоре
q
1
T
S
4 3
2 1
q
2 2
3 4
1
T
S
p=const
p=const

196
На рис. 9.27 представлен цикл газотурбинной установки, где участок 2–3
– подвод тепла, 3–4 – расширение газа в турбине, 4–1изобарный процесс отвода тепла, 1–2 – адиабатное сжатие газа в компрессоре.
Рассмотрим эффективность циклов газотурбинной установки и сравним их.
9.5.4.
Сравнение эффективности циклов газотурбинной установки с
подводом тепла при постоянном давлении для случаев
изотермического и адиабатного сжатия
Проведем такое сравнение при равенстве значений: отношений давлений
2 1
p
p
подводимой теплоте q
1
, максимальных температур цикла, а также равенстве давлений на выходе из турбины. Для этого рассмотрим диаграмму обоих циклов в T–S координатах (рис. 9.28), где: 1–2–3–4–1 – цикл с адиабатным сжатием, 1'–2–3–4–1' – цикл с изотермическим сжатием.
1
2
3
4
1'
T
S
Рис. 9.28. Диаграмма изотермического и адиабатного сжатия в T–S координатах
Из T–S диаграммы видно, что работа в цикле с адиабатным сжатием больше, чем работа цикла с изотермическим сжатием, так как работа определяется площадью цикла.
При одном и том же подводимом количестве тепла это приводит к соотношению ад изот
T
T
η > η
(9.31)

197
9.5.5.
Цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном
давлении с регенерацией тепла
Термический КПД газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении может быть увеличен за счет применения регенерации тепла. В этом случае сжатый воздух поступает из компрессора не сразу в камеру сгорания, а предварительно проходит через воздушный регенератор – теплообменник, в котором он подогревается за счет тепла отработавших газов.
Соответственно газы, выходящие из турбины перед выходом их в атмосферу, проходят через теплообменник, где подогревают сжатый воздух.
Схема установки, реализующей данный цикл, представлена на рис. 9.29, где 1 – турбина, 2 – компрессор, 3 – тепловой насос, 4 – камера сгорания,
5 – теплообменник-регенератор, 6 – генератор.

1
2
3
4
5
6
Рис. 9.29. Схема установки с регенерацией тепла
Изобразим цикл газотурбинной установки c подводом тепла при постоянном давлении с регенерацией тепла на p–V диаграмме (рис. 9.30).
2
1
3 4
5
6
q
p
q
p
p
V
Рис. 9.30. Цикл газотурбинной установки с регенерацией тепла
На приведенной выше диаграмме процесс 1–2 – сжатие воздуха в компрессоре, 2–3 – изобарный подогрев воздуха в регенераторе, участок 3–4 – подвод тепла к телу в камере сгорания, процесс 4–5 – адиабатное расширение

198 газа в турбине, 5–6 – изобарное охлаждение выходящего газа в регенераторе, участок 6–1 отражает изобарный процесс выхода газа из регенератора в атмосферу, q
p
– тепло, полученное в результате генерации.
9.5.6.
Газотурбинная установка, работающая по замкнутому циклу
Как отмечалось ранее, рассмотренные циклы газотурбинной установки являются незамкнутыми, так как отработавшие газы выбрасываются в атмосферу, поэтому их рассмотрение в p–V или T–S координатах в виде замкнутых линий является условным.
Можно осуществить действительно замкнутый цикл при помощи установки, изображенной на рис. 9.31, где 1 – турбина, 2 – охладитель,
3 – генератор, 4 – компрессор, 5 – камера подвода тепла к рабочему телу.

1
2
3
4
5
Рис. 9.31. Схема газотурбинной установки, работающей по замкнутому циклу
В такой установке рабочим телом может быть любой газ. В компрессоре рабочее тело сжимается до нужного давления и поступает в камеру, где производится подвод тепла извне. Подвод тепла может осуществляться с помощью сгорания топлива либо с помощью ядерных реакций. Подогрев тела происходит при постоянном давлении. Далее нагретое тело поступает в турбину, где, расширяясь, производит работу. После этого отработавшие газы охлаждаются при постоянном давлении в охладителе до низшей температуры цикла.
Из охладителя рабочее тело снова направляется в компрессор. Таким образом, одна и та же порция газа непрерывно участвует в производстве

199 работы, а цикл получается замкнутым. В таком цикле можно осуществить и регенерацию тепла.
Цикл такой установки с термодинамической точки зрения подобен рассмотренным ранее циклам газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении, поэтому для такого цикла справедливы все рассмотренные выше положения.
Рассмотрим преимущества и недостатки замкнутого цикла перед незамкнутым. Поскольку в установке, работающей по замкнутому циклу, участвует неизменное количество вещества, то это могут быть не только воздух и продукты сгорания топлива, но и любой газ. Термический КПД в циклах с подводом тепла при const
p
=
зависит и от показателя адиабаты рабочего тела.
Анализ показывает, что с увеличением показателя адиабаты
γ
, увеличивается
КПД цикла. Поэтому замкнутый цикл имеет преимущества, позволяя применять рабочее тело, имеющее максимальное значение показателя адиабаты. Поскольку наибольший показатель адиабаты имеют одноатомные газы, то таким рабочим телом может являться гелий. Кроме того, в замкнутом цикле низшее давление может быть выбрано больше атмосферного, что ведет к значительному уменьшению объема газа, пропускаемого через установку.
Также при этом уменьшаются габариты установки и снижаются поверхности нагрева теплообменников.
Все это приводит к определенным преимуществам замкнутого цикла перед незамкнутым. Недостатком является то, что рабочее тело нагревается извне. При этом, как мы видели ранее на примере паротурбинной установки, необратимые потери в камере подвода тепла наиболее велики, что снижает термический КПД цикла.