Основи термодинаміки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Розрахунок теоретичних циклів паросилових установок

1.1 Розрахунок основного циклу ПСУ

Перетворення енергії органічного або ядерного палива в механічну за допомогою водяної пари здійснюється в паросилових установках, які є базою сучасної енергетики. Принципова схема ПСУ представлена на рис 3.1.

рис. 3.1. Принципова схема ПСУ.

1- парогенератор;

2- пароперегрівник;

3- електрогенератор;

4- парова турбіна;

5- конденсатор;

6- конденсаційний насос;

7- поповнення живильної води;

8- збірник конденсату;

9- живильний насос.

Cхеми графіків основного циклу ПСУ показано:

- в координатах p-v на рис. 3.2;

- в координатах T-s на рис. 3.3;

- в координатах h-s на рис. 3.4.

рис. 3.2. Графічне зображення основного циклу ПСУ в p-v координатах.

рис. 3.3. Графічне зображення основного циклу ПСУ в T-s координатах.

рис. 3.4. Графічне зображення процесу розширення пари в h-s координатах.

З допомогою графіка в p-v координатах ілюструємо роботи:

- роботу пари в турбіні, ;

- роботу, затрачену в насосах, ;

- корисну роботу циклу, .

Відповідними площами в координатах T-s показується:

- кількість підведеного тепла в циклі, ;

- кількість відведеного тепла в циклі, ;

- кількість використаного тепла, .

Процеси циклу:

1-2 - адіабатне розширення пари в турбіні;

2-3 - процес конденсації пари в конденсаторі;

3-4 - підвищення тиску живильної води в насосах;

4-1 - ізобарний процес пароутворення в парогенераторі при , складається зі стадій:

а) нагрів води до кипіння;

б) дійсне пароутворення;

в) перегрів пари в пароперегрівнику.

Робота виконана парою в турбіні, зображується площею , робота, яка затрачається в насосах для підвищення тиску живильної води, показується площею , а різниця цих площ ілюструє корисну роботу циклу . У координатах T-s характерні точки циклу означено такими ж циклами, як і в координатах P-v. Кількість підведеного тепла

кількість відведеного тепла . Кількість корисного тепла

(3.1)

Термічний к.к.д. циклу:

, (3.2)

де та - початкове та кінцеве значення ентальпії пари в адіабатному процесі розширення її в турбіні, визначаємо з h-s діаграми, як показано на рис 3.4.

значення ентальпії конденсату при тиску , визначається використовуючи таблицю теплофізичних властивостей води і водяної пари (табл.II[1]).

.

1.2 Дослідження способів підвищення термічного к.к.д. циклу ПСУ

енергія пара турбіна термічний

1.2.1 Залежність термічного к.к.д. циклу ПСУ та степеня сухості пари на виході з турбіни від початкового тиску пари

Якщо при сталій температурі і незмінному тиску підвищити початковий тиск пари , то внаслідок відповідного підвищення температури насичення зростає також і середня температура підводу тепла, при незмінній температурі відводу тепла що призводить до збільшення термічного к.к.д циклу, а відповідно і до зменшення питомої витрати тепла. Підвищення початкового тиску пари при заданій температурі і незміному тиску викликує збільшення кінцевої вологості пари, що проходить через проточну частину турбіни. Це призводить до збільшення внутрішніх втрат і до зменшення внутрішнього відносного к.к.д. турбіни.

Для дослідження термічного к.к.д. основного циклу ПСУ та ступення сухості пари на виході з турбіни в залежності від початкового тиску пари складемо табл. 3.1. Значення початкової та кінцевої ентальпії будемо зчитувати з h-s діаграми так, як це показано на рис. 3.5.

рис. 3.5. Схема графіка до розрахунку залежностей і

На основі табл. 3.1. побудуємо графіки залежності термічного к.к.д. основного циклу ПСУ та степення сухості пари на виході з турбіни від початкового тиску пари (див. рис. 3.6).

Таблиця 3.1. Таблиця розрахунку залежності термічного к.к.д. та степення сухості пари

P1, бар	h1, кДж/кг	h2, кДж/кг	h2`, кДж/кг	X2	зk= (h1-h2)/(h1-h'2)
120	3505,7	2165,8	225,98	0,817	0,4085
140	3485,8	2136,4		0,805	0,4139
160	3465,4	2110,1		0,794	0,4184
180	3444,7	2086,1		0,783	0,4221
200	3423,6	2063,5		0,774	0,4253
220	3402,1	2042,7		0,765	0,4280
240	3380,2	2022,7		0,757	0,4304

1.2.2 Залежність термічного к.к.д. основного циклу ПСУ та степеня сухості пари на виході з турбіни від початкової температури

Підвищення початкової температури призводить до зростання середньої температури підводу тепла при незміній температурі відводу тепла і відповідно до збільшення термічного к.к.д. циклу та до зменшення кінцевої вологості пари, тому при великих початкових тисках перегрів пари є необхідністю. Підвищення температури пари обмежується можливістю металу витримувати тривалий час велике напруження при високих температурах.

Для дослідження залежності термічного к.к.д. основного циклу ПСУ та степеня сухості пари на виході з турбіни в залежності від початкової температури складемо табл. 3.2. Значення початкової та кінцевої ентальпії будемо зчитувати з h-s діаграми так, як це показано на рис.3.7.



рис. 3.7. Схема графіка до розрахунку залежності і

Таблиця 3.2. Таблиця розрахунку залежності термічного к.к.д. та степеня сухості пари

t 1,oC	h1, кДж/кг	h2, кДж/кг	h2`, кДж/кг	X2	зk= (h1-h2)/(h1-h'2)
500	3268,7	2014,2	225,98	0,753	0,4123
520	3329,3	2039,6		0,764	0,4156
540	3387,7	2063,3		0,774	0,4189
560	3444,7	2086,1		0,783	0,4221
580	3500,3	2107,7		0,793	0,4253
600	3554,8	2128,1		0,801	0,4286
620	3608,2	2148,0		0,810	0,4317

На основі табл. 3.2. будуємо графіки залежності термічного к.к.д. основного циклу ПСУ та степення сухості пари на виході з турбіни від початкового тиску пари (див. рис. 3.8.).

1.2.3 Залежність термічного к.к.д. осново циклу ПСУ та ступеня сухості пари на виході з турбіни від зміни тиску відпрацьованої пари

Зменшення кінцевого тиску при незмінному стані свіжої пари перед турбіною викликає зниження температури конденсації пари , а відповідно і температури відводу тепла при досить незначному зниженні середньої температури підводу тепла, внаслідок чого термічний к.к.д. ПСУ зростає, але зменшується степінь сухості відпрацьованої пари. Межею пониження тиску в циклі є умова, щоб температура насичення при кінцевому тискові не була нижчої температури навколишнього середовища, в іншому випадку передача тепла навколишньому середовищі буде неможлива.

Для дослідження залежності термічного к.к.д. основного циклу ПСУ та степеня сухості пари на виході з турбіни в залежності від кінцевого тиску пари складемо табл. 3.3.

Значення початкової та кінцевої ентальпії будемо зчитувати з h-s діаграми так, як це показано на рис 3.9.

На основі табл. 3.3 побудуємо графік залежності к.к.д. основного циклу ПСУ та ступеня сухості пари на виході з турбіни від зміни тиску відпрацьованої пари (див. рис. 3.10).

рис. 3.9. Схема графіка до розрахунку залежностей і

Таблиця 3.3. Таблиця розрахунку залежності термічного к.к.д. та степеня сухості пари.

P2, бар	h1, кДж/кг	h2, кДж/кг	h2`, кДж/кг	X2	зk= (h1-h2)/(h1-h'2)
0,07	3444,7	1999,4	163,38	0,762	0,4405
0,09		2027,2	183,28	0,769	0,4346
0,11		2050	199,68	0,774	0,4298
0,13		2069,1	213,70	0,777	0,4257
0,15		2086,1	225,98	0,783	0,4221
0,17		2100,9	236,93	0,787	0,4189
0,19		2114,3	246,83	0,791	0,4160

1.3 Розрахунок циклу ПСУ з проміжним перегрівом пари

У попередніх розділах було показано, що термічний к.к.д. ПСУ збільшується при підвищенні початкових температури і тиску і при знижені кінцевого тиску , при якому відбувається конденсація відпрацьованої пари. Проте і підвищення початкового тиску і зниження тиску конденсації призводить до збільшення кінцевої вологості пари (неприпустимо, щоб степінь вологості пари на виході з турбіни був більше 13…14%). З метою не допустити значного зволоження пари при виході з останньої ступені турбіни, тобто з метою переміщення процесу розширення пари в турбіні в бік більш високих значень ступеня сухості відпрацьованої пари, застосовують проміжний перегрів пари. В ПСУ є проміжний потік свіжої пари з параметрами і , який розширюється у частині високого тиску (ЧВТ) до тиску . Після ЧВТ пара нагрівається у проміжному нагрівнику при до температури, яка близька до температури свіжої пари . Після проміжного перегріву пара розширюється у наступних ступенях турбіни до кінцевого тиску .

Схема ПСУ з проміжним перегрівом пари показана на рис. 3.11.

рис. 3.11. Графічне зображення ПСУ з проміжним перегрівом пари.

1- парогенератор (з пароперегрівником);

2- частина високого тиску турбіни;

3- проміжний пароперегрівник;

4- частина низького тиску турбіни;

5- електрогенератор;

6- конденсатор;

7- конденсаційний насос;

8- збірник конденсату;

9- поповнення живильної води;

10- живильний насос.

Графічне зображення графіків циклу ПСУ з проміжним перегрівом пари показано:

в координатах p-v на рис. 3.12;

в координатах T-s на рис. 3.13;

в координатах h-s на рис. 3.14.



рис. 3.12. Графічне зображення теоретичного циклу ПСУ з проміжним перегрівом пари в координатах.

рис. 3.13. Графічне зображення теоретичного циклу ПСУ з проміжним перегрівом пари в T-s координатах.



рис. 3.14. Графічне зображення процесів розширення пари в турбіні і проміжного перегріву в пароперегрівнику в h-s координатах.

Цикл складається з процесів:

1-d - адіабатне розширення пари в ЧВТ турбіни;

d-e - проміжний перегрів пари при від температури до температури ;

e-2 - адіабатне розширення пари в ЧНТ;

2-3 - конденсація відпрацьованої пари в конденсаторі при .

Штриховою кривою показано процес адіабатного розширення пари в турбіні при відсутності проміжного перегріву.

Кількість тепла, підведеного в парогенераторі:

. (3.3)

Кількість тепла, підведена у проміжному пароперегрівнику:

. (3.4)

Загальна кількість підведеної теплоти:

. (3.5)

Кількість тепла, відведеного в конденсаторі:

. (3.6)

Термічний ККД циклу:

, (3.7)

де та - термоперепади в першій та другій ступенях турбіни;

- кількість тепла підведеного в процесі основного циклу;

- кількість тепла, підведеного в процесі вторинного перегріву пари.

.

Значення ентальпій, які входять у (3.7) будемо визначати з діаграми так, як показано на рис. 3.14.. Для побудови графіків залежностей і будемо змінювати тиск проміжного перегріву , зі зміною якого зміниться положення точок Разом з цим зміниться значення ентальпій степінь сухості а одже, і значення термічного к.к.д. циклу. Результати розрахунку представимо у табл. 3.4..

На основі табл. 3.4 будуємо графіки залежностей і (див. рис. 3.15.).

Оптимальне значення тиску проміжного перегріву що відповідає максимальному значенню термічного к.к.д. циклу з графіка видно, що при значенях тиску близьких до термічний к.к.д. циклу ПСУ з проміжним перегрівом пари стає меншим від темічного к.к.д. циклу Ренкіна, разом з тим степінь сухості пари на виході з тербіни зростає.

Таблиця 3.4. Таблиця розрахунку залежності термічного к.к.д. і степення сухості пари.

h1, кДж/кг	h2`, кДж/кг	p0, бар	hd, кДж/кг	he, кДж/кг	h2, кДж/кг	x2,	зt
3589,8	101,00	5	2704	3657,3	2463,1	0,9664	0,4682
		10	2836	3653,2	2367,0	0,9271	0,4738
		12	2880	3652,0	2343,8	0,9176	0,4736
		15	2928	3649,0	2310,3	0,9039	0,4752
		20	2992	3644,8	2269,7	0,8873	0,4764
		25	3050	3640,5	2238,0	0,8743	0,4761
		30	3096	3636,3	2211,8	0,8636	0,4761
		35	3136	3632,0	2189,6	0,8545	0,4759
		40	3176	3627,7	2170,0	0,8465	0,4749
		45	3212	3623,4	2153,0	0,8395	0,4739
		50	3240	3619,1	2137,3	0,8331	0,4735
		60	3296	3610,4	2109,9	0,8219	0,4718
		70	3348	3601,6	2086,4	0,8123	0,4695

1.4 Розрахунок циклу ПСУ з регенеративним підігрівом живильної води

Перевага циклів з регенерацією тепла полягає в зменшені зовнішньої незворотності процесу підводу тепла до робочого тіла за рахунок часткового виключення теплообміну між тепловіддатчиком та робочим тілом та зміни його майже зворотним регенеративним підігрівом робочого тіла. Для здійснення процесу регенерації необхідно, щоб у циклі були ділянки, на яких підвід та відвід тепла відбувався при однокових температурах. Суть регенерації тепла в ПСУ полягає в тому, що частина потоку пари при певному тиску відводиться з турбіни до підігрівника живильної води (конденсату). При наявності регенеративних відборів витрата пари на турбіну при заданій потужності збільшується. Підвищується термічний ККД циклу. Крім цього в парогенераторі зменшується витрата тепла на підігрів живильної води, збільшується витрата тепла на підігрів повітря, що дає можливість покращити умови спалювання палива і перерозподілити радіаційну та конвекторну поверхні нагріву пароконденсатора. Недоліком наявності регенеративних підігрівників живильної води є ускладнення системи комунікацій ПСУ. На рис. 3.16 показано схему ПСУ з одним регенеративним підігрівником.

рис. 3.16. Графічне зображення ПСУ з одним відбором пари для регенеративного підігріву живильної води.

1 - парогенератор (з пароперегрівником);

2 - частина високого тиску турбіни;

3 - частина низького тиску турбіни;

4 - електрогенератор;

5 - конденсатор;

6 - конденсаційний насос;

7 - підігрівник змішуючого типу;

8 - живильний насос.

Схеми графіків циклу ПСУ з відбором пари для регенеративного підігріву живильної води у підігрівнику показано:

- в координатах на рис. 3.17;

- в координатах на рис. 3.18.

Потік частки пари , що відбирається для регенерації тепла, здійснює цикл:

рис. 3.17. Графічне зображення циклу ПСУ з регенеративним підігрівом живильної води в одному підігрівнику змішую чого типу.



рис. 3.18. Графічне зображення процесу розширення пари в турбіні з регенератвним підігрівом живильної води в одному підігрівнику змішую чого типу.

Термічний к.к.д. циклу:

(3.8)

де - початкове значення ентальпії;

- ентальпія пари, що відбирається з турбіни;

- ентальпія конденсату при тиску відбору.

.

Значення ентальпій та зчитуємо з h-s діаграми так, як це показано на рис. 3.18, а значення ентальпії киплячої води при тиску вибираємо з таблиць насиченої водяної пари (табл. II [1]).

Друга частка пари здійснює цикл і характеризується термічним ККД циклу:

(3.9)

де h₂ - кінцеве значення ентальпій в адіабатному процесі розширення пари;

hЧ₂ - ентальпія конденсату при кінцевому тиску Р₂.

.

Термічний к.к.д циклу з регенеративним підігрівом живильної води:

(3.10)

де - частка відібраної пари.

. (3.11)

.

.

Для розрахунку залежності задаємося значеннями тиску відбору в інтервалі від тиску свіжої пари до тиску пари на виході з турбіни . Результати розрахунку представимо у вигляді табл. 3.5.

Таблиця 3.5. Ттаблиця розрахунку циклу ПСУ з регенеративним підігрівом живильної води.

p0, бар	h1, кДж/кг	h2, кДж/кг	h'2, кДж/кг	hм, кДж/кг	h'0, кДж/кг	б	зtx	зt0	зt
5	3624,0	2047,3	101,0	2780	640,1	0,2012	0,4475	0,2828	0,4789
10				2924	762,6	0,2344		0,2446	0,4791
15				3024	844,7	0,2544		0,2159	0,4778
20				3100	908,6	0,2693		0,1930	0,4762
25				3152	962,0	0,2822		0,1773	0,4751
30				3212	1008,4	0,2917		0,1575	0,4729
35				3235	1049,8	0,3027		0,1511	0,4727
40				3276	1087,5	0,3107		0,1372	0,4710
45				3336	1122,2	0,3157		0,1151	0,4676
50				3368	1154,6	0,3225		0,1037	0,4660
55				3396	1185,1	0,3290		0,0935	0,4645
60				3414	1213,9	0,3359		0,0871	0,4637

Для вибору оптимального значення тиску відбору , при якому термічний к.к.д. циклу ПСУ з регенеративним підводом живильної води досягає максимального значення, скористаємося рис. 3.19.

З графіка видно, що

Термічний ККД регенеративного циклу з одним відбором пари більше термічного ККД циклу Ренкіна для тих же параметрів пари. Це пояснюється підвищенням середньої температури підводу тепла до конденсату, так як підвід тепла починається з більш високої температури (точки на рис. 3.18). Середня температура відводу тепла така ж як і в циклі без регенерації.

Література

1. Ривкин С. Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара / С. Л. Ривкин, А. А. Александров. - М. : Энергия, 1975. - 80 с.

2. Алабовский А. М. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. Пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. / А. М. Алабовский, И. А. Недужий. - К. : Выща шк., 1990. - 255 с.

3. Бальян. С. В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели / С. В. Бальян. - Л. : Машиностроение, 1973. - 304 с.

4. Рабинович О. М. Сборник задач по технической термоденамике / О. М. Рабинович. - М. : Машиностроение, 1973. - 344 с.

5. Юдаев Б. Н. Сборник задач по технической термоденамике и теплопередаче / Б. Н. Юдаев. - М. : Высшая школа., 1967. - 373 с.

Размещено на Allbest.ru

...