Способы повышения к.п.д. паросиловых установок
К. п. д. цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50%. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в турбине значение к. п. д. еще меньше.
На величины энтальпий, входящих в выражение (9) оказывают влияние три параметра рабочего тела –– начальное давление р1 и начальная температура Т1 перегретого пара на входе в турбину и конечное давление р2 на выходе из турбины. Это приводит к увеличению теплоперепада 
и как следствие этого, к увеличению удельной работы и к. п. д. цикла.
Кроме изменения параметров пара повысить экономичность паросиловых установок можно за счет усложнения схем самой установки.
На основании выше сказанного выявляются следующие пути повышения термического к. п. д.
1. Повышение начального давления р1 при неизменных параметрах Т1 и р2 (рис. 15, а). На 
диаграмме показаны циклы Ренкина при максимальных давлениях р1 и р1а > р1. Сопоставление этих циклов показывает, что с увеличением давления до р1а теплопререпад 
имеет большее значение, чем , а количество подводимой теплоты 
уменьшается. Такое изменение энергетических составляющих цикла с ростом давления р1 увеличивает термический к. п. д. Этот метод дает значительное повышение эффективности цикла, но в результате повышения р1 (давление в паросиловых установках может достигать до 30 ата) увеличивается влажность пара, выходящего из турбины, что вызывает преждевременную коррозию лопаток турбины.
2. Увеличение начальной температуры Т1 при неизменных параметрах р1 и р2 (рис. 15, б). Сопоставляя циклы в диаграмме при температурах Т1 и Т1а > Т1 можно увидеть, что разность энтальпий увеличивается в большей степени чем разность 
, так как изобара 
протекает более круто, чем изобара 
. При таком изменении разности энтальпий с ростом максимальной температуры цикла термический к. п. д. возрастает. Недостатком этого метода является то, что для пароперегревателя требуется жаропрочный металл, температура перегретого пара может достигать до 650 °С.
3. Одновременное повышение давления р1 и температуры Т1 при постоянном давлении р2. Повышение как р1 так и Т1 увеличивает термический к. п. д. Влияние их на влажность пара в конце расширения противоположно, с повышением р1 она возрастает, а с увеличением Т1 –– уменьшается. В конечном итоге состояние пара будет определяться степенью изменения величин р1 и Т1.
4. Понижение давление р2 при постоянных параметрах Т1 и р1 (рис. 15, в). С понижением р2 увеличивается степень расширения пара в турбине и техническая работа возрастает ∆l = la – l. При этом количество отводимой теплоты 
меньше, чем 
(изобара при меньшем давлении более пологая), а количество подводимой теплоты возрастает на величину 
. В результате термический к. п. д. цикла увеличивается. Понижая давление р2 можно достигнуть на выходе из конденсатора температуры равной температуре окружающей среды, но при этом в конденсационном устройстве придется создавать вакуум, так как температуре 
соответствует давление р2 = 0,04 ата.
5. Использование вторичного (промежуточного) перегрева пара (рис. 15, г). На диаграмме прямая 1–2 показывает расширение пара до некоторого давления р1а в первом цилиндре двигателя, линия 2–1а –– вторичный перегрев пара при давлении р1а и прямая 1а–2а –– адиабатное расширение пара во втором цилиндре до конечного давления р2.
Термический к. п. д. такого цикла определяется по выражению
.
Применение вторичного перегрева пара приводит к снижению влажности пара на выходе из турбины и к некоторому увеличению технической работы. Повышение к.п.д. в этом цикле незначительное, всего 2–3 %, и такая схема требует усложнения конструкции паровой турбины.
6. Применение регенеративного цикла. В регенеративном цикле питательная вода после насоса протекает через один или несколько регенераторов, где нагревается паром, частично отбираемым после расширения его в некоторых ступенях турбины (рис. 16).
Рис. 15. Пути повышения термического к.п.д. цикла Ренкина
Рис. 16. Схема паросиловой установки, работающей
по регенеративному циклу:
1 –– котел; 2 –– пароперегреватель; 3 –– паровая турбина; 4 –– электрогенератор; 5 –– охладитель-конденсатор; 6 –– насос; 7 –– регенератор; α –– доля отбора пара
Количество отобранного пара будет определяться из уравнения теплового баланса для регенератора
,
где 
–– энтальпия конденсата при конечном давлении пара р2; 
–– энтальпия пара, отбираемого из турбины; 
–– энтальпия конденсата при давлении отбора пара.
Полезная работа 1 кг пара в турбине будет определяться по формуле:
.
Количество теплоты затраченной на 1 кг пара, составляет
.
Тогда термический к.п.д. в регенеративном цикле будет найден
.
Подробное исследование регенеративного цикла показывает, что его термический к.п.д. всегда больше термического к.п.д. цикла Ренкина с теми же начальными и конечными параметрами. Увеличение к.п.д. при использовании регенерации составляет 10–15 % и возрастает с увеличением количеств отбора пара.
7. Применение теплофикационного цикла. В теплофикационном цикле утилизируется теплота, отдаваемая паром охлаждающей воде, которая обычно используется в отопительных системах, в системах горячего водоснабжения и для других целей. При этом теплота q1, подводимая к рабочему телу, может в разной степени перераспределяться дл получения технической работы и теплоснабжения. В теплофикационном цикле (рис. 17) часть электроэнергии недорабатывается, так как часть теплоты пара отбираемого из турбины расходуется у потребителя.
Рис. 17. Схема паросиловой установки, работающей по
1 –– котел; 2 –– пароперегреватель; 3 –– паровая турбина; 4 –– электрогенератор; 5 –– охладитель-конденсатор; 6 –– насос; 7 –– потребитель теплоты
Количество теплоты, полученное рабочим телом, 
частично превращается в полезную работу лопаток турбины 
, а частично затрачивается для целей теплоснабжения у потребителей 
. Поскольку и та и другая работы являются полезными, то термический к. п. д. теряет свой смысл.
К.п.д. теплофикационного цикла будет определяться
.
Так как в теплофикационном цикле вырабатывается два вида продукции (электроэнергия и теплота), то приходится различать внутренний КПД по выработке теплоты и средневзвешенный КПД по выработке электроэнергии и теплоты. Каждый из них равен единице, поскольку в пределах цикла потерь нет.
В реальности к.п.д. теплофикационного цикла не может быть равен единице, так как всегда существуют механические потери в турбине и гидравлические потери в системах теплоснабжения.
Источник
Цикл Ренкина. Пути повышения КПД паросиловых установок
В основе работы современных теплосиловых установок, использующих в качестве рабочего тела водяной пар, лежит цикл, предложенный шотландским инженером У. Ренкиным в 50-х гг. XIX века.
Схема простейшей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, включает в себя паровой котел 1 (рис. 4.19) с пароперегревателем 2, паровую турбину 3, конденсатор 4 и питательный насос 5.
Ошибка! Ошибка связи. Ошибка! Ошибка связи.
Рис. 4.19 Рис. 4.20
В паровом котле за счет тепла продуктов сгорания топлива питательная вода нагревается до температуры кипения (процесс 3 – 4 на рис. 4.20), затем превращается в пар (4 – 5).
Образующийся в котле пар со степенью сухости, близкой к х = 1, направляется в пароперегреватель, где осуществляется подсушка и перегрев пара до температуры T1 (5 – 1). Весь процесс подвода тепла 3 – 4 – 5 – 1 протекает при одном и том же давлении (p1 = const).
Далее пар с параметрами р1, T1 поступает в турбину, где расширяется до давления р2 и совершает работу. Процесс расширения 1 – 2 в проточной части турбины протекает в идеальном цикле Ренкина адиабатно, без потерь, следовательно, s1 = s2. Работа расширения пара используется на вращение ротора электрического генератора.
После турбины пар с давлением р2 и степенью сухости х2 поступает в конденсатор, где осуществляется изобарно-изотермный процесс конденсации
2 – 3. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркуляционной водой, а пар конденсируется в межтрубном пространстве. Образующийся конденсат откачивается питательным насосом, который повышает его давление и подает в котел. Процесс повышения давления воды в насосе в Т, s-диаграмме не изображен, так как в точке 3 изобары p1 и р2 практически сливаются. Кроме того, работа насоса весьма мала в сравнении с работой расширения пара в турбине, поэтому из рассмотрения ее можно исключить.
Эффективность полученного цикла оценивается термическим КПД, определяемым по общей формуле: 
.
Подведенное в цикле тепло q1 отражается на Т, s-диаграмме площадью
3 – 4 – 5 – 1 – 7 – 6. Поскольку процесс подвода тепла осуществляется изобарно, то количество тепла равно разности энтальпий начала и конца процесса:
q1 = h1 – h3.
Энтальпия точки 3 представляет собой энтальпию кипящей жидкости при давлении p2, поэтому можно записать: 
.
Отведенное от рабочего тела в конденсаторе тепло (площадка 3 – 2 – 7 – 6) запишется как 
.
Подставляя значения q1 и q2 в исходное уравнение, получаем формулу термического КПД идеального цикла Ренкина:
. (4.47)
Величину термического КПД цикла Ренкина удобно определять с помощью h, s-диаграммы (рис. 4.21). По заданным начальным параметрам р1 и t1 находят точку 1 и определяют энтальпию h1. Через точку 1 проводят вертикальную линию до пересечения с изобарой р2. Полученный отрезок 1 – 2 характеризует процесс адиабатного расширения пара в проточной части турбины. В точке 2 определяют энтальпию h2. Разность энтальпий h1 – h2 представляет собой располагаемый теплоперепад h0. Энтальпия конденсата h2‘ определяется по температуре насыщения t2, соответствующей давлению p2. При t2 р2 и направляется в подогреватель 6. Здесь отборный пар конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования на подогрев основного конденсата, подаваемого в подогреватель из конденсатора насосом 5. После смешения обоих потоков конденсата последний подается в котел насосом 7.
Ошибка! Ошибка связи. Ошибка! Ошибка связи.
Рис. 4.27 Рис. 4.28
Изобразить регенеративный цикл в Т, s-диаграмме можно лишь условно (рис. 4.28), так как диаграмма состояния строится для постоянного количества рабочего тела (1 кг), тогда как здесь по длине проточной части турбины поток рабочего тела изменяется.
Основная часть пара, следующего после турбины в конденсатор, совершает цикл 1 – 2 – 3 – 4. Пар, взятый из отбора (обозначим его долю через α) работает по циклу 1 – 5 – 6 – 4. Очевидно, что работа этого цикла меньше, чем основного. Однако отведенное в нем тепло (площадка 5 – 6 – 7 – 8) не отдается в окружающую среду, а идет на подогрев питательной воды (площадка 3 – 6 – 7 – 9). Из условия равенства тепла, отданного в подогревателе отборным паром, и тепла, воспринятого конденсатом, запишем уравнение теплового баланса регенеративного подогревателя:
. (4.50)
Отсюда доля отбираемого пара, необходимого для подогрева питательной воды до состояния точки 6,
. (4.51)
Обозначив энтальпию отбираемого пара hот, а после его конденсации hот‘, имеем:
. (4.52)
Подведенное в цикле тепло (по линии 6 – 4 – 1 в Т, s- диаграмме) 
.
Работа 1 кг пара складывается из работы отдельных потоков (в нашем примере двух): 
.
Термический КПД регенеративного цикла с одним отбором пара на подогрев питательной воды определяется выражением:
. (4.53)
Независимо от давления пара в регенеративном отборе некоторая часть работы турбины совершается без потерь теплоты парообразования в конденсаторе, а с использованием ее в регенеративном подогревателе. Теоретически тепло той доли пара, которая идет в регенеративный отбор, используется в цикле на 100 %. Поэтому термический КПД регенеративного цикла выше, чем цикла Ренкина без регенерации.
С увеличением числа отборов термический КПД возрастает. Учитывая, однако, сложность и удорожание установки, число регенеративных отборов выбирают в пределах 5 – 10.
Значение регенеративного цикла становится наиболее существенным при высоком начальном давлении пара, когда затраты тепла на нагревание воды растут, а на парообразование – уменьшаются. В этом случае применение регенеративного подогрева питательной воды приводит к увеличению термического КПД до 10 – 12 %.
Разберем еще один способ повышения эффективности использования
тепла, применяемый в теплофикационных циклах.
В установках, работающих по циклу Ренкина, значительная часть тепла q2 отводится холодному источнику. Снижением конечного давления р2 добиваются некоторого уменьшения тепла q2, отводимого в конденсаторе, что приводит к увеличению термического КПД цикла. Однако при малых давлениях р2, поддерживаемых в современных установках на уровне 0,03 – 0,05 бар, температура конденсации пара имеет значения 24 – 32 °С. Использование теплоты конденсации с таким низким температурным потенциалом становится экономически нецелесообразным.
Стремление использовать тепло q2, отдаваемое конденсирующимся паром, приводит к необходимости повышения давления, а следовательно, и температуры конденсации. При этом неизбежно снижается термический КПД цикла, уменьшается работа цикла l, идущая на выработку электроэнергии (рис. 4.29). Вместе с тем представляется возможность получения больших количеств тепла для технологических и бытовых нужд. В установке, таким образом, осуществляется комбинированная выработка электроэнергии и тепла.
Цикл такой установки называется теплофикационным, а электростанции, вырабатывающие электроэнергию и тепло, называются теплоэлектроцент-ралями.
Эффективность теплофикационного цикла можно оценивать коэффициентом использования тепла
. (4.54)
Поскольку в любом обратимом цикле l + q2 = q1, то теоретически K = 1. На практике величина К всегда меньше единицы из-за наличия потерь тепла в котлоагрегате и паропроводе, механических и электрических потерь в турбине и генераторе.
Цикл холодильной установки
Холодильными установками называют устройства, предназначенные для понижения температуры тел и поддержания ее на заданном уровне. Вырабатываемый ими искусственный холод находит все более широкое применение в химической и пищевой промышленности, в строительстве, торговле, транспорте, в системах кондиционирования воздуха и других отраслях промышленности и коммунального хозяйства.
В настоящее время используются различные типы холодильных установок – воздушные, парокомпрессорные, пароэжекторные, абсорбционные, термоэлектрические, которые отличаются как по роду рабочего тела, так и по принципу действия. Наиболее распространенные парокомпрессорные холодильные установки используют в качестве рабочего тела (хладагента) вещества, имеющие низкие температуры кипения, например аммиак, фреоны. Принципиальная схема такой установки представлена на рис. 4.30, а T, s-диаграмма осуществляемого в ней обратного цикла – на рис. 4.31.
Ошибка! Ошибка связи. Ошибка! Ошибка связи.
Рис. 4.30 Рис. 4.31
В компрессоре 1 сухой пар хладагента адиабатно сжимается (1 – 2) до давления р2 и направляется в конденсатор 2. Здесь происходят охлаждение и конденсация рабочего тела за счет отвода тепла q1 циркулирующей водой. Жидкость дросселируется от давления p2 до давления р1 в дросселе 3. Процесс дросселирования 3 – 4 протекает при неизменной энтальпии h3 = h4. В точке 4 получается парожидкостная смесь, которая следует в испаритель 4, где за счет подвода тепла q2 происходит испарение жидкой фазы хладагента (4 – 1).
Работа, затрачиваемая на осуществление обратного цикла, l = q1 – q2. Количество отведенного в цикле тепла q1 = h2 – h3.
Подведенное к рабочему телу в испарителе тепло q2 является одновременно теплом, которое с каждым циклом отводится от охлаждаемого объекта и называется удельной хладопроизводительностью установки, кДж/кг: q2 = h1 – h4. Поскольку h3 = h4, то l = h1 – h2.
Теоретический холодильный коэффициент установки
. (4.55)
Значения ε находятся в пределах 3 – 5, т. е. количество вырабатываемого холода в несколько раз больше затрат работы.
Источник
