Scopo: convertire il calore in lavoro.
La termodinamica non vieta tale trasformazione, poiché secondo la prima legge della termodinamica
du = dq – dw → dw = dq – du. (6.1)
Pertanto, il lavoro dw > 0 può essere ottenuto o/e fornendo calore dq > 0 o/e riducendo l'energia interna du< 0.
A tecnologia chimica ed energia, le centrali termiche sono utilizzate come fonti di energia per compressori, pompe per vuoto, ventilatori e soffianti per gas, pompe per liquidi in movimento, per azionare frantoi e altri trituratori. Nel settore energetico, le centrali termoelettriche sono utilizzate per la produzione di energia elettrica e calore per il riscaldamento.
1. Motori a combustione interna.
Questi motori si distinguono per il tipo di carburante in benzina e diesel. Sulla fig. 6.1 mostra il diagramma indicatore del ciclo del motore a benzina.
Riso. 6.1. Diagramma indicatore di un motore a combustione interna a benzina.
A1 - il processo di aspirazione della miscela aria-vapore nel volume del cilindro;
1 - 2 - compressione di questa miscela; al punto 2, eccitazione della scintilla del dispositivo di accensione (candela);
2 - 3 - flash (esplosione) di vapori di benzina miscelati con ossigeno atmosferico;
3 - 4 - il processo di espansione politropica Gas di scarico;
al punto 4 - l'apertura della valvola di scarico;
4 - 1 processo di gas di scarico nell'atmosfera.
Sulla fig. 6.2 mostra il diagramma indicatore di un motore diesel a combustione interna.
Riso. 6.2. Diagramma indicatore di un motore diesel a combustione interna.
A1 - il processo di aspirazione dell'aria pulita dall'atmosfera nel cilindro del motore;
1 - 2 - il processo di compressione dell'aria; al punto 2 - iniezione di gasolio nel cilindro;
2 - 3 - combustione del carburante; 3 - 4 - il processo di espansione politropica;
v. 4 - apertura della valvola di scarico; 4 - 1 - scarico fumi in atmosfera.
Si può dimostrare che il coefficiente termico azione utileη t dei motori a combustione interna dipende fortemente dal rapporto di compressione p 1 / p 2 (vedi Fig. 6.1 e 6.2): maggiore è questo grado, maggiore η t. Per un motore a benzina, il rapporto di compressione è limitato dal punto di infiammabilità spontaneo del vapore di benzina miscelato con l'ossigeno atmosferico. Pertanto, la miscela vapore-aria deve essere compressa a una temperatura inferiore al punto di infiammabilità e la combustione stessa (tipo esplosivo) viene avviata utilizzando una scintilla in una candeletta.
Compresso in motori diesel aria fresca, il rapporto di compressione in tali motori è limitato solo dalle proprietà di resistenza dei materiali per la fabbricazione di motori. Pertanto, il rapporto di compressione in un motore diesel è molto più grado compressione in un motore a benzina e, di conseguenza, anche η t.
Per motori a benzinaη ≈ 25% - 30%, per diesel η ≈ 40% - 45%. Ciò significa che su 10 litri di benzina nel serbatoio, solo 2,5 litri verranno utilizzati per il movimento effettivo dell'auto e il resto sarà speso per il riscaldamento dell'atmosfera e l'inquinamento ambientale. Ma per un motore diesel, un po' meno della metà del carburante verrà speso con beneficio e il resto sarà una perdita.
2. Centrali a vapore.
Sulla fig. 6.3 mostra lo schema tecnologico di una centrale a vapore per la produzione di energia elettrica.
Il vapore ad alta pressione e temperatura (vedi t. 1) viene immesso negli ugelli della turbina (vedi lezione 5), dove avviene la trasformazione energia potenziale coppia dentro energia cinetica flusso di vapore (velocità del flusso - supersonico). L'energia cinetica del flusso supersonico viene convertita sulle pale della turbina nell'energia cinetica della rotazione della ruota della turbina e nel lavoro di generazione di elettricità.
Sulla fig. 6.3 mostra una turbina, infatti la turbina ha più stadi di espansione del vapore.
Dopo la turbina (vedi t. 2), il vapore viene inviato al condensatore. Questo è uno scambiatore di calore convenzionale, l'acqua di raffreddamento passa all'interno dei tubi, all'esterno - vapore acqueo, che condensa, l'acqua diventa liquida (vedi v.3).
Riso. 6.3. Diagramma schematico di una centrale a vapore.
Quest'acqua entra nella pompa di alimentazione, dove la pressione aumenta fino al valore nominale (di progetto) (vedi t. 4).
Inoltre, l'acqua ad alta pressione viene inviata all'unità caldaia (in Fig. 6.3 è cerchiata con una linea tratteggiata). In questa unità, l'acqua viene prima riscaldata fino al punto di ebollizione dai fumi del forno della caldaia, quindi entra nelle tubazioni della caldaia, dove avviene una trasformazione di fase fino allo stato di vapore saturo secco (vedi punto 5 in Fig. 6.3).
Finalmente asciutto vapore saturo va a un surriscaldatore riscaldato dai gas di combustione del forno. Lo stato del vapore all'uscita del surriscaldatore è caratterizzato dal punto 1. Questo chiude il ciclo (vedi lezione 4). Questo ciclo di una centrale a vapore è stato proposto dall'ingegnere tedesco Rankin, e quindi è stato chiamato il ciclo di Rankine.
Considera il ciclo di Rankine su tre diagrammi termodinamici p - v, T - s, h - s (vedi Fig. 6.4).
Riso. 6.4. Ciclo Rankine sui diagrammi termodinamici.
La numerazione dei punti coincide con la numerazione di Fig. 6.3.
Processo 1 - 2 - espansione del vapore negli ugelli della turbina;
2 - 3 - il processo di condensazione del vapore; 3 - 4 - processo nella pompa di alimentazione;
4 - 5 - il processo di riscaldamento dell'acqua e la sua ebollizione; 5 - 1 - processo di surriscaldamento del vapore.
Quelle aree dei diagrammi sono ombreggiate, la cui area è numericamente uguale al lavoro e al calore per ciclo, e q c = w c.
Da schema tecnologico in fig. 6.3 e diagrammi T - s in fig. 6.4 ne consegue che il calore viene fornito al fluido di lavoro nei processi 4 - 5 - 1, in cui ds > 0. E questi processi sono caratterizzati dall'invariante p 1 = const. Pertanto, il calore fornito nel ciclo di Rankine q subv è pari a:
q subv \u003d h 1 - h 4 .J. (6.2)
Il calore viene rimosso dal fluido di lavoro nel processo 2 – 3 (ds< 0) и этот процесс тоже p 2 = const. Поэтому
q risp \u003d h 2 - h 3. J. (6.3)
La differenza tra il calore fornito e il calore asportato è il calore del ciclo q c, convertito in lavoro w c (vedi lezione 4):
w c \u003d q c \u003d (h 1 - h 4) - (h 2 - h 3) \u003d (h 1 - h 2) - (h 4 - h 3).
La differenza tra l'entalpia dell'acqua prima della pompa di alimentazione (punto 3) e dopo (punto 4) è trascurabile. Riguardo
w c \u003d q c \u003d h 1 - h 2. (6.4)
L'efficienza termica del ciclo di Rankine (e questo è il rapporto tra "beneficio", cioè wc, e "costi", cioè q sub) è pari a
η t \u003d (h 1 - h 2) / (h 1 - h 4).(6.5)
Esempio. La centrale a vapore funziona secondo il ciclo Rankine con i parametri iniziali del vapore p 1 = 20 bar e t 1 = 300 0 C. La pressione nel condensatore p 2 = 0,05 bar. Trova l'efficienza termica η t .
Soluzione. Come segue dal metodo generale per risolvere i problemi in cui appare un fluido di lavoro reale, prima di tutto è necessario scoprire lo stato dell'acqua al primo punto del ciclo (vedi Fig. 6.4) per sapere quale le tabelle per il vapore acqueo dovrebbero essere utilizzate per trovare i parametri necessari.
Secondo le tabelle dei vapori saturi per H 2 O, utilizzando il valore p 1 \u003d 20 bar, troviamo la temperatura di saturazione (ebollizione): t n \u003d 212 0 C. Confronta questo valore con t 1 \u003d 300 0 C. Poiché t 1\u003e t n, concludiamo: al punto 1, il vapore acqueo è in uno stato surriscaldato e, pertanto, è necessario utilizzare la tabella per il vapore acqueo surriscaldato. Osservando la (6.5), si può vedere che l'entalpia al punto 1 è necessaria per risolvere il problema dalla tabella: h 1 = 3019 kJ/kg.
Successivamente, procediamo a determinare i parametri dello stato del vapore al punto 2. Su questo punto sappiamo che p 2 = 0,05 bar e che s 2 = s 1 = 6,757 kJ / kgK (qui abbiamo disegnato mentalmente un isentropo dal punto 1 all'isobar p 2 = const, poiché il processo 1 - 2 è il processo di deflusso del vapore negli ugelli della turbina).
Ancora una volta, passiamo tradizionalmente alla tabella del vapore acqueo saturo per pressione e vediamo che a p 2 \u003d 0,05 bar, l'entropia s΄ \u003d 0,4761 kJ / kgK per l'acqua bollente e l'entropia s ”\u003d 8,393 kJ / kgK per vapore saturo secco. Confrontando i valori delle entropie s΄, s” ed s 2, si può notare che il punto 2 è nella regione del vapore umido (saturo) e, quindi, dovremo utilizzare tabelle del vapore umido.
Osservando la (6.5), è chiaro che per risolvere il problema è necessario determinare il valore di entalpia al punto 2. Per fare ciò, dovremo prima trovare il grado di secchezza del vapore acqueo al punto 2, e solo allora determineremo h 2 .
s 2 \u003d s 1 \u003d s΄ + xr / T n → x \u003d (s 1 - s΄) T n / r.
Il calore di transizione di fase dell'acqua ad una pressione p 2 = 0,05 bar si trova dalle stesse tabelle del vapore acqueo saturo: r = 2423 KJ / kg. Qui troviamo la temperatura del vapore al punto 2: t 2 \u003d t n \u003d 32,88 0 C. Quindi
x \u003d (6,757 - 0,476) (32,88 + 273) / 2423 \u003d 0,793.
h 2 \u003d h΄ + xr → h 2 \u003d 137,83 + 0,793 * 2423 \u003d 2059 kJ / kg.
Il valore dell'entalpia dell'acqua bollente h΄ \u003d 137,83 kJ / kg \u003d h 4 si trova di nuovo dalle stesse tabelle del vapore acqueo saturo.
Infine:
η t = (vedi (6.5)) = (3019 – 2059)/(3019 – 137,83) = 0,333.
Risposta:η t = 0,333 = 33,3%.
Commento. Questo valore di efficienza termica significa essenzialmente quanto segue. Dei 100 carri di carbone bruciati nella fornace di una caldaia, estratti da qualche parte nel Kuzbass dal duro e pericoloso lavoro dei minatori, portati, diciamo, nella penisola di Kola nella città di Kirovsk per ferrovia, solo 34 carri di carbone sarà "trasformato" in elettricità e i restanti 66 vagoni saranno utilizzati per riscaldare l'atmosfera. Che spreco!
Acqua calda proveniente dai condensatori di alcune centrali termoelettriche sulle sponde del fiume. Mosca viene scaricata nel fiume. Le anatre selvatiche non vogliono volare in Africa per l'inverno, loro e la centrale termica stanno bene, ma per noi è rovina.
Commento. Troviamo l'efficienza termica del ciclo di Carnot nello stesso intervallo di temperatura dell'esempio considerato. La temperatura dell'acqua nel condensatore è già stata determinata dalla tabella del vapore acqueo saturo a p 2 \u003d 0,05 bar: t n \u003d 32,88 0 C.
η a t \u003d 1 - T 2 / T 1 \u003d 1 - (32,88 + 273) / (300 + 273) \u003d 0,466 \u003d 46,6%
In altre parole, il ciclo più perfetto, cioè il ciclo di Carnot, ha un'efficienza nelle condizioni del problema dell'esempio in esame, di poco inferiore alla metà (su 100 vagoni a carbone, la metà sarà spesa per il riscaldamento dell'atmosfera). E qui è inutile discutere con la termodinamica.
Riso. 6.5 mostra il motivo del piccolo efficienza del ciclo Rankine rispetto al ciclo di Carnot.
Riso. 6.5. Illustrazione del motivo della bassa efficienza del ciclo Rankine
rispetto al ciclo di Carnot. Le perdite di posti di lavoro sono l'area d'ombra.
La numerazione dei punti coincide con la numerazione di Fig. 6.3 e 6.4.
Commento. La perfezione di una centrale a vapore è determinata non solo dall'efficienza termica del ciclo, ma anche dall'efficienza del gruppo caldaia. Quest'ultimo è il rapporto tra il calore fornito al fluido di lavoro e l'energia chimica del combustibile. A merito degli ingegneri termoelettrici domestici, degli sviluppatori di caldaie, l'efficienza di un moderno impianto di caldaie è del 99,5%. Ciò significa che su 100 vagoni di carbone, 99,5 vagoni di carbone verranno “convertiti” nell'entalpia del vapore surriscaldato (punto 1 nelle Figg. 6.3, 6.4 e 6.5) e solo 0,5 vagoni di carbone saranno utilizzati per riscaldare l'atmosfera . Di conseguenza, la bassa efficienza dell'intera centrale a vapore operante sul ciclo Rankine ha profonde basi termodinamiche (genetiche).
L'essenza di questi motivi è che la natura dell'acqua, le sue proprietà fisiche e chimiche sono tali che il ciclo di Rankine riempie debolmente l'area all'interno del ciclo di Carnot (vedi Fig. 6.5).
L'acqua è stata trasformata in un fluido di lavoro nelle centrali a vapore puramente storicamente molto tempo fa. E il motivo è che l'acqua è la sostanza più comune sulla Terra, c'era molta acqua, non aveva prezzo. Oggi, il basso costo dell'acqua è diventato un mito: in primo luogo, l'acqua è diventata scarsa, l'industria russa è rimasta a lungo su una razione di fame; in secondo luogo, l'acqua di un fiume, di un lago, di un serbatoio o di un pozzo artesiano si è rivelata semplicemente inadatta, contiene molte impurità, sali di durezza, gas disciolti, tutto ciò riduce notevolmente l'affidabilità sia dell'unità caldaia che della turbina. Il moderno trattamento dell'acqua per una centrale a vapore lo rende molto costoso. Anche l'acqua di raffreddamento del condensatore deve essere accuratamente ripulita da alghe, amebe, flagelli, microrganismi, in quanto vivono ottimamente e si moltiplicano attivamente nello scambiatore di calore, portando l'intero impianto in uno stato di guasto.
Riassumiamo i risultati preliminari: fattori di efficienza e motori a combustione interna e centrali a vapore- dispendiosamente piccolo. Di conseguenza, è necessario e/o sviluppare misure per aumentare l'efficienza e/o impegnarsi nel risparmio energetico.
Il bilancio energetico di una centrale a vapore con turbina è mostrato in fig. 519. È esemplare; L'efficienza di una centrale a vapore può essere anche superiore (fino al 27%). Le perdite di energia che si verificano durante il funzionamento di una centrale a vapore possono essere suddivise in due parti. Parte delle perdite sono dovute all'imperfezione del progetto e possono essere ridotte senza modificare la temperatura in caldaia e nel condensatore. Ad esempio, predisponendo un più perfetto isolamento termico della caldaia, è possibile ridurre le dispersioni termiche nel locale caldaia. La seconda parte, molto più grande - la perdita di calore ceduta all'acqua che raffredda il condensatore, risulta essere del tutto inevitabile a determinate temperature nella caldaia e nel condensatore. Abbiamo già evidenziato (§ 314) che la condizione per il funzionamento di una macchina termica non è solo la ricezione di una certa quantità di calore dal riscaldatore, ma anche il trasferimento di parte di questo calore al frigorifero.
Vasta esperienza scientifica e tecnica nella costruzione di motori termici e profonda studi teorici per quanto riguarda le condizioni di funzionamento dei motori termici, ha riscontrato che l'efficienza di un motore termico dipende dalla differenza di temperatura tra il riscaldatore e il frigorifero. Maggiore è questa differenza, maggiore è l'efficienza di una centrale a vapore (ovviamente a patto di eliminare tutte le imperfezioni tecniche di progettazione sopra citate). Ma se questa differenza è piccola, anche la macchina tecnicamente più perfetta non può dare un'efficienza significativa.Il calcolo teorico mostra che se la temperatura termodinamica del riscaldatore è , e il frigorifero è , allora l'efficienza non può essere maggiore di
Riso. 519. Bilancio energetico approssimativo di una centrale a vapore con turbina
Quindi, ad esempio, a motore a vapore, vapore che ha una temperatura di 100 (o 373 ) in caldaia, e 25 (o 298 ) in frigorifero, l'efficienza non può essere maggiore 
, ovvero il 20% (in pratica, a causa dell'imperfezione del dispositivo, l'efficienza di tale installazione sarà molto inferiore). Pertanto, per migliorare l'efficienza dei motori termici, è necessario andare a temperature più elevate in caldaia e, di conseguenza, a pressioni di vapore più elevate. A differenza delle stazioni precedenti che funzionavano a una pressione di 12-15 atm (che corrisponde a una temperatura del vapore di 200), le moderne centrali a vapore hanno iniziato a installare caldaie da 130 atm o più (temperatura circa 500).
Invece di aumentare la temperatura in caldaia, sarebbe possibile abbassare la temperatura nel condensatore. Tuttavia, ciò si è rivelato praticamente impossibile. A pressioni molto basse, la densità del vapore è molto bassa e con una grande quantità di vapore passata in un secondo da una potente turbina, il volume della turbina e del condensatore con essa dovrebbe essere proibitivo.
Oltre ad aumentare l'efficienza di una macchina termica, si può intraprendere la strada dell'utilizzo dei "rifiuti termici", ovvero il calore sottratto dall'acqua che raffredda il condensatore.
Riso. 520. Bilancio energetico approssimativo della cogenerazione
Invece di scaricare l'acqua riscaldata dal condensatore in un fiume o in un lago, è possibile inviarla attraverso tubi di riscaldamento dell'acqua calda o utilizzarla per scopi industriali nell'industria chimica o tessile. È anche possibile espandere il vapore nelle turbine solo fino a una pressione di 5-6 atm. Allo stesso tempo, dalla turbina esce vapore molto caldo, che può servire per una serie di scopi industriali.
Una stazione che utilizza il calore di scarto fornisce ai consumatori non solo energia elettrica ottenuta attraverso lavori meccanici, ma anche calore. Si chiama centrale termica ed elettrica combinata (CHP). Il bilancio energetico approssimativo di CHPP è mostrato in fig. 520.
Prima di passare alla descrizione dei metodi termodinamici e delle tecniche per aumentare l'efficienza, introduciamo alcuni concetti ausiliari. La necessità di questa introduzione è la seguente. Il fatto è che η t , per definizione, è il rapporto tra "beneficio" e "costi". Quasi tutti i metodi per aumentare l'efficienza cambiano simultaneamente sia il numeratore che il denominatore della frazione η t . E quindi c'è incertezza nel comportamento dell'intera frazione.
D'altra parte, questa incertezza non esiste se abbiamo a che fare con il ciclo di Carnot, poiché una variazione della temperatura della fonte di calore T 1 e del dissipatore di calore T 2 indica in modo abbastanza inequivocabile una variazione di η t k. Inoltre, tutti metodi termodinamici e metodi per aumentare l'efficienza delle centrali a vapore non modificano il valore di T 2 , poiché è praticamente difficile modificarlo.
Quindi, la fornitura di calore nel ciclo Rankine avviene lungo una certa curva spezzata (vedi Fig. 6.4 e diagramma T - s, processo 4 - 5 - 1, p 1 \u003d const).
Definizione:viene chiamata la temperatura media integrale del processo di fornitura di calore nel ciclo vapore-energia
In altre parole,<Т 1 >in matematica è chiamato il valore integrale medio di una funzione su un intervallo di cambio argomento. Quindi per qualsiasi ciclo della centrale a vapore equivalente il ciclo di Carnot avrà un'efficienza pari a:
η t k \u003d 1 - T 2 /
Qualsiasi proposta per aumentare o modificare η t di una centrale a vapore sarà valutata mediante modifica
3.1. Aumento della temperatura del fluido di lavoro davanti alla turbina.
Sulla fig. 6.6 è un'illustrazione di questo metodo per aumentare l'efficienza termica.
Si prega di notare che l'importo del "beneficio", cioè il lavoro per ciclo è aumentato con un aumento di T 1, ma allo stesso tempo sono aumentate le perdite di calore nel condensatore e i costi di riscaldamento per ciclo sono aumentati. Si vede qui chiaramente che sia il numeratore che il denominatore della frazione η t sono aumentati e il risultato è indeterminato (vedi (6.5)). Ma è chiaramente visibile che un aumento da T 1 a T 1 ΄ aumenta
Riso. 6.6. Illustrazione del metodo per aumentare η t di
aumentando la temperatura T 1 vapore davanti alla turbina.
Commento. Aumentando T 1 , non abbiamo deliberatamente modificato tutti gli altri parametri del ciclo di Rankine. Non puoi cambiare tutto in una volta per rivelare una sorta di schema.
3.2. Aumento della pressione del fluido di lavoro davanti alla turbina.
Sulla fig. 6.7 è un'illustrazione di questo metodo per aumentare η t .
Riso. 6.7. Illustrazione del metodo per aumentare η t aumentando
pressione del vapore davanti alla turbina.
A giudicare dalla Fig. 6.7, è difficile decidere se il lavoro per ciclo è aumentato o diminuito, ma la dispersione termica nel condensatore è nettamente diminuita. Se usiamo il concetto
Commento. Aumentare la temperatura del vapore T 1 davanti alla turbina non è molto efficace, poiché le isobare p = const salgono abbastanza ripidamente nella regione del vapore acqueo surriscaldato. Tale è la natura di questa sostanza.
Commento. Entrambi i metodi per aumentare η t mostrati sopra sono "benedetti" dalla termodinamica. E in pratica, l'aumento della temperatura e della pressione del vapore acqueo davanti alla turbina è limitato da un insieme di materiali resistenti al calore ed extra resistenti per la fabbricazione sia del gruppo caldaia che della turbina. Qui, in tutta la sua formidabile crescita, sorge la scienza della "Scienza dei Materiali".
CENTRALE A VAPORE
Le centrali a vapore (SPU) sono destinate a ricevere energia elettrica e vapore acqueo, andando alle esigenze produttive delle imprese industriali. Attualmente, tutti i principali impianti chimici e mietitrebbie hanno i propri CSP.
La figura 20 mostra schema elettrico centrale a vapore. L'alimentatore è costituito da una caldaia a vapore (1,1"), una turbina a vapore (2), un condensatore (3) e una pompa di alimentazione (4). La caldaia a vapore è una struttura ingegneristica complessa. Solo due dei suoi elementi sono mostrati in modo condizionale in il diagramma - il tamburo della caldaia (1) e il surriscaldatore (1").
Riso. 20. Schema schematico di una centrale a vapore
Il funzionamento dell'impianto è il seguente. L'acqua di alimentazione (condensa e acqua di ritorno dall'impianto) viene pompata da una pompa (4) nel tamburo della caldaia a vapore (1). Nel tamburo, a causa del calore chimico del combustibile che viene bruciato nel forno della caldaia (il forno non è mostrato in Fig. 3), e in alcuni casi per il potenziale energetico delle risorse energetiche secondarie combustibili o ad alta temperatura, acqua a pressione costante si trasforma in vapore saturo umido (X = 0,9 - 0,95). Quindi il vapore saturo umido entra nel surriscaldatore della caldaia (1"), dove viene surriscaldato ad una temperatura predeterminata. Il vapore surriscaldato viene inviato alla turbina a vapore (2). Qui si espande adiabaticamente per ottenere lavoro utile, che viene trasformato in energia elettrica utilizzando un generatore Le moderne turbine hanno una serie di estrazioni attraverso le quali il vapore viene indirizzato alle esigenze tecnologiche dei negozi impresa industriale. Dopo la turbina, il vapore di scarico viene inviato al condensatore (3). Il condensatore è un convenzionale scambiatore di calore a fascio tubiero, il cui scopo principale è creare un vuoto dietro la turbina. Ciò porta ad un aumento della caduta di calore nella turbina, che aumenta l'efficienza del ciclo PSU. Nel condensatore, a causa della rimozione del calore dal vapore di scarico all'acqua di raffreddamento, condensa. La condensa risultante viene ripompata (4) nel tamburo della caldaia.
Riso. 21. Ciclo PSU nei diagrammi P - υ e T - S
Sulla fig. 21 mostra il ciclo PSU nei diagrammi P - υ e T - S. In questi diagrammi, la riga 1–2–3–4 corrisponde al processo isobarico per ottenere vapore surriscaldato in caldaia a vapore. La sezione 1-2 caratterizza il processo di riscaldamento nutrire l'acqua al punto di ebollizione, la sezione 2-3 corrisponde al processo di vaporizzazione, cioè la trasformazione dell'acqua in vapore, la sezione 3-4 caratterizza il processo di surriscaldamento del vapore. La linea 4-5 riflette il processo adiabatico di espansione del vapore nella turbina. Segmento 5-6 - processo isobarico di condensazione del vapore nel condensatore. La riga 6-1 caratterizza il processo di aumento della pressione dell'acqua di alimentazione nella pompa. Il processo di aumento della pressione dell'acqua nella pompa procede praticamente a temperatura costante e senza scambio di calore con l'ambiente. Inoltre, dato che i liquidi sono praticamente incomprimibili, anche questo può essere considerato isocoro. In queste condizioni, il processo 6-1 procede a q = 0, T = const, υ = P - υ e T - S e S = P - υ e T - S. Pertanto, la riga 6-1 nella T - S diagramma si trasforma in un punto.
Analizzando i cicli delle centrali a vapore, vengono introdotti i seguenti concetti:
1. Lavoro tecnico della turbina. Sotto lavoro tecnico le turbine comprendono il funzionamento di tutti i processi del ciclo termodinamico.
Per il processo isobarico 1-4 abbiamo:
(7.12)
Nel processo di espansione adiabatica del vapore nella turbina:
Con un processo di condensazione isobarica in un condensatore:
(7.14)
Per il processo 6-1, che caratterizza il funzionamento tecnico della pompa a q = 0,
T = cost, υ = cost e S = cost, otteniamo
Di conseguenza:
2. Ciclo di lavoro. Il ciclo di lavoro è definito come la differenza tra il lavoro tecnico del tubo e il lavoro svolto dalla pompa.
La valutazione dell'efficienza del ciclo CCP viene effettuata utilizzando i fattori di efficienza del ciclo. Ci sono l'efficienza del ciclo relativo termico e interno. L'efficienza termica di un ciclo è intesa come il rapporto tra il lavoro del ciclo e il calore fornito dalla sorgente superiore. Il lavoro del ciclo è determinato dalla formula (7.17). La fonte di calore superiore in questo caso sono Gas di scarico, ottenuto nel processo di combustione del carburante, o V.E.R. ad alta temperatura.
Calore dalla sorgente superiore al fluido di lavoro ( q 1) viene fornito alla caldaia a vapore nel processo 1-2-3-4. Questo calore è numericamente uguale a:
In questo caso, l'efficienza termica del ciclo PSU può essere scritta come segue:
(7.19)
In pratica, quando si analizza il lavoro dell'alimentatore, viene spesso utilizzata una formula che non tiene conto del lavoro della pompa, a causa della sua piccolezza rispetto al lavoro tecnico del ciclo:
(7.20)
dove Δh è la caduta di calore nella turbina.
Nel ciclo CCS vero e proprio, il processo di espansione adiabatica negli ugelli delle turbine a vapore è irreversibile. L'irreversibilità è associata ad un aumento dell'entropia, quindi il calo di calore reale Δh d meno teorico ∆h. Sulla fig. 22 mostra il calo di calore teorico ed effettivo turbina a vapore nel diagramma h - S.
Riso. 22. Rappresentazione grafica del calo di calore nella turbina sul diagramma h - S.
L'efficienza termica del ciclo reale del CCS è determinata dall'espressione.
Disposizioni generali. Nelle moderne centrali termiche ad alta potenza la conversione del calore in lavoro avviene in cicli in cui il vapore acqueo viene utilizzato come fluido di lavoro principale alta pressione e temperatura. Il vapore acqueo viene prodotto nei generatori di vapore ( caldaie a vapore), nelle fornaci di cui bruciano diversi tipi combustibile organico: carbone, olio combustibile, gas, ecc.
Il ciclo termodinamico di conversione del calore in lavoro mediante vapore acqueo fu proposto a metà del XIX secolo. ingegnere e fisico U. Rankin. di principio schema termico la centrale elettrica operante sul ciclo Rankine è mostrata in fig. 2.1.
Riso. 2.1.
1 - generatore di vapore; 2 - turbina; 3 - generatore elettrico; 4 - condensatore; 5 - pompa
L'acqua viene pompata nel generatore di vapore 1 pompa 5 e, per effetto del calore del combustibile bruciato, si trasforma in vapore acqueo, che entra poi nella turbina 2, che fa ruotare il generatore elettrico 3. Energia termica il vapore viene convertito nella turbina in lavoro meccanico, che a sua volta viene convertita in energia elettrica nel generatore. Il vapore di scarico dalla turbina va al condensatore. 4. Nel condensatore il vapore viene convertito in acqua (condensata) che, con l'ausilio di una pompa, 5 torna al generatore di vapore. Così il ciclo è chiuso.
Sulla fig. 2.2 mostra il ciclo Rankine su vapore surriscaldato in ingresso p, v- e T, 5 diagrammi, costituiti dai seguenti processi:
isobara 4-5-6-] - riscaldamento, evaporazione dell'acqua e surriscaldamento del vapore nel generatore di vapore a causa del calore fornito dalla combustione del combustibile
Riso. 2.2. Ciclo Rankine su vapore surriscaldato: un- in R, grafico a v; b - in T,s-diagramma
adiabat 1-2 - espansione di vapore in turbina con incarico di utile lavoro esterno II;
isobara 2-3 - condensazione del vapore di scarico con rimozione del calore 2 mediante acqua di raffreddamento;
adiabat 3-4 - compressione della condensa da una pompa di alimentazione alla pressione iniziale nel generatore di vapore con il costo del lavoro fornito dall'esterno / n.
Secondo la seconda legge della termodinamica, il lavoro utile per ciclo è uguale alla differenza tra il calore fornito e quello asportato nel ciclo:
L'efficienza termica del ciclo di Rankine è determinata, come di consueto, dall'equazione
Gli studi termodinamici del ciclo Rankine mostrano che la sua efficienza dipende in gran parte dai valori dei parametri del vapore iniziale e finale (pressione e temperatura).
Come notato in precedenza, è conveniente stimare l'energia del vapore (fluido di lavoro) con una variazione del suo stato in base al valore dell'entalpia. Quindi, la quantità di calore fornita nel processo isobarico 4-5-6-1 (vedi Fig. 2.2) durante il riscaldamento, la vaporizzazione e il surriscaldamento dell'acqua (J / kg), qx = / (- io 2, dove io 2- entalpia della condensa fornita alla caldaia. La quantità di calore emessa nel processo isobarico 2-3 quando il vapore si condensa q2 = io 2 - io 2. Lavoro utile svolto nella turbina
L'efficienza termica del ciclo Rankine in questo caso è
La quantità di vapore che deve essere fatta passare attraverso la turbina per ottenere 1 kWh (3600 J) di energia, cioè teorico consumo specifico coppia
Quindi il consumo totale di vapore alla potenza N(kW) può essere determinato dalla formula
Lo studio delle espressioni (2.1) e (2.2) mostra che u aumenta, a d diminuisce con un aumento di / e una diminuzione di / 2, ad es. con un aumento dei parametri iniziali del vapore px e /, e un calo in finale p 2 e t2. I parametri finali del vapore sono interconnessi, poiché il vapore in questa zona è umido, quindi ridurli si riduce a ridurli p 2 , cioè la pressione nel condensatore.
L'aumento di /, è limitato dalla resistenza al calore dei materiali, l'aumento di q, - dal grado consentito di umidità del vapore alla fine dell'espansione. alta umidità (X> 0,80...0,86) provoca l'erosione delle parti della turbina.
Attualmente, i seguenti parametri del vapore sono utilizzati principalmente nelle centrali elettriche: d, \u003d 23,5 MPa (240 kgf / cm 2) e tx= 565 °С. I parametri supercritici sono utilizzati anche negli impianti pilota: px\u003d 29,4 MPa (300 kgf / cm 2) e / | = 600...650°С.
La caduta di pressione nel condensatore è inferiore al valore p 2\u003d 3,5 ... 4 kPa (0,035 ... 0,040 kgf / m 2), che corrisponde alla temperatura di saturazione 1 2 = 26,2...28,6°C, limitato principalmente dalla temperatura dell'acqua di raffreddamento / liquido di raffreddamento, che oscilla a seconda condizioni climatiche da 0 a 30 °С. Con una piccola differenza 1 2 - / freddo, l'intensità del trasferimento di calore diminuisce e le dimensioni del condensatore crescono. Inoltre, con una diminuzione p 2 il volume specifico di vapore aumenta, il che porta ad un aumento delle dimensioni del condensatore, così come gli ultimi stadi della turbina. Sulla fig. 2.3 e 2.4 mostrano graficamente la natura dell'influenza dell'aumento q, e / | e downgrade r r per l'efficienza termica.
ciclo rigenerativo. Per aumentare l'efficienza degli impianti di turbine a vapore, oltre ad aumentare i parametri del vapore, viene utilizzato il cosiddetto ciclo rigenerativo, in cui l'acqua di alimentazione viene preriscaldata dal vapore prelevato dagli stadi intermedi della turbina a vapore prima che entri nel gruppo caldaia. Sulla fig. 2.5 mostra un diagramma schematico di una centrale a vapore con riscaldamento rigenerativo dell'acqua di alimentazione, dove a. |, un 2 e 3 - frazioni di vapore prelevato dalla turbina. L'immagine nel diagramma Г, 5 è condizionale, poiché la quantità di vapore (fluido di lavoro) varia lungo la lunghezza del percorso del flusso della turbina e il diagramma è costruito per una quantità costante.
Riso. 2.3.
Va notato che poiché il calore del vapore estratto, compreso il calore di vaporizzazione, viene trasferito all'acqua di alimentazione, e solo una parte del calore del vapore, escluso il calore di vaporizzazione, viene utilizzata nella produzione di lavoro , la perdita di lavoro a seguito di estrazioni sarà molto inferiore all'aumento dell'entalpia dell'acqua di alimentazione. Pertanto, in generale, l'efficienza del ciclo aumenta. Tuttavia, aumenterà anche il consumo specifico di vapore, poiché la parte selezionata del vapore non è completamente coinvolta nell'esecuzione del lavoro e per ottenere una determinata potenza è necessario aumentarne il consumo. È vero, questa circostanza facilita la progettazione degli ultimi stadi delle turbine, consentendo di ridurre la lunghezza delle loro pale.
L'uso del riscaldamento rigenerativo consente, se necessario, di escludere l'economizzatore per il riscaldamento dell'acqua di alimentazione con i gas di scarico, utilizzando il calore dei gas di scarico per riscaldare l'aria che entra nel forno.
Riso. 2.4. Effetto della riduzione della pressione nel condensatore sull'umidità del vapore a fine espansione (un) ed economia del ciclo Rankine ( b)
Riso. 2.5.
un- schema di installazione: 1 - caldaia; 2 - surriscaldatore; 3 - turbina a vapore con prelievi intermedi di vapore; 4 - generatore elettrico; 5 - riscaldatori rigenerativi; 6 - pompe; 7 - condensatore; 6 - immagine (condizionale) del processo in Ã,5-coordinate: /...7-punti del diagramma
L'aumento dell'efficienza quando si utilizza la rigenerazione è
10...15%. Allo stesso tempo, il risparmio di calore nel ciclo aumenta all'aumentare della pressione iniziale del vapore rx. Ciò è dovuto al fatto che con l'aumento px il punto di ebollizione dell'acqua aumenta e, di conseguenza, aumenta la quantità di calore che può essere portata all'acqua quando viene riscaldata dal vapore selezionato. Attualmente, il riscaldamento rigenerativo è utilizzato in tutte le grandi centrali elettriche.
Ciclo con surriscaldamento intermedio (secondario) del vapore. Dall'analisi del ciclo rigenerativo risulta che quando si utilizza vapore ad alta pressione, il suo contenuto di umidità nella turbina al termine del processo di espansione diventa significativo anche ad una temperatura iniziale molto elevata. Nel frattempo, il funzionamento delle turbine a vapore umido è inaccettabile, poiché provoca un aumento delle perdite e dell'usura (erosione) delle pale delle turbine a causa di impatto meccanico particelle di umidità su di essi.
Quando si utilizza vapore ad alta pressione, l'aumento della sua temperatura iniziale a valori accettabili per ragioni di resistenza del metallo del surriscaldatore e della turbina a vapore potrebbe non essere sufficiente per garantire un'umidità del vapore accettabile al termine del processo di espansione nella turbina. Pertanto, il vapore in una fase di espansione deve essere rimosso dalla turbina e riscaldato nuovamente in uno speciale surriscaldatore, dopodiché vapore surriscaldato viene reintrodotto nella turbina, dove termina il processo della sua espansione. Di conseguenza, quando il vapore finalmente si espande alle pressioni accettate nella pratica, il suo contenuto di umidità non supera i valori consentiti.
Gli impianti con turbina a vapore che utilizzano questo metodo sono chiamati impianti con riscaldare coppia. In giusta scelta la pressione di estrazione del vapore per il suo riscaldamento e la temperatura di riscaldamento non solo impedisce un'eccessiva umidificazione del vapore alla fine
Riso. 2.6. Surriscaldamento intermedio del vapore nel ciclo Rskin: un- schema di installazione: 1 - caldaia; 2 - surriscaldatore; 3 - turbina; 4 - generatore elettrico; 5 - surriscaldatore intermedio (secondario); 6 - condensatore; 7 - pompa (nutrizionale); b- immagine di processo in T,s- e /,3- coordinate: 1...5- punti del grafico
processo di espansione, ma si ottiene anche un certo aumento dell'efficienza termica dell'impianto.
L'uso di un surriscaldamento intermedio del vapore porta ad un aumento dell'efficienza termica dell'installazione del 2 ... 3%. Lo schema di una centrale a vapore con riscaldamento intermedio a vapore è mostrato in fig. 2.6.
Riso. 2.7. Schema dell'impianto di riscaldamento più semplice: / - caldaia; 2- surriscaldatore; 3 - turbina; 4 - condensatore; 5- impianto di riscaldamento; 6 e 7 - pompe
ciclo di riscaldamento. Nei casi in cui consumano aree adiacenti alle centrali termiche un gran numero di calore, è consigliabile utilizzare un metodo combinato di generazione di calore ed elettricità, piuttosto che fornire separatamente a queste aree il calore di apposite caldaie e l'elettricità da centrali a condensazione. Gli impianti che servono per la generazione combinata di calore ed elettricità sono chiamati centrali elettriche combinate (CHP). Funzionano secondo il cosiddetto ciclo di riscaldamento.
Lo schema più semplice dell'impianto di riscaldamento è mostrato in fig. 2.7 con gli elementi principali della centrale a vapore. Il numero 5 indica un consumatore di calore (ad esempio un impianto di riscaldamento). Acqua di raffreddamento azionata da pompa 6 circola in un circuito chiuso, che include un consumatore di calore. La temperatura dell'acqua all'uscita del condensatore è leggermente inferiore alla temperatura della condensa / n, ma sufficientemente alta per il riscaldamento dell'ambiente.
Condensare a temperatura t H viene prelevata dalla pompa 7 e dopo la compressione viene fornita alla caldaia 1. L'acqua di raffreddamento viene riscaldata dal calore del vapore condensante e sotto la pressione generata dalla pompa 6, entra nell'impianto di riscaldamento 5. In esso, l'acqua riscaldata emette calore ambiente, fornendo temperatura richiesta locali. Dopo essere partito sistema di riscaldamento L'acqua raffreddata entra nuovamente nel condensatore e viene nuovamente riscaldata dal vapore proveniente dalla turbina.
Se c'è un consumo più o meno permanente di vapore di produzione, viene utilizzata una turbina funzionante in contropressione senza condensatore.
Negli impianti di riscaldamento, il cui ciclo è mostrato in Fig. 2.8 un, vengono utilizzate tre tipologie di turbine: con contropressione p 2 = 1.2... 12 bar (Fig. 2.8, b); vuoto degradato / ^ = 0,5 ... 0,9 bar (Fig. 2.8, in) ed estrazioni di vapore controllate (Fig. 2.8, G).
Turbine a contropressione sono relativamente semplici, di piccole dimensioni ed economici, ma usati raramente, poiché la quantità di elettricità generata con il loro aiuto non dipende dalle utenze elettriche, ma termiche, che sono molto instabili.
Turbine con vuoto degradato in assenza di utenze termiche possono lavorare con espansione di vapore in vuoto profondo, come quelle a condensazione, ma la loro produzione di energia elettrica dipende anche dal consumo di calore.
Turbine ad estrazione controllata non presentano questi inconvenienti, consentono di cambiare liberamente l'impianto elettrico e carico termico, cioè. lavorare con orari flessibili. Sono utilizzati principalmente nelle centrali termoelettriche. Sulla fig. 2.8 G viene mostrato uno schema di tale installazione con un'estrazione di vapore regolabile a una temperatura di 6 (a seconda delle esigenze di elettricità e calore), che viene installata tramite una valvola 12, situato sulla linea tra gli stadi alti della turbina 11 e basso 13 pressione.
Riso. 2.8. Ciclo di riscaldamento (un) e tre tipi di installazione: con contropressione (b), vuoto degradato (c) e selezioni controllate
/... 10 - punti del diagramma; II- parte della turbina ad alta pressione; 12 - regolatore della quantità di vapore selezionata; 13 - parte della turbina bassa pressione
Ciclo di riscaldamento in T, s- lo schema è mostrato in fig. 2.9. L'area del contorno delimitata da linee spesse corrisponde al calore q no ", convertito in lavoro meccanico nella turbina. L'area situata sotto il contorno specificato e corrispondente alla quantità di calore q2, portato via dall'acqua di raffreddamento, in questo caso teorico non viene sprecata inutilmente, ma viene utilizzata per il riscaldamento. In questo modo, totale l'uso utile del calore è costituito dal pavimento e q 2 ?
Riso. 2.9. Immagine del ciclo di riscaldamento in T, diagramma h
L'efficienza termica del ciclo di riscaldamento è inferiore all'efficienza termica del corrispondente ciclo di condensazione, in cui il vapore si espande nella turbina ad una pressione molto bassa (/> 2 = 3 ... 5 kPa), producendo lavoro utile, e si trasforma in condensa nel refrigeratore, e il calore da esso prelevato nel condensatore viene completamente perso con l'acqua di raffreddamento. Ciò è spiegato dal fatto che nel ciclo di riscaldamento la pressione finale del vapore p 2 supera significativamente la pressione usuale nel condensatore di una turbina a vapore operante nel ciclo di condensazione. aumento di pressione p 2 , come si può vedere dal diagramma Г,5 (vedi Fig. 2.9), corrisponde una riduzione della quantità di calore q no ", utilizzato in una turbina a vapore (riducendo l'area 1-2-3-4-5), e un aumento di calore q2, portato via dall'acqua di raffreddamento (aumentando l'area 1-5-4"-G), e alla fine - una diminuzione di Hz.
Per quanto riguarda il ciclo di riscaldamento, la sua efficienza termica non può fungere da misura a tutti gli effetti dell'efficienza, poiché non tiene conto uso benefico il consumatore di quella parte di calore che non si trasforma in lavoro, cioè calore q2.
Pertanto, per valutare l'efficienza dei cicli di riscaldamento si utilizza il cosiddetto coefficiente di utilizzo del calore, che è il rapporto tra la quantità totale di calore utilmente utilizzato (cioè la somma del calore convertito in lavoro e pari a q n0 ", e calore utilizzato dal consumatore senza che si trasformi in lavoro, pari a q2), alla quantità totale di calore fornita al fluido di lavoro:
Teoricamente, perché qt= P0L + q2, questo rapporto uguale a uno. In pratica, il suo valore varia da 0,65 a 0,7.
Ciò suggerisce che nel ciclo di riscaldamento il grado uso di calore quasi il doppio rispetto a un ciclo di pura condensazione. Pertanto, il metodo combinato di generazione di calore ed energia elettrica è significativo modo più economico loro produzione separata.
