Centrale a vapore(PSU) è un complesso di apparecchiature elettriche in cui il vapore acqueo viene utilizzato come fluido di lavoro. Sono noti vari cicli di PSU, tra cui il ciclo di Carnot, che, come mostrato nel Cap. 4, la più alta efficienza termica di tutti i cicli possibili in un dato intervallo di temperatura. Il vantaggio del vapore acqueo sta proprio nel fatto che durante il processo di vaporizzazione, il calore può essergli fornito lungo l'isoterma e il calore può anche essere rimosso lungo l'isoterma durante la condensazione. Se i processi di fornitura del calore non sono associati a trasformazioni di fase, è tecnicamente molto difficile eseguirli rigorosamente a temperature costanti. Si può sostenere che tecnicamente il ciclo di Carnot è possibile solo nella regione del vapore umido.

Per fare ciò, il liquido, che si trova in uno stato di saturazione (punto 7, Fig. 8.1), deve essere inviato al generatore di vapore, in cui gli viene fornito calore, ad esempio, dai prodotti della combustione di combustibile organico o rilasciato durante una reazione nucleare. Nell'area del vapore umido, l'isoterma e l'isobare coincidono, quindi il processo di ebollizione essenzialmente isobarico nel generatore di vapore avviene a temperatura costante. Dal generatore di vapore, vapore saturo secco (es. 2) inviato per espansione adiabatica alla pressione del condensatore

Riso. 8.1.

(t. 3 ) in un motore a vapore - un motore a vapore alternativo o una turbina a vapore. Nel condensatore, il calore viene rimosso dal vapore di scarico a pressione e temperatura costanti e il vapore condensa, ma non completamente (cioè, 4). Condensatore - si tratta di uno scambiatore di calore in cui la cosiddetta acqua circolante si muove attraverso numerosi tubi di piccolo diametro, che sottrae il calore sprigionato dal vapore durante la condensazione sulla superficie esterna dei tubi. Il vapore umido dopo che il condensatore entra nel compressore alternativo a vapore o a palette e viene compresso adiabaticamente allo stato di acqua satura nel cosiddetto. 1.

Efficienza termica del ciclo di Carnot nella regione del vapore umido

Questa efficienza ha il valore più alto possibile per tutti i cicli eseguiti nell'intervallo di temperatura T ( _ 2 e G 3 _ 4 .

Sfortunatamente, il rapporto non può essere ridotto arbitrariamente

modo per aumentare l'efficienza. Per il vapore acqueo, il limite naturale per T ( _ 2è un Tcr = 647 K, e per la temperatura di condensazione, il limite inferiore è la temperatura ambiente in cui è necessario rimuovere il calore, - G 3 _ 4\u003e 300 K. Pertanto,

L'effettiva efficienza effettiva del ciclo considerato risulterà notevolmente inferiore, poiché l'espansione e, soprattutto, la compressione del vapore umido sono accompagnate da grandi perdite di energia. Inoltre una macchina per la compressione adiabatica di vapore umido, che deve funzionare prima come compressore, comprimendo vapore con un grado di secchezza relativamente elevato, e poi come pompa, deve essere troppo complicata e non può essere affidabile ed economica.

Va notato che l'uso di temperature 7\_ 2 vicino T kr, porta ad una diminuzione del lavoro utile prodotto da 1 kg di vapore nel ciclo. Per verificarlo è sufficiente confrontare le aree 1-2-3-4 e G-2"-3"-4" in fig. 8.1.

Le note carenze del ciclo di Carnot sono organicamente inerenti ad esso e ne ostacolano l'uso pratico. Allo stesso tempo, piccoli miglioramenti al ciclo considerato, proposti da William John McWorn Rankine (1820-1872), lo trasformano in un ciclo con l'aiuto del quale più dell'80% di tutta l'elettricità prodotta sulla Terra viene generata a livello termico e nucleare centrali elettriche.

Efficienza del ciclo termico

Se non teniamo conto del trascurabile aumento della temperatura durante la compressione adiabatica dell'acqua nella pompa, allora

dove è l'entalpia dell'acqua bollente a pressione R 2.

Figura 8.9 - Ciclo Rankine su vapore surriscaldato:

un- in p,v- diagramma; b- in T,s-diagramma

Figura 8.10 - Ciclo Rankine in h,s-diagramma

Dalla formula si evince che l'efficienza del ciclo Rankine ideale è determinata dai valori delle entalpie del vapore prima e dopo la turbina e dall'entalpia dell'acqua , alla temperatura di ebollizione, a loro volta questi valori sono determinati da tre parametri di ciclo: pressione e temperatura del vapore davanti alla turbina e pressione R 2 dietro la turbina, cioè nel condensatore.

Infatti, conoscendo e trovando facilmente la posizione del punto 1 in h, s-diagramma e trova l'entalpia. Intersezione di un adiabat tracciata da un punto 1 , con isobar definisce la posizione di un punto 2, cioè entalpia. Infine, l'entalpia dell'acqua bollente a pressione p 2 , dipende da questa pressione

Il surriscaldamento del vapore aumenta la temperatura media di immissione del calore nel ciclo senza modificare la temperatura di rimozione del calore. Pertanto, l'efficienza termica di una centrale a vapore aumenta con l'aumento della temperatura del vapore davanti al motore. Ad esempio, di seguito è riportata la dipendenza da pressioni assolute = 9,8 MPa e R 2 = 3,9 kPa:

Con un aumento della pressione del vapore davanti alla turbina a costante e R 2 incrementi di lavoro utile del ciclo, cioè . Allo stesso tempo, la quantità di calore fornita per ciclo è leggermente ridotta a causa di una diminuzione dell'entalpia del vapore surriscaldato . Pertanto, maggiore è la pressione, maggiore è l'efficienza del ciclo Rankine ideale.

Figura 8.11 - Influenza della pressione del vapore surriscaldato sui parametri del ciclo Rankine

La Figura 8.11 mostra che una maggiore pressione davanti alla turbina corrisponde ad una maggiore umidità del vapore in uscita. Quando il vapore surriscaldato esce dalla turbina; quando risulta essere già leggermente umido, e quando il suo grado di secchezza è molto inferiore all'unità. Il contenuto di goccioline d'acqua nel vapore aumenta le perdite per attrito nel percorso del flusso della turbina. Pertanto, contemporaneamente ad un aumento della pressione del vapore dietro la caldaia a vapore, è necessario aumentare la temperatura del suo surriscaldamento per mantenere l'umidità del vapore in uscita dalla turbina entro i limiti specificati.

Allo stesso scopo, il vapore, parzialmente espanso nella turbina, viene restituito alla caldaia e nuovamente surriscaldato (già a pressione più bassa), effettuando il cosiddetto riscaldamento secondario (e talvolta terziario). Allo stesso tempo, ciò aumenta l'efficienza termica del ciclo.

Le turbine delle centrali nucleari funzionanti a vapore saturo sono appositamente progettate per rimuovere l'acqua rilasciata durante la condensazione.

L'aumento dei parametri del vapore è determinato dal livello di sviluppo della metallurgia, lasciando metalli per caldaie e turbine. Ottenere vapore con una temperatura di 535-565 ° C è diventato possibile solo grazie all'uso di acciai bassolegati, da cui sono realizzati i surriscaldatori e le parti calde delle turbine. Il passaggio a parametri più elevati (580-650 °C) richiede l'uso di costosi acciai altolegati (austenitici).

Quando la pressione diminuisce p 2 vapore dopo la turbina, la temperatura media di rimozione del calore nel ciclo diminuisce e la temperatura media di mandata del calore cambia poco. Pertanto, minore è la pressione del vapore dietro la turbina, maggiore è l'efficienza della centrale a vapore.

La pressione dietro la turbina, uguale alla pressione del vapore nel condensatore, è determinata dalla temperatura dell'acqua di raffreddamento. Se la temperatura media annuale dell'acqua di raffreddamento all'ingresso del condensatore è di circa 10-15 °C, allora il condensatore viene riscaldato a 20-25 °C. Il vapore può condensare solo se è assicurata la rimozione del calore rilasciato, e per questo è necessario che la temperatura del vapore nel condensatore sia almeno 5-10°C superiore alla temperatura dell'acqua di raffreddamento. Pertanto, la temperatura del vapore saturo nel condensatore è solitamente di 25-35 ° C e la pressione assoluta di questo vapore p 2 rispettivamente 3-5 kPa. Aumentare l'efficienza del ciclo riducendo ulteriormente p 2 praticamente impossibile per la mancanza di refrigeratori naturali a temperatura più bassa.

Fornitura di calore.È possibile, tuttavia, migliorare l'efficienza di una centrale a vapore aumentando, anziché diminuendo, la pressione e la temperatura a valle della turbina in misura tale che il calore di scarto (che è più della metà del calore totale consumato in ciclo) possono essere utilizzati per il riscaldamento, la fornitura di acqua calda e vari processi tecnologici (Fig. 6.12). A tale scopo, l'acqua di raffreddamento riscaldata nel condensatore A, non viene gettato nel serbatoio, come in un ciclo di pura condensazione, ma viene azionato attraverso i dispositivi di riscaldamento del consumatore di calore TP e, raffreddandosi in esse, sprigiona il calore ricevuto nel condensatore. Di conseguenza, una stazione che opera secondo un tale schema genera simultaneamente sia energia elettrica che calore. Tale impianto è chiamato centrale termica ed elettrica combinata (CHP).

Figura 8.12 - Schema dell'impianto per la produzione congiunta di calore ed elettricità: PC.- caldaia a vapore; T- turbina a vapore; A- condensatore-riscaldatore; H- pompa; TP- consumatore di calore. I numeri corrispondono ai punti del ciclo in T,s diagramma

L'acqua di raffreddamento può essere utilizzata per il riscaldamento solo se la sua temperatura non è inferiore a 70-100 °C. Temperatura del vapore nel condensatore (riscaldatore) A dovrebbe essere almeno 10-15 °C in più. Nella maggior parte dei casi, risulta essere superiore a 100 ° C e la pressione del vapore di saturazione a questa temperatura è superiore a quella atmosferica. Pertanto, le turbine che funzionano secondo questo schema sono chiamate turbine a contropressione.

Quindi, la pressione dietro la turbina con contropressione di solito non è inferiore a 0,1-0,15 MPa invece di circa 4 kPa dietro la turbina di condensazione, il che, ovviamente, porta a una diminuzione del lavoro di vapore nella turbina e un corrispondente aumento della quantità di calore di scarto. Questo si vede in fig. , dove viene utilizzato il calore utile2"-3"-4"-5-6, e con contropressione - area 1-2-3-4-5-6. Quadrato 2-2"-3"-4 dà una diminuzione del lavoro utile a causa di un aumento della pressione dietro la turbina con p 1 prima r 2 .

L'efficienza termica di un impianto con contropressione è inferiore a quella di un impianto a condensazione, ovvero una parte minore del calore del combustibile viene convertita in elettricità. D'altra parte, il grado complessivo di utilizzo di questo calore diventa molto maggiore che in un'unità a condensazione. In un ciclo ideale con contropressione, il calore speso nel gruppo caldaia per produrre vapore (area 1-7-8-4-5-6), pienamente utilizzato dai consumatori. Parte di esso (zona 1-2-4-5-6) viene convertito in energia meccanica o elettrica e parte (area 2-7-8-4) viene fornito al consumatore di calore sotto forma di calore da vapore o acqua calda.

Quando si installa una turbina a contropressione, ogni chilogrammo di vapore fa un lavoro utile. e fornisce al consumatore di calore la quantità di calore . Capacità dell'impianto di produzione di energia e il suo potere termico proporzionale al consumo di vapore D cioè, strettamente accoppiato. Questo è in pratica scomodo, perché le curve di domanda di elettricità e calore non coincidono quasi mai.

Per sbarazzarsi di una connessione così rigida, le turbine con selezione intermedia controllata paio. Tale turbina è composta da due parti: una parte ad alta pressione (HPP), in cui il vapore si espande da pressione a pressione p da6, necessario per il consumatore di calore, e la parte a bassa pressione (LPP), dove il vapore si espande fino a raggiungere la pressione R 2 nel condensatore. Tutto il vapore prodotto dalla caldaia passa attraverso il CVP. Parte di esso (a pressione p da6) viene prelevato e fornito al consumatore di calore. Il resto del vapore in quantità passa attraverso l'LPC al condensatore A. Regolando il rapporto tra e , è possibile modificare indipendentemente sia i carichi termici che elettrici della turbina con estrazione intermedia, il che spiega il loro diffuso utilizzo negli impianti termoelettrici. Se necessario sono previste due o più estrazioni controllate con parametri di vapore differenti. Oltre a regolabile, ogni turbina ne ha molti di più selezioni non regolamentate vapore utilizzato per il riscaldamento rigenerativo dell'acqua di alimentazione, che aumenta notevolmente l'efficienza termica del ciclo.

Una sorta di “cogenerazione” può essere realizzata anche in stazioni prettamente condensanti, dove l'acqua di raffreddamento dei condensatori viene utilizzata, ad esempio, per riscaldare piscine o bacini idrici dove vengono allevati artificialmente i pesci. Il calore di scarto può essere utilizzato per riscaldare serre, serre, ecc. Naturalmente, la quantità di calore richiesta nell'area CHPP per questi scopi è molto inferiore alla quantità totale di calore di scarto, ma, tuttavia, tale utilizzo di esso è un elemento della tecnologia senza sprechi: la tecnologia del futuro.

Figura 8.13 - Ciclo di riscaldamento in T,s-diagramma

Figura 8.14 - Installazione di una turbina ad estrazione di vapore variabile

Nonostante le grandi perdite di energia durante il trasferimento di calore dai prodotti della combustione al vapore, l'efficienza delle centrali a vapore è mediamente superiore a quella delle turbine a gas e si avvicina all'efficienza dei motori a combustione interna, principalmente per il buon utilizzo delle esercizio di vapore. (Come indicato sopra, la sua temperatura all'uscita della turbina di condensazione è di 28-30 °C.) D'altra parte, il grande calo di calore disponibile nella turbina e il relativo consumo specifico di vapore relativamente basso per la generazione di 1 kW rendono possibile per creare turbine a vapore per una potenza colossale - fino a 1200 MW in un'unica unità! Pertanto, le centrali a vapore regnano sovrane sia nelle centrali termiche che in quelle nucleari. Le turbine a vapore vengono utilizzate anche per azionare i turboventilatori (in particolare, nella produzione di altiforni). Lo svantaggio degli impianti a turbina a vapore sono gli elevati costi di metallo associati principalmente alla grande massa della caldaia. Pertanto, non vengono praticamente utilizzati nei trasporti e non sono realizzati a bassa potenza.

Come sapete, una macchina termica funzionante secondo il ciclo di Carnot ha la più alta efficienza di conversione energetica, cioè la sua efficienza termica è la più alta possibile. L'efficienza termica del ciclo di Carnot dipende solo dalle temperature del dissipatore Ti e del dissipatore T2 ed è completamente indipendente dalla natura del fluido di lavoro. Pertanto, questo ciclo può essere considerato un ciclo ideale anche per una centrale a vapore. Come sapete, il ciclo di Carnot comprende i seguenti processi:

Processo di espansione isotermica con contemporanea fornitura di energia termica Qi;

Processo di espansione adiabatico;

Processo di compressione isotermica con contemporanea sottrazione di energia termica Q2]

processo di compressione adiabatica.

Sulla fig. 11.3 mostra il diagramma indicatore del ciclo di una centrale a vapore funzionante secondo il ciclo di Carnot. Acqua a pressione pi e temperatura T8 1 arriva a (punto 0 ). Il grado di secchezza del vapore nel punto 0 è uguale a X= 0. Punto 0 è sulla curva di confine del liquido. In occasione 0-1 a pressione costante R\ = Idem(processo isobarico) l'energia viene fornita all'acqua qi in forma termica. Linea 0-1 è sia un'isobara che un'isoterma. Al punto 1, il processo isobarico-isotermico di fornitura di energia termica termina quando il vapore diventa saturo secco. Il grado di secchezza del vapore al punto 1 è uguale a x = 1. Il punto 1 si trova sulla curva limite del vapore. Così il processo 0-1 fornitura di energia termica è isotermico, come nel ciclo di Carnot.

Processi 1-2 riflette l'espansione adiabatica (senza scambio di calore con l'ambiente) del fluido di lavoro nel motore a vapore (motore). Qui si osserva anche la condizione del ciclo di Carnot (espansione adiabatica). In un processo adiabatico 1-2 la pressione del vapore diminuisce da pi a ft.

Dopo la macchina a vapore, il vapore entra nel condensatore (punto 2). L'energia viene rimossa nel condensatore Q2 dal fluido di lavoro (raffreddamento) a pressione costante R2 -Idem(processo isobarico 2-3). Isobara 2-3 È anche un'isoterma al punto di ebollizione del liquido T9 2 pressione corrispondente p2 = Idem. Una volta raffreddato, il volume specifico del vapore acqueo diminuisce. Al punto 3 termina il processo isobarico-isotermico di rimozione dell'energia termica dal fluido di lavoro. Il punto 3 (la fine del processo) è scelto in modo che nel processo di compressione adiabatica del vapore umido, il processo termini al punto 0, corrispondente allo stato iniziale del fluido di lavoro nel ciclo.

Pertanto, mostrato in Fig. 11.3 ciclo 0-1-2-3-0 è costituito da due isoterme ( 0-1 e 2-3) e due adiabati ( 1-2 e 3-0).

Su rns. 11.3 si può notare che il punto 3 si trova nella regione del vapore saturo umido. Ciò significa che nel processo 2-3 c'è una condensazione incompleta del vapore acqueo che entra nel condensatore dal motore termico. Di conseguenza, nel condensatore (KN) (Fig. 11.1) si forma una miscela di vapore e liquido (acqua). All'uscita dal condensatore, questa miscela viene inviata al compressore, dove, per effetto di un aumento della pressione da P2D0 px, la temperatura sale anche da Ta2 prima T8 1, e il fluido di lavoro ritorna al suo stato originale (punto 0). Sulla fig. 11.4 mostra il diagramma di flusso termico (entropia) del ciclo di Carnot alimentato a vapore.

Se l'erogazione di energia termica al liquido termina al punto 1' (Figure 11.3 e 11.4), il vapore non diventerà saturo secco (rimarrà saturo umido). Quindi l'espansione del vapore nella macchina termica seguirà l'adiabatica v-2\ e l'intero ciclo sarà rappresentato da linee 0-1'-2'-3-0.

Rm3 ▼ Z2

Per implementare il ciclo di Carnot in una centrale a vapore è necessario rispettare una condizione: l'intero ciclo deve essere eseguito nella regione del vapore saturo (non si può oltrepassare la linea x = 1 a destra). L'area situata a destra della linea x = 1 è l'area del vapore surriscaldato. Se nella regione del vapore surriscaldato (a destra della riga x = 1) viene fornita energia termica al fluido di lavoro a permanente pressione (pi = Idem), quindi la temperatura del fluido di lavoro aumenterà. Tale processo sarà isobarico, ma non isotermico, come dovrebbe essere nel ciclo di Carnot. Tale ciclo non soddisferà le condizioni del ciclo di Carnot.

Sulla base della dipendenza (8.50), applicata al ciclo vapore-potenza considerato, scriviamo:

w Gi -g 2 G1-G2 (ll AL

TOC \o "1-3" \h \z % = - = -- = -7r- (I-4)

Dall'espressione (11.4) abbiamo:

Tg-T2

^ = (I.5)

In cui si w - lavoro specifico svolto dal vapore in una macchina a vapore (motore).

La temperatura del liquido nella caldaia è uguale al punto di ebollizione Ta 1 corrispondente alla pressione pi. Ciò significa che tutta l'energia termica fornita al liquido nella caldaia viene spesa solo per aumentare il contenuto di vapore da x = 0 (curva di confine del liquido) a x = 1 (curva di confine del vapore). Pertanto, nel processo 0-1 (Fig. 11.3) la vaporizzazione consumerà la seguente quantità di energia in forma termica:

9i=xm, (11.6)

In cui si X- il grado di secchezza del vapore, determinato dalla formula (6.1); r è il calore specifico di vaporizzazione.

Sulla curva di confine del liquido, il grado di secchezza del vapore è zero (x = 0). Sulla curva di confine, la coppia x \u003d 1, e quindi l'espressione (12.6) per questo caso assume la forma:

Combinando le espressioni (11.5) e (11.6"), otteniamo:

Ti-T2 GkJT §ll

Insieme all'efficienza termica τ^, una caratteristica importante del ciclo elettrico del vapore è il consumo specifico di vapore DQ, determinato dalla formula:

fare = H = X^ fr— T,) *(1L8)

Dalle equazioni (11.7) e (11.8) si evince che il consumo specifico di vapore nel ciclo vapore, effettuato secondo il ciclo di Carnot a temperature costanti 7\ e T2, dipende solo dal contenuto di vapore X\. Maggiore è il contenuto di vapore Xi, maggiore è il lavoro specifico w produce vapore in una macchina a vapore in determinate condizioni e minore è il consumo specifico di vapore DQ. I valori più alti del lavoro specifico w e i valori più bassi del consumo specifico di vapore DQ avverrà in x = 1.

Lasciare asciugare il vapore saturo con una pressione di 1 MPa per completare il ciclo di Carnot in una centrale a vapore ideale. È necessario determinare il lavoro specifico del vapore nel ciclo e l'efficienza termica se la pressione nel condensatore è 10 kPa.

Per risolvere il problema, è necessario utilizzare i dati forniti nell'Appendice 1. "Dipendenza dei parametri del vapore acqueo saturo dalla pressione". Ad una pressione di 1 MPa, il liquido bolle ad una temperatura pari a T 8 1 = 179,88°С, e ad una pressione di YukPa -ie2 = 45,84°С. Quindi, in accordo con l'espressione (11.4), possiamo scrivere:

^ _ (1.1+ +273.15) _0 R6| M11 29,6%.

Dall'Appendice 1 troviamo che a pi = 1 MPa, g = 2015 kJ/kg. Dall'espressione (11.7) abbiamo:

Gx-Gs GkJ]

L=x1-rT^ = Xr-r-rit J.

Poiché il vapore è secco e saturo, X\ \u003d 1, e quindi l'ultima espressione assume la forma:

w = R R) T = 2015 0.296 « 596 .

Ne consegue che l'attuazione del ciclo di Carnot in una centrale a vapore, quando il fluido di lavoro è vapore umido, è del tutto possibile. Poiché la temperatura critica dell'acqua è relativamente piccola (374°C), ciò corrisponde al punto A in fig. 11.3, allora anche l'intervallo di temperatura in cui è possibile effettuare il ciclo di Carnot in una centrale a vapore è piccolo. Se la temperatura inferiore è assunta pari a 25°C e la temperatura superiore non è superiore a 340 ... 350°C, il valore massimo dell'efficienza termica del ciclo di Carnot in questo caso sarà pari a:

Quando si implementa il ciclo di Carnot in una centrale a vapore, la temperatura massima del vapore umido non può essere scelta arbitrariamente, poiché il limite superiore è limitato dal valore 7\ = 374°C (punto A; Riso. 11.3). Mentre ci avviciniamo al punto critico A(Fig. 11.3) la lunghezza del tratto isobarico-isotermico 0-1 diminuisce, e al punto A scompare del tutto.

Maggiore è la temperatura del fluido di lavoro nel ciclo, maggiore è l'efficienza di questo ciclo. Ma non è possibile aumentare la temperatura del fluido di lavoro oltre i 340...350°C in una centrale a vapore operante secondo il ciclo di Carnot, il che limita l'efficienza di tale impianto.

Sebbene l'efficienza termica di una centrale a vapore operante secondo il ciclo di Carnot sia relativamente elevata, tenendo conto delle condizioni operative delle apparecchiature termoelettriche, quasi non ha ricevuto attuazione pratica. Ciò è dovuto al fatto che quando si lavora su vapore umido, che è un flusso di vapore saturo secco con goccioline d'acqua sospese al suo interno, le condizioni operative delle parti di flusso delle turbine a vapore (motori a vapore alternativi) e dei compressori risultano difficili , il flusso risulta essere dinamicamente imperfetto e l'efficienza relativa interna t ^ di queste macchine è ridotta.

Di conseguenza, l'efficienza assoluta interna del ciclo

Rii = VfVoi (119)

Risulta essere relativamente piccolo.

È anche importante che un compressore per la compressione di vapore umido con basse pressioni e grandi volumi specifici sia una struttura molto ingombrante che non è conveniente per il funzionamento. Allo stesso tempo, molta energia viene spesa per l'azionamento del compressore. Quasi il 55% dell'energia meccanica ricevuta nel ciclo di alimentazione a vapore viene riutilizzata per l'azionamento del compressore.

L'efficienza del ciclo Rankine, anche in installazioni con parametri di vapore elevati, non supera il 50%. Nelle installazioni reali, per la presenza di perdite interne alla turbina, il valore di efficienza è ancora più basso.

Le entalpie nell'espressione (9) sono influenzate da tre parametri del fluido di lavoro: la pressione iniziale R 1 e temperatura iniziale T 1 vapore surriscaldato in ingresso turbina e pressione finale R 2 all'uscita della turbina. Ciò comporta un aumento del calo di calore e, di conseguenza, un aumento del lavoro specifico e dell'efficienza del ciclo.

Oltre a modificare i parametri del vapore, è possibile aumentare l'efficienza delle centrali a vapore complicando gli schemi dell'impianto stesso.

Sulla base di quanto sopra, vengono rivelati i seguenti modi per aumentare l'efficienza termica.

1. Aumento della pressione iniziale p 1 con parametri invariati T 1 e R 2 (Fig. 15, un). Il diagramma mostra i cicli Rankine alle pressioni massime R 1 e R 1a > R uno . Un confronto di questi cicli mostra che con un aumento della pressione a R 1un il trasferimento di calore è maggiore di , e la quantità di calore in ingresso è ridotta. Un tale cambiamento nelle componenti energetiche del ciclo all'aumentare della pressione R 1 aumenta l'efficienza termica Questo metodo fornisce un aumento significativo dell'efficienza del ciclo, ma come risultato di una maggiore R 1 (la pressione nelle centrali a vapore può arrivare fino a 30 atm), l'umidità del vapore in uscita dalla turbina aumenta, causando una corrosione prematura delle pale della turbina.

2. Aumentando la temperatura iniziale T 1 con parametri invariati R 1 e R 2 (Fig. 15, b). Confronto dei cicli in un grafico a temperature T 1 e T 1a > T 1 si può vedere che la differenza di entalpia aumenta più della differenza, poiché l'isobare scorre più ripidamente dell'isobare. Con una tale variazione della differenza di entalpia, con un aumento della temperatura massima del ciclo, l'efficienza termica aumenta. Lo svantaggio di questo metodo è che il surriscaldatore richiede metallo resistente al calore, la temperatura del vapore surriscaldato può arrivare fino a 650 °C.

3. Aumento simultaneo della pressione p 1 e temperatura T 1 a pressione costante R 2. Alza mi piace R 1 così e T 1 aumenta l'efficienza termica Il loro effetto sull'umidità del vapore al termine dell'espansione è opposto, con un aumento R 1 aumenta, e con un aumento T 1 - diminuisce. In definitiva, lo stato del vapore sarà determinato dal grado di variazione delle quantità R 1 e T 1 .

4. Riduzione della pressione p 2 a parametri costanti T 1 e R 1 (Fig. 15, in). Giù R 2 aumenta il grado di espansione del vapore nella turbina e il lavoro tecnico aumenta ∆ l \u003d l a - l. In questo caso, la quantità di calore rimossa inferiore a (l'isobar è più piatto a una pressione più bassa) e la quantità di calore fornita aumenta di . Di conseguenza, l'efficienza termica del ciclo aumenta. Abbassamento della pressione R 2, è possibile raggiungere una temperatura uguale alla temperatura ambiente all'uscita del condensatore, ma in questo caso sarà necessario creare un vuoto nel dispositivo di condensazione, poiché la pressione corrisponde alla temperatura R 2 = 0,04 ata.

5. Utilizzo del surriscaldamento del vapore secondario (intermedio).(Fig. 15, G). Il diagramma mostra una linea retta 1 –2 mostra l'espansione del vapore fino a una certa pressione R 1un nel primo cilindro del motore, linea 2–1 a–– surriscaldamento secondario del vapore in pressione R 1un e diretto 1 a –2 a–– espansione adiabatica del vapore nel secondo cilindro fino alla pressione finale R 2 .

L'efficienza termica di un tale ciclo è determinata dall'espressione

L'uso del surriscaldamento secondario del vapore porta ad una diminuzione del contenuto di umidità del vapore all'uscita della turbina e ad un certo aumento del lavoro tecnico. Aumento dell'efficienza in questo ciclo è trascurabile, solo il 2–3%, e un tale schema richiede la complicazione della progettazione della turbina a vapore.

6. Applicazione del ciclo rigenerativo. Nel ciclo rigenerativo, l'acqua di alimentazione dopo la pompa scorre attraverso uno o più rigeneratori, dove viene riscaldata dal vapore, parzialmente prelevato dopo la sua espansione in alcuni stadi di turbina (Fig. 16).

Riso. 15. Modi per migliorare l'efficienza termica. Ciclo Rankine

Riso. 16. Schema di una centrale a vapore in funzione

secondo il ciclo rigenerativo:

1 –– caldaia; 2 –– surriscaldatore; 3 -- turbina a vapore; 4 -- generatore elettrico; 5 –– refrigeratore-condensatore; 6 - pompa; 7 – rigeneratore; α è la frazione di estrazione del vapore

La quantità di vapore estratta sarà determinata dall'equazione del bilancio termico per il rigeneratore

dove è l'entalpia del condensato a pressione di vapore finita R 2; è l'entalpia del vapore prelevato dalla turbina; è l'entalpia della condensa alla pressione di estrazione del vapore.

Il lavoro utile di 1 kg di vapore nella turbina sarà determinato dalla formula:

La quantità di calore spesa per 1 kg di vapore è

Poi l'efficienza termica nel ciclo rigenerativo si troveranno

.

Uno studio dettagliato del ciclo rigenerativo mostra che la sua efficienza termica sempre maggiore dell'efficienza termica. Ciclo Rankine con gli stessi parametri iniziali e finali. Aumento dell'efficienza quando si utilizza la rigenerazione, è del 10–15% e aumenta con l'aumento della quantità di estrazione del vapore.

7. Applicazione del ciclo di riscaldamento. Il ciclo di riscaldamento utilizza il calore ceduto dal vapore all'acqua di raffreddamento, che viene solitamente utilizzata negli impianti di riscaldamento, negli impianti di acqua calda e per altri scopi. In questo caso, il calore q 1 fornito al fluido di lavoro può essere ridistribuito in varia misura per ottenere lavori tecnici e fornitura di calore. Nel ciclo di riscaldamento (Fig. 17), parte dell'energia elettrica è sottoutilizzata, poiché parte del calore del vapore prelevato dalla turbina viene consumato dal consumatore.

Riso. 17. Schema di una centrale a vapore in funzione

ciclo di riscaldamento:

1 –– caldaia; 2 –– surriscaldatore; 3 -- turbina a vapore; 4 -- generatore elettrico; 5 –– refrigeratore-condensatore; 6 - pompa; 7 – consumatore di calore

La quantità di calore ricevuta dal fluido di lavoro viene in parte convertita in lavoro utile delle pale della turbina e in parte spesa allo scopo di fornire calore ai consumatori. Poiché entrambi i lavori sono utili, l'efficienza termica perde il suo significato.

efficienza sarà determinato il ciclo di riscaldamento

.

Poiché nel ciclo di riscaldamento vengono prodotte due tipologie di prodotti (elettricità e calore), è necessario distinguere tra il rendimento interno per la produzione di calore e il rendimento medio ponderato per la generazione di energia elettrica e calore. Ciascuno di essi è uguale a uno, poiché non ci sono perdite all'interno del ciclo.

In realtà, l'efficienza il ciclo di riscaldamento non può essere uguale a uno, poiché ci sono sempre perdite meccaniche nella turbina e perdite idrauliche nei sistemi di alimentazione del calore.

Termodinamica tecnica

1. La generazione combinata di calore ed elettricità è un modo sistematico per migliorare l'efficienza degli impianti di generazione di energia. Gli schemi più semplici di centrali termiche ed elettriche combinate con turbina a vapore. Caratteristiche energetiche della cogenerazione.

2. La generazione combinata di calore ed elettricità è un modo sistematico per migliorare l'efficienza degli impianti di generazione di energia. Gli schemi più semplici di centrali termiche ed elettriche combinate basate su motori a combustione interna a gas. Caratteristiche energetiche della cogenerazione.

3. Centrali a vapore (SPU): Surriscaldamento intermedio del vapore, ragioni d'uso, schemi, cicli teorici ed effettivi, efficienza e potenza della SPU.

4. Centrali a vapore (SPU): Schemi di rigenerazione con selezioni, cicli rigenerativi nei diagrammi Ts-, hs. efficienza dei cicli rigenerativi. Utilizzo del calore di surriscaldamento delle estrazioni di vapore e del calore di superraffreddamento della condensa nei riscaldatori rigenerativi.

5. Termodinamica del flusso: velocità caratteristiche e parametri del flusso adiabatico Velocità del suono, equazione di Laplace. Velocità massime e critiche, numeri adimensionali di base. Condizioni per la transizione della velocità del flusso attraverso la velocità del suono. Il principio di inversione di influenze esterne.

6. Termodinamica di flusso: parametri statici e parametri di frenatura. Relazione tra parametri statici e parametri di frenatura.

7. Termodinamica del flusso: deflusso di gas e vapori dagli ugelli.

8. Processi di base con gas reali sull'esempio del vapore acqueo e loro calcolo mediante tabelle e diagrammi: processo isobarico (condensatore, raffreddatore di condensa, raffreddatore di surriscaldamento).

9. Principali processi con gas reali sull'esempio del vapore acqueo e loro calcolo mediante tabelle e diagrammi: processo isobarico (evaporatore, surriscaldatore, economizzatore).

10. Processi di base con gas reali sull'esempio del vapore acqueo e loro calcolo mediante tabelle e diagrammi: processo adiabatico (turbina ed espansore, pompa, ventilatore).

11. Aria umida: concetti di base e caratteristiche dell'aria umida. Dipendenze calcolate per la costante del gas, massa molare apparente, densità, capacità termica, entalpia dell'aria umida.

12. Aria umida. Diagramma HD dell'aria umida. Processi di base dell'aria umida.

13. Sostanze reali. Situazione critica. Diagrammi di stato dello stato: pv-, Ts-, hs-. Proprietà termodinamiche dell'acqua. Tabelle termodinamiche, diagrammi ed equazioni di stato dell'acqua.

14. Condizioni di equilibrio e stabilità dei sistemi termodinamici: condizioni generali per l'equilibrio stabile di un sistema monofase. Equilibrio di un sistema bifase con interfaccia piana e curva.

15. Condizioni di equilibrio e stabilità dei sistemi termodinamici: equilibrio di un sistema trifase. Regola della fase di Gibbs. Transizioni di fase del 1° tipo. Equazione di Clapeyron-Clausius. Diagramma di stato delle fasi.

16. Diagramma di fase dello stato di RT. Diagrammi di stato delle fasi: pv-, Ts-, hs-

17. GTU. Informazione Generale. Ciclo idealizzato del più semplice GTP con apporto di calore isobarico.

18. GTU. Informazione Generale. Ciclo idealizzato del più semplice GTP con apporto di calore isocoro.

19. GTU. Informazione Generale. Il ciclo della più semplice turbina a gas con apporto di calore isobarico e processi irreversibili di compressione ed espansione del fluido di lavoro.

20. GTU. Informazione Generale. Rigenerazione in GTU.

21. Motori con fluido di lavoro gassoso. Informazione Generale. Motori a combustione interna a pistoni e loro cicli meccanici. Ciclo Otto ideale: (dati iniziali, calcolo dei punti caratteristici, calore in ingresso, in uscita del ciclo, ciclo di lavoro, rendimento termico, pressione media indicata).

22. Motori con fluido di lavoro gassoso. Informazione Generale. Motori a combustione interna a pistoni e loro cicli meccanici. Ciclo Diesel ideale: (dati iniziali, calcolo dei punti caratteristici, calore in ingresso, in uscita del ciclo, ciclo di lavoro, rendimento termico, pressione media dell'indicatore).

23. Motori con fluido di lavoro gassoso. Informazione Generale. Ciclo Trinkler Ideale: (dati iniziali, calcolo dei punti caratteristici, calore in ingresso, in uscita del ciclo, ciclo di lavoro, rendimento termico, pressione media indicata).

24. Compressore. Informazione Generale. Diagramma indicatore di un compressore reale. Compressore monostadio ideale. Funzionamento del compressore, l'influenza della natura del processo sul funzionamento del compressore.

25. Compressore. Informazione Generale. Compressione irreversibile nel compressore, rendimento adiabatico e isotermico del compressore. Influenza dello spazio dannoso sul funzionamento del compressore. Rendimento volumetrico del compressore.

26. Compressore. Informazione Generale. Compressore multistadio. Motivi d'uso, schema, diagrammi di processo, distribuzione della pressione sugli stadi di compressione, calore asportato negli scambiatori di calore intermedi.

27. Processi termodinamici di un gas ideale. Metodologia per lo studio dei principali processi. Gruppi di processi nei diagrammi pv e Ts. Temperatura media integrale della fornitura di calore di processo.

28. Termodinamica di un gas ideale. Miscele di gas ideali. Disposizioni generali. Legge di Dalton. Metodi per impostare una miscela. Costante del gas, massa molare apparente, densità, capacità termica, energia interna, entalpia, entropia di una miscela di gas. Entropia della miscelazione.

29. Il primo principio della termodinamica. Tipi di energia. Il calore e il lavoro sono forme di trasferimento di energia. Bilanci energetici e termici di un sistema tecnico. Caratteristiche assolute e relative di un sistema tecnico basato sulle equazioni di bilancio della 1a legge.

30. Il secondo principio della termodinamica. Le formulazioni e il loro rapporto reciproco. Il significato del concetto di reversibilità. Irreversibilità esterna ed interna. Entropia. Variazione dell'entropia nei processi reversibili e irreversibili. Espressione analitica del 2° principio della termodinamica. Equazione unificata (identità) della termodinamica per sistemi chiusi

La generazione combinata di calore ed elettricità è un modo sistematico per aumentare l'efficienza degli impianti di generazione di energia. Gli schemi più semplici di centrali termiche ed elettriche combinate con turbina a vapore. Caratteristiche energetiche della cogenerazione.

La generazione combinata di calore ed elettricità prende il nome di teleriscaldamento. Se si tiene conto del fatto che l'uso della potenza termica dei cogeneratori è notevolmente ritardato nel tempo, diventa chiaro l'uso diffuso di grandi caldaie regionali negli ultimi anni.

Per la generazione combinata di calore ed elettricità, sono progettati CHPP, che sono costruiti all'interno di grandi città o aree industriali.

Nella generazione combinata di calore ed elettricità, che è la caratteristica principale del teleriscaldamento, viene utilizzato il calore ceduto nei riscaldatori durante la condensazione del vapore, che prima attraversa la turbina. Questo calore nelle centrali a condensazione, come già accennato, viene perso con l'acqua di raffreddamento.

Nella generazione combinata di calore ed elettricità, il vapore viene rilasciato al consumatore da (Selezione intermedia. Da 1 kg di vapore fresco, il consumatore riceve calore nella quantità di (/ - fk shd) kcal / kg, dove / k è il contenuto di calore del vapore all'uscita delle caldaie a bassa pressione e / cond - condensa restituita dal consumatore; da 1 kg di vapore dall'estrazione della turbina, il consumatore riceve (/ scarico - / c.

La generazione combinata di energia termica ed elettrica presenta vantaggi significativi. Nei casi in cui, accanto ai consumatori di energia elettrica, vi siano consumatori di energia termica (per riscaldamento, per fini tecnologici), è possibile utilizzare il calore del vapore di scarico di una turbina a vapore. Ma allo stesso tempo, la pressione del vapore di scarico, o, come viene comunemente chiamata, la contropressione, è interamente determinata dai parametri del vapore necessari per i consumatori di calore. Quindi, ad esempio, quando si utilizza il vapore per martelli e presse, la pressione richiesta è di 10 - 12 atm, in numerosi processi tecnologici il vapore viene utilizzato a una pressione di 5 - 6 atm. Per il riscaldamento, quando è richiesto il riscaldamento dell'acqua fino a 90 - 100 C, è possibile utilizzare vapore con una pressione di 1 1 - 1 2 atm.

cogenerazione a-industriale;
b- riscaldamento CHPP;
1 - caldaia (generatore di vapore);
2 - carburante;
3 - turbina a vapore;
4 - generatore elettrico;
5 - condensatore di vapore di scarico della turbina;
6 - pompa della condensa;
7- riscaldatore rigenerativo;
8 - pompa di alimentazione della caldaia a vapore;
Vasca di raccolta 7 condensati ( è meglio mettere un disaeratore lì)
9 - consumatore di calore;
10 - scaldabagno di rete;
11-pompa di rete;
Pompa del riscaldatore di rete a 12 condensati

È consuetudine caratterizzare l'efficienza del funzionamento della cogenerazione fattore di utilizzo del calore:

La quantità di energia elettrica e termica, rispettivamente, fornita al consumatore per unità di tempo

B - consumo di carburante per lo stesso tempo

Potere calorifico inferiore del carburante

2 La produzione combinata di calore ed elettricità è un modo sistematico per aumentare l'efficienza degli impianti di generazione di energia. Gli schemi più semplici di centrali termiche ed elettriche combinate basate su motori a combustione interna a gas. Caratteristiche energetiche della cogenerazione.

1a parte nella domanda n. 1 ( La produzione combinata di calore ed elettricità è un modo sistematico per aumentare l'efficienza degli impianti di generazione di energia.)

La generazione combinata di calore ed elettricità è una produzione integrata (combinata) di 2 prodotti: calore ed elettricità. Un diagramma schematico del più semplice CHP basato su una turbina a gas (CCP) è mostrato nella figura:

Descrizione della tecnologia:

L'impianto a turbina a gas più semplice (GTP) è costituito da una camera di combustione (1), una turbina a gas (2) e un compressore d'aria (3). La turbina a gas viene utilizzata qui per azionare il generatore sincrono (4) e il compressore. Il principio di funzionamento del CCGT è semplice: l'aria compressa dal compressore viene iniettata nella camera di combustione, nella quale viene immesso anche combustibile gassoso o liquido. I prodotti della combustione risultanti vengono inviati alla turbina, di cui costituiscono il fluido di lavoro. I gas scaricati nella turbina non vengono qui emessi nell'atmosfera come in un semplice GTP, ma entrano nella caldaia del calore di scarto (8), dove il loro calore viene utilizzato per produrre vapore e garantire il ciclo termodinamico come di consueto. Il vapore va alla turbina a vapore (5), da dove va al consumatore.

In questo schema, una turbina combinata di calore e potenza viene utilizzata per produrre lavoro e calore. 2 estrazione del vapore dalla turbina a vapore. 11 è un condensatore.

L'efficienza del funzionamento CHP è caratterizzata dal fattore di utilizzo del calore:

Il rapporto tra la quantità di lavoro e il calore forniti al consumatore rispetto al calore rilasciato durante la combustione del carburante

Qnr - potere calorifico inferiore;

B è il calore di combustione;

Noi e Qtp - la quantità di energia elettrica (ogni generatore ha la sua) e termica fornita al consumatore

PSU: schema di generazione con selezioni, cicli rigenerativi in ​​diagr. T-s e sh-s, efficienza rigenerata. cicli, uso calore di surriscaldamento dei vapori di estrazione e calore di sottoraffreddamento della condensa nei riscaldatori rigenerativi.

Una centrale a vapore (SPU) è un motore termico in cui il fluido di lavoro subisce trasformazioni di fase. Gli alimentatori sono ampiamente utilizzati nelle centrali termiche (TPP) per generare elettricità. Gli alimentatori sono utilizzati anche nel trasporto marittimo e ferroviario. Come motore di trasporto, l'alimentatore è insensibile ai sovraccarichi, economico in qualsiasi modalità. Si distingue per semplicità e affidabilità del design, minor inquinamento ambientale rispetto a un motore a combustione interna. A un certo punto dello sviluppo della tecnologia, quando il problema dell'inquinamento ambientale non era così acuto e un focolare con una fiamma aperta sembrava pericoloso, i motori a gas hanno sostituito gli alimentatori nei trasporti. Attualmente, il motore a vapore è considerato promettente sia dal punto di vista economico che ambientale.

Nell'alimentatore, sia un cilindro a pistone che una turbina a vapore possono essere utilizzati come unità che rimuove il lavoro utile dal fluido di lavoro. Poiché le turbine sono ora più ampiamente utilizzate, in futuro prenderemo in considerazione solo installazioni di turbine a vapore. Varie sostanze possono essere utilizzate come fluido di lavoro dell'alimentatore, ma il fluido di lavoro principale è (e rimarrà nel prossimo futuro) l'acqua. Ciò è dovuto a molti fattori, comprese le sue proprietà termodinamiche. Pertanto, in futuro considereremo l'alimentatore con acqua come fluido di lavoro. Il diagramma schematico dell'alimentatore più semplice è mostrato in figura

Nella caldaia a vapore 1, l'acqua viene convertita in vapore surriscaldato con parametri p 1 , t 1 , io 1 , che entra nella turbina 2 attraverso la condotta del vapore, dove si espande adiabaticamente fino a raggiungere una pressione p2 con l'esecuzione di lavori tecnici, che mette in rotazione il rotore del generatore elettrico 3. Quindi il vapore entra nel condensatore 4, che è uno scambiatore di calore tubolare. La superficie interna dei tubi del condensatore è raffreddata dall'acqua in circolazione.

Nel condensatore, con l'aiuto dell'acqua di raffreddamento, il calore di vaporizzazione viene sottratto al vapore e il vapore passa a pressione costante p 2 e temperatura t2 nel liquido, che viene fornito alla caldaia a vapore 1 con l'aiuto della pompa 5. In futuro, il ciclo viene ripetuto.

Le caratteristiche dell'alimentatore sono:

La presenza di trasformazioni di fase in caldaia e condensatore;

I prodotti della combustione del carburante non sono direttamente coinvolti

ciclo, ma sono solo una fonte di calore q1, trasferito attraverso

parete al corpo di lavoro;

Il ciclo si chiude e il calore q2 viene ceduto all'ambiente attraverso la superficie di scambio termico;

Tutto il calore viene rimosso alla temperatura minima del ciclo, che non cambia a causa della transizione di fase isobarica;

In PSU, possiamo fondamentalmente implementare il ciclo di Carnot.

1.2. Miglioramento dell'efficienza termica delle centrali a vapore grazie all'utilizzo di un ciclo rigenerativo

Nonostante il fatto che attualmente lo sviluppo di massa di parametri di vapore alti e ultra elevati ( = 23...30 MPa;
= 570...600°C) e vuoto profondo nel condensatore (97%, o p 2 = 0,003 MPa), l'efficienza termica del ciclo Rankine non supera il 50%. Negli impianti reali, la quota di calore utilmente utilizzato è ancora minore a causa delle perdite legate all'irreversibilità interna dei processi. A questo proposito, sono stati proposti altri metodi per migliorare l'efficienza termica delle centrali a vapore. In particolare, l'utilizzo del preriscaldamento dell'acqua di alimentazione dovuto al vapore di scarico (ciclo rigenerativo). Considera questo ciclo.

La particolarità di questo ciclo è che la condensa, che ha una temperatura di 28 ... 30 ° C dopo il condensatore, prima di entrare nella caldaia, viene riscaldata in appositi scambiatori di calore P1-PZ (Fig. 8, a) con vapore prelevato dagli stadi intermedi della turbina. Effettuando il riscaldamento graduale dell'acqua grazie all'estrazione graduale del calore del vapore nel processo di espansione, è possibile implementare l'idea di un ciclo rigenerativo di Carnot, come mostrato in Fig. 8b per la sezione del ciclo nella regione del vapore saturo.

Riso. 8. Schema di p.s. y. (a) e immagine del ciclo rigenerativo (b)

Aumentando all'infinito il numero delle estrazioni (ciclo estremamente rigenerativo), è possibile avvicinare il processo di espansione alla curva tratteggiata, che sarà la curva equidistante del processo di riscaldamento 4 – 4". Tuttavia, è tecnicamente impossibile realizzarlo e l'uso da cinque a otto stadi di riscaldamento è praticamente giustificato dal punto di vista economico. Ciclo PSC con rigenerazione, a rigor di termini, non può essere rappresentato sul diagramma T-s, poiché è costruito per una quantità di sostanza costante (1 kg), mentre nel ciclo con rigenerazione la quantità di vapore è diversa lungo la lunghezza della turbina. Pertanto, il ciclo mostrato in Fig. 8b è alquanto arbitrario. Quando il vapore viene prelevato per il riscaldamento della condensa, da un lato, diminuisce il consumo di calore per la produzione di vapore, ma dall'altro, diminuisce contemporaneamente il lavoro del vapore nella turbina. Nonostante la natura opposta di queste influenze, la selezione aumenta sempre. Ciò si spiega con il fatto che quando l'acqua di alimentazione viene riscaldata per effetto del calore di condensazione del vapore estratto, nella sezione 4–4 viene eliminato l'apporto di calore da una fonte esterna", e quindi la temperatura media del flusso di calore da una fonte esterna nel ciclo rigenerativo aumenta (l'apporto di calore esterno q 1 viene effettuato solo nella zona 4 "- 5 - 6- 7).

Inoltre, il riscaldamento rigenerativo dell'acqua di alimentazione riduce l'irreversibilità nel processo di trasferimento del calore dai gas all'acqua nell'area 4" – 5, al diminuire della differenza di temperatura tra gas e acqua preriscaldata.

I compiti associati all'implementazione del ciclo rigenerativo possono essere risolti convenientemente utilizzando un diagramma. Per fare ciò, considera il circuito e il ciclo rigenerativo del PS. con una selezione (Fig. 9). L'intersezione dell'espansione adiabat 1 – 2 (Fig. 9b) con l'isobar di estrazione dà il punto 0, che caratterizza lo stato del vapore nell'estrazione.

Riso. 9. Schema di p.s. y. con una estrazione di vapore rigenerativo

(a) e l'immagine dei processi i - s-diagramma (b)

Dalla fig. 9, è ovvio che da 1 kg di vapore in ingresso nella turbina, kg di vapore si espandono solo fino alla pressione di selezione, producendo lavoro utile, e () kg si espande nella turbina fino alla pressione finale. Il lavoro utile di questo flusso di vapore. Lavoro totale di 1 kg di vapore in un ciclo rigenerativo:

La quantità di calore spesa per ottenere 1 kg di vapore: (10)

Efficienza termica del ciclo rigenerativo: . (undici)

I processi nei riscaldatori rigenerativi sono considerati isobarici e si presume che l'acqua lasci il riscaldatore in uno stato di saturazione alla pressione del vapore nell'estrazione corrispondente (ecc.).

La quantità di vapore estratto è determinata dall'equazione del bilancio termico per il riscaldatore di miscelazione:

da dove: , (13)

dove è l'entalpia del liquido alla pressione di estrazione; è l'entalpia del vapore prelevato dalla turbina; è l'entalpia della condensa in uscita dal condensatore. Allo stesso modo, è possibile determinare la portata del vapore nei punti di qualsiasi selezione.

L'uso del riscaldamento rigenerativo dell'acqua di alimentazione aumenta l'efficienza termica del ciclo s.c. y. dell'8...12%.

Lo scopo dell'esecuzione di un lavoro indipendente è padroneggiare la metodologia per il calcolo del ciclo rigenerativo di un impianto a turbina a vapore e determinare i principali indicatori termodinamici del ciclo in studio, compreso il rendimento termico, con una valutazione delle perdite di energia negli elementi principali di un centrale a vapore.

Termodinamica del flusso: velocità caratteristiche e parametri del flusso adiabatico Velocità del suono, equazione di Laplace. Velocità massime e critiche, numeri adimensionali di base. Condizioni per la transizione della velocità del flusso attraverso la velocità del suono. Il principio di inversione di influenze esterne.

Il concetto di velocità del suono è importante nella termodinamica dei flussi, poiché i flussi subsonici e supersonici di un mezzo hanno differenze qualitative: eventuali impatti danno risultati opposti nei flussi subsonici e supersonici; tutti i parametri di flusso nel flusso subsonico cambiano continuamente, nel flusso supersonico è possibile modificare i parametri con un salto, una discontinuità del flusso.

La velocità del suono (a, m / s) è la velocità di propagazione delle onde sonore. Le onde sono perturbazioni che si propagano in un mezzo di una certa quantità fisica che caratterizza lo stato di questo mezzo. Le onde sonore sono chiamate deboli perturbazioni che si propagano in un mezzo elastico - vibrazioni meccaniche con piccole ampiezze.

Ad esempio, a un certo punto, un corpo esterno, chiamato sorgente sonora, provoca deboli perturbazioni meccaniche. Il risultato è un aumento della pressione dp. La velocità di propagazione di questa raffica è la velocità del suono, indicata con "a".

Il processo di propagazione del disturbo sonoro è un processo adiabatico descritto dall'equazione di Laplace

Soddisfa l'equazione del processo adiabatico di un gas ideale (7.19), che rappresentiamo nella forma

p/ p k = cost

La velocità del suono dipende quindi dalla natura del mezzo (kR) e dalla temperatura del mezzo.

Poiché la temperatura del fluido nel flusso (10 5) cambia con il cambiamento della coordinata x, la velocità del suono cambia quando ci si sposta da una sezione all'altra A questo proposito, la necessità del concetto di velocità locale del suono è comprensibile.

Velocità del suono locale detta velocità di propagazione del suono in un dato punto della corrente.

Portate massime e critiche

La velocità del flusso può essere determinata dall'equazione dell'energia del flusso

Nel caso in cui la velocità di flusso iniziale possa essere trascurata (W| = 0), l'ultima relazione assume la forma

Nelle formule (10.29), (10.30) l'entalpia è sostituita solo in J/kg, quindi la velocità avrà dimensione m/s. Se l'entalpia è definita come kJ/kg, la relazione (10.30) cambia di conseguenza

La velocità attuale raggiunge valore massimo w MaKc nel tratto in cui l'entalpia del flusso raggiunge lo zero h = 0, questo avviene al deflusso nel vuoto (p = 0) e, secondo la relazione dei parametri nel processo di espansione adiabatica (7.21), T = 0 Il raggiungimento della velocità massima da parte del flusso corrisponde alla trasformazione di tutta l'energia del moto caotico (termico) delle molecole nell'energia del moto diretto e ordinato.

L'analisi di cui sopra permette di stabilire che la portata può assumere valori compresi tra 0...Wmax

Dall'equazione della quantità di moto (10.12) segue la relazione tra la variazione di pressione e la variazione di velocità del flusso: l'accelerazione del flusso (dw > 0) è accompagnata da una caduta di pressione (dp< 0) и наоборот. Возвращаясь к соотношению параметров в адиабатном процессе расширения, устанавливаем неизбежное уменьшение температуры ускоряющегося адиабатного потока и, согласно (10.28), падение величины скорости звука. Изменение параметров адиабатного ускоряющеюся потока, установленное выше, иллюстрирует рис. 10.5.

Il grafico mostra che esiste una sezione di flusso in cui la sua velocità coincide in grandezza con la velocità locale del suono. È chiamata la sezione critica del flusso, poiché separa le parti subsonica e supersonica del flusso, che differiscono qualitativamente l'una dall'altra. Parametri di flusso critici - parametri nella sezione del canale, dove la velocità del flusso è uguale alla velocità locale del suono.

La portata in questo caso è chiamata portata critica.

Il rapporto di pressione critica (P cr) è il rapporto tra il valore critico della pressione di flusso del gas (p cr) e la sua pressione (p ()) nella sezione di ingresso del canale ad una velocità iniziale pari a zero

∏cr = Pcr/Ro- (10.32)

Nei calcoli e nell'analisi della portata, conviene utilizzare non i valori assoluti della velocità, ma le relative caratteristiche:

numero M - il rapporto tra la velocità del flusso in una determinata sezione e la velocità locale del suono

M = con/a.; (10.33)

~ numero λ è il rapporto tra la velocità del flusso in un dato

sezione trasversale alla velocità di flusso critica

λ = c/acr; (10.34)

~ numero ƹ - il rapporto tra la velocità del flusso in una determinata sezione e la velocità del suono in un flusso stagnante

numero A - il rapporto tra la portata in una determinata sezione e la portata massima: A \u003d w / wmax

Informazione Generale

Quasi fino agli anni '70 del XX secolo, l'unico motore termico utilizzato nell'industria era un motore a pistoni a vapore, che era inefficiente e funzionava con vapore saturo a bassa pressione. Il primo motore termico a funzionamento continuo (motore a vapore) è stato sviluppato da I.I. Polzunov. La prima macchina era d'atmosfera. Quando una delle camere del pistone era collegata alla caldaia, il pistone si sollevò sotto l'azione della pressione del vapore, dopodiché la valvola di distribuzione del vapore si girò e interruppe la cavità del pistone dalla caldaia. L'acqua veniva iniettata attraverso il tubo, il vapore condensato e si creava un vuoto sotto il pistone. Sotto l'azione della pressione atmosferica, il pistone è sceso e ha svolto un lavoro utile.

Negli anni '80, il ciclo di funzionamento dei motori a combustione interna (ciclo Otto) era praticamente padroneggiato, ma, in sostanza, questo ciclo riflette i principi di molti altri inventori, e in particolare il principio Beau-de-Roche.

Il ciclo ideale di un tale motore, chiamato ciclo dei motori a combustione interna con fornitura di calore al gas a volume costante, comprende la compressione adiabatica del gas di lavoro, la fornitura isocora di calore al gas, l'espansione adiabatica del fluido di lavoro e trasferimento di calore isocoro da parte del fluido di lavoro.

Il motore termico di Nikolaus August Otto non consentiva un'elevata compressione e quindi la sua efficienza era bassa. Nel tentativo di creare un motore a combustione interna più moderno con un'elevata efficienza, l'ingegnere tedesco R. Diesel ha sviluppato un principio di funzionamento diverso, che differiva dal principio di funzionamento del motore Otto.

Il primo tentativo di sbarazzarsi del compressore appartiene al nostro connazionale prof. GV Trinkler, che costruì un motore senza compressore nel 1904. Il motore Trinkler non era incluso nella produzione di massa, sebbene fosse prodotto in uno degli stabilimenti tedeschi (lo stabilimento di Kerting). Nei motori diesel senza compressore è stato effettuato un nuovo terzo ciclo di lavoro. Il ciclo ideale di questo motore, denominato ciclo ad alimentazione mista di calore, è costituito da compressione adiabatica dell'aria, apporto di calore isocora e poi isobarico, espansione adiabatica dei gas e trasferimento di calore isocoro.

I motori termici, in cui i prodotti gassosi della combustione sono contemporaneamente il fluido di lavoro, sono detti motori a combustione interna. I motori a combustione interna sono realizzati sotto forma di motori a pistoni, turbine a gas 1 e motori a reazione.

I motori termici (motori a vapore), in cui i prodotti della combustione sono solo un riscaldatore (emettitore di calore) e le funzioni del fluido di lavoro sono svolte dalle fasi liquida e vapore, sono chiamati motori a combustione esterna. Motori a combustione esterna - centrali a vapore: motori a vapore, turbine a vapore, centrali nucleari.

Ciclo Otto perfetto

Efficienza adiabatica e isotermica

Infatti, il funzionamento del compressore risente non solo dell'influenza del volume dannoso, ma anche dell'attrito del gas, e della variazione della pressione del gas durante l'aspirazione e l'estrazione dalla bombola.

La Figura 1.85 mostra un diagramma indicatore reale. Sulla linea di aspirazione, a causa del movimento irregolare del pistone, dell'inerzia della molla e della valvola, la pressione del gas nel cilindro oscilla ed è inferiore alla pressione del gas iniziale p1. Sulla linea di espulsione del gas dalla bombola, per gli stessi motivi, la pressione del gas risulta essere maggiore della pressione finale p2. La compressione politropica realizzata nei compressori frigoriferi viene confrontata con la compressione isotermica reversibile utilizzando l'efficienza isotermica. ηout = lout/lkp.

La compressione adiabatica irreversibile realizzata nei compressori non raffreddati viene confrontata con la compressione adiabatica reversibile utilizzando il rendimento adiabatico. ηad = ragazzo/lka.

Per vari compressori, il valore dell'efficienza isotermica varia entro ηiz = 0,6÷0,76; il valore dell'efficienza adiabatica - ηad = 0,75÷0,85.

Entropia della miscelazione.

∆s cm = – R cm ∑ r i ln r i - entropia di miscelazione per una miscela di 2 gas.

Più è grande, più irreversibile sarà il processo di miscelazione.

Dipende dalla composizione della miscela, non dipende dalla temperatura e dalla pressione.

∆s cm / R cm dipende dalle proporzioni quantitative dei componenti della miscela e non dipende dalla loro natura.

Primo principio della termodinamica. Tipi di energia. Il calore e il lavoro sono forme di trasferimento di energia. Bilanci energetici e termici di un sistema tecnico. Caratteristiche assolute e relative di un sistema tecnico basato sulle equazioni di bilancio della 1a legge.

Primo principio della termodinamica- la legge di conservazione e trasformazione dell'energia per sistemi e processi termodinamici

Analiticamente, questo può essere scritto W = const, o

V 1 - V 2 \u003d 0,

dove W 1 , W 2 - rispettivamente, nello stato iniziale e finale, l'energia del TS isolato considerato.

Da quanto precede segue la formulazione del primo principio della termodinamica: la distruzione e la generazione di energia sono impossibili.

Per un TS chiuso e adiabatico, la variazione dell'energia del sistema è determinata dalla quantità di lavoro L, che scambia con l'ambiente in un determinato processo termodinamico di cambiamento di stato

V 1 - V 2 \u003d S.

Per un veicolo chiuso, che può scambiare energia con l'ambiente solo sotto forma di calore Q, è possibile determinare la variazione di energia durante un determinato processo termodinamico

V 1 - V 2 \u003d - Q.

Per un TS chiuso che cambia il suo stato nel processo 1 - 2, nel caso generale, esiste una relazione

V 1 - V 2 \u003d S - Q. (1,29)

Il calore e il lavoro sono le uniche forme possibili di trasferimento di energia da un corpo all'altro - un'altra formulazione della prima legge della termodinamica per veicoli chiusi.

Se un TS chiuso esegue un processo termodinamico circolare, dopo il suo completamento, tutti i parametri di sistema assumono il valore iniziale, che consente di scrivere l'ultima uguaglianza nella forma

Da ciò segue la formulazione più popolare della prima legge della termodinamica: macchina a moto perpetuo del primo tipo è impossibile.

Tipi di energia: interno (U), chimico, nucleare, cinetico. In alcuni casi è conveniente dividere l'energia secondo il segno della trasformazione quantitativa di un tipo di energia in altri. L'energia, che può essere completamente trasformata da una forma in un'altra, appartiene al cosiddetto primo tipo. Se, per un motivo o per l'altro, la trasformazione in qualsiasi altro tipo di energia è del tutto impossibile, si parla del cosiddetto secondo tipo.

L'energia del TS nel caso generale può essere determinata

W = W sudore + W kin + U

L'unità di energia nel sistema SI delle unità fisiche è 1 J (Joule). Quando si utilizzano altri sistemi, si ha a che fare con altre unità di misura dell'energia: calorie, erg, chilogrammetro, ecc.

Il secondo principio della termodinamica. Le formulazioni e il loro rapporto reciproco. Il significato del concetto di reversibilità. Irreversibilità esterna ed interna. Entropia. Variazione dell'entropia nei processi reversibili e irreversibili. Espressione analitica del 2° principio della termodinamica. Equazione unificata (identità) della termodinamica per sistemi chiusi

Il secondo principio della termodinamica.

La seconda legge, come la prima, è un dato sperimentale generalizzato e non è dimostrato in alcun modo. Si riferisce a un sistema in uno stato di equilibrio, al processo di transizione di un sistema da uno stato di equilibrio all'altro. Considera la direzione del flusso dei processi naturali, afferma che diversi tipi di energia non sono equivalenti.

Tutti i processi in natura procedono nella direzione della scomparsa della forza motrice (gradiente di temperatura, pressione, concentrazione). Sulla base dei fatti e uno dei dettami della legge: il calore non può essere trasferito da un corpo meno a uno più caldo. Conclusione dalla 2a legge: stabilisce il valore disuguale di calore e lavoro e se quando si converte il lavoro in calore, è possibile limitarsi a modificare lo stato di un dissipatore di calore, è necessaria una compensazione quando si converte il calore in lavoro.

Altro formulazione della legge: Perpetuum mobile del 2° tipo è impossibile, cioè non è possibile realizzare una macchina il cui unico risultato di funzionamento sarà il raffreddamento del serbatoio termico.

Il concetto di reversibilità.

Il concetto di reversibilità è centrale:

1) è uno spartiacque tra termodinamica fenomenologica e fisica statica;

2) il concetto di reversibilità permette di avere uno spunto per valutare la perfezione termodinamica del processo.

Un processo reversibile è un processo termodinamico dopo il quale il sistema e i sistemi (OS) che interagiscono con esso possono tornare al loro stato iniziale senza che si verifichino modifiche residue nel sistema e nel sistema operativo.

Un processo irreversibile è un processo termodinamico dopo il quale il sistema e i sistemi (OS) che interagiscono con esso non possono tornare al loro stato iniziale senza che si verifichino modifiche residue nel sistema o nel sistema operativo.

Ci sono molti fattori interni ed esterni che creano l'irreversibilità dei processi.

Irreversibilità interna provoca l'attrito interno delle molecole di fluido a causa delle forze molecolari e della turbolenza.

Irreversibilità esterna deriva dai fattori esterni del sistema. Una delle cause più comuni di irreversibilità esterna è l'attrito meccanico. L'attrito è presente in tutti i processi in cui la superficie di un corpo o di una sostanza sfrega contro un'altra superficie. Un altro motivo di irreversibilità esterna è il processo di trasferimento del calore. Per natura, il trasferimento di calore avviene in una sola direzione: da una zona più calda a una più fredda. Di conseguenza, il processo non può essere completamente invertito, poiché il calore non viene trasferito dalle zone più fredde a quelle più calde senza l'applicazione del lavoro.

Entropia.

L'entropia è una funzione dello stato di un sistema termodinamico, determinata dal fatto che il suo differenziale (dS) in un processo di equilibrio elementare (reversibile) che si verifica in questo sistema è uguale al rapporto di una quantità infinitamente piccola di calore (dQ) comunicato al sistema alla temperatura termodinamica (T) del sistema.

L'introduzione dell'entropia ci fornisce un'altra equazione per calcolare il calore del processo, il cui uso è più conveniente della ben nota equazione in termini di capacità termica. L'area sotto il grafico del processo in T(S) - il diagramma in scala rappresenta il calore del processo.

Variazione dell'entropia nei processi reversibili e irreversibili.