Paskirtis:šilumą paverčiant darbu.
Termodinamika tokios transformacijos nedraudžia, nes pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį
du = dq – dw → dw = dq – du. (6.1)
Todėl darbą dw > 0 galima gauti tiekiant šilumą dq > 0 arba/ir sumažinant vidinę energiją du< 0.
AT cheminė technologija ir energija, šiluminės elektrinės naudojamos kaip energijos šaltiniai kompresoriams, vakuuminiams siurbliams, ventiliatoriams ir dujų orapūtėms, skysčių judėjimo siurbliams, trupintuvų ir kitų smulkintuvų varymui. Energetikos sektoriuje šiluminės elektrinės naudojamos elektrai ir šilumai gaminti.
1. Vidaus degimo varikliai.
Šie varikliai išsiskiria degalų rūšimi į benziną ir dyzeliną. Ant pav. 6.1 parodyta benzininio variklio ciklo indikatorių diagrama.
Ryžiai. 6.1. Benzininio vidaus degimo variklio indikacinė diagrama.
A1 - garo ir oro mišinio įsiurbimo į cilindro tūrį procesas;
1 - 2 - šio mišinio suspaudimas; 2 taške uždegimo įtaiso (žvakės) kibirkšties sužadinimas;
2 - 3 - benzino garų, sumaišytų su atmosferos deguonimi, pliūpsnis (sprogimas);
3 - 4 - politropinio išsiplėtimo procesas dūmų dujos;
4 taške - išmetimo vožtuvo atidarymas;
4 - 1 išmetamųjų dujų patekimo į atmosferą procesas.
Ant pav. 6.2 parodyta dyzelinio vidaus degimo variklio indikatorių diagrama.
Ryžiai. 6.2. Dyzelinio vidaus degimo variklio indikacinė schema.
A1 - švaraus oro išsiurbimo iš atmosferos į variklio cilindrą procesas;
1 - 2 - oro suspaudimo procesas; 2 taške - dyzelinio kuro įpurškimas į cilindrą;
2 - 3 - kuro deginimas; 3 - 4 - politropinio plėtimosi procesas;
v. 4 - išmetimo vožtuvo atidarymas; 4 - 1 - išmetamosios dujos išmetamos į atmosferą.
Galima parodyti, kad šiluminis koeficientas naudingas veiksmas Vidaus degimo variklių η t stipriai priklauso nuo suspaudimo laipsnio p 1 / p 2 (žr. 6.1 ir 6.2 pav.): kuo didesnis šis laipsnis, tuo didesnis η t. Benzininio variklio suspaudimo laipsnį riboja savaiminis benzino garų, sumaišytų su atmosferos deguonimi, pliūpsnio temperatūra. Todėl garų ir oro mišinys turi būti suspaustas iki temperatūros, žemesnės už pliūpsnio temperatūrą, o pats degimas (sprogstamojo tipo) pradedamas naudojant kibirkštį pakaitinimo žvakėje.
Suspaustas dyzeliniuose varikliuose grynas oras, suspaudimo laipsnį tokiuose varikliuose riboja tik variklių gamybai skirtų medžiagų stiprumo savybės. Todėl suspaudimo laipsnis dyzeliniame variklyje yra didelis daugiau laipsnio suspaudimas benzininiame variklyje ir atitinkamai η t - taip pat.
Dėl benzininiai varikliaiη ≈ 25% - 30%, dyzelinui η ≈ 40% - 45%. Tai reiškia, kad iš 10 litrų bake esančio benzino tik 2,5 litro bus sunaudota realiam automobilio judėjimui, o likusi dalis bus skirta atmosferos šildymui ir aplinkos taršai. Tačiau dyzeliniam varikliui šiek tiek mažiau nei pusė degalų bus išleista naudos, o likusi dalis bus nuostoliai.
2. Garo jėgainės.
Ant pav. 6.3 pavaizduota garo elektrinės elektros energijos gamybos technologinė schema.
Aukšto slėgio ir temperatūros garai (žr. t. 1) tiekiami į turbinos purkštukus (žr. 5 paskaitą), kur vyksta transformacija potencinė energija pora in kinetinė energija garo srautas (tekėjimo greitis – viršgarsinis). Viršgarsinio srauto kinetinė energija ant turbinos menčių paverčiama turbinos rato sukimosi kinetine energija ir elektros generavimo darbu.
Ant pav. 6.3 pavaizduota viena turbina, iš tikrųjų turbina turi keletą garų plėtimosi etapų.
Po turbinos (žr. t. 2) garai siunčiami į kondensatorių. Tai yra įprastas šilumokaitis, vamzdžių viduje praeina aušinantis vanduo, išorėje - vandens garai, kurie kondensuojasi, vanduo tampa skystas (žr. v.3).
Ryžiai. 6.3. Garo elektrinės schema.
Šis vanduo patenka į padavimo siurblį, kur slėgis padidėja iki vardinės (projektinės) reikšmės (žr. t. 4).
Toliau vanduo su aukštu slėgiu siunčiamas į katilo bloką (6.3 pav. jis pažymėtas punktyrine linija). Šiame įrenginyje vanduo iš katilo krosnies dūmų pirmiausia pašildomas iki virimo temperatūros, po to patenka į katilo vamzdžius, kur vyksta fazinė transformacija iki sausų sočiųjų garų būsenos (žr. 6.3 pav. 5 tašką).
Galiausiai išdžiovinkite sočiųjų garų eina į perkaitintuvą, šildomą iš krosnies išmetamomis dujomis. Garų būsena perkaitintuvo išėjimo angoje apibūdinama tašku 1. Taip ciklas uždaromas (žr. 4 paskaitą). Šį garo jėgainės ciklą pasiūlė vokiečių inžinierius Rankinas, todėl jis buvo pavadintas Rankine ciklu.
Apsvarstykite Rankine ciklą trijose termodinaminėse diagramose p - v, T - s, h - s (žr. 6.4 pav.).
Ryžiai. 6.4. Rankino ciklas termodinaminėse diagramose.
Taškų numeracija sutampa su numeracija pav. 6.3.
1 - 2 procesas - garų plėtimasis turbinos purkštukuose;
2 - 3 - garų kondensacijos procesas; 3 - 4 - procesas tiekimo siurblyje;
4 - 5 - vandens šildymo ir jo virimo procesas; 5 - 1 - garų perkaitimo procesas.
Tos diagramų sritys yra nuspalvintos, kurių plotas skaičiais lygus darbui ir šilumai per ciklą, o q c = w c.
Iš technologinė schema pav. 6.3 ir diagramos T - s pav. 6.4 iš to seka, kad šiluma darbiniam skysčiui tiekiama procesuose 4 - 5 - 1, kuriuose ds > 0. Ir šie procesai apibūdinami invariantu p 1 = const. Todėl Rankine cikle q subv tiekiama šiluma yra lygi:
q subv \u003d h 1 - h 4 .J. (6.2)
Šiluma pašalinama iš darbinio skysčio 2–3 proceso metu (ds< 0) и этот процесс тоже p 2 = const. Поэтому
q resp \u003d h 2 - h 3. J. (6.3)
Skirtumas tarp tiekiamos ir pašalintos šilumos yra ciklo q c šiluma, paversta darbu w c (žr. 4 paskaitą):
w c \u003d q c \u003d (h 1 - h 4) - (h 2 - h 3) \u003d (h 1 - h 2) - (h 4 - h 3).
Skirtumas tarp vandens entalpijos prieš tiekimo siurblį (3 taškas) ir po jo (4 punktas) yra nereikšmingas. Kalbant apie
w c \u003d q c \u003d h 1 - h 2. (6.4)
Šiluminis Rankine ciklo efektyvumas (ir tai yra „naudos“, t. y. w c, ir „išlaidų“, t. y. q sub, santykis) yra lygus
η t \u003d (h 1 - h 2) / (h 1 - h 4). (6.5)
Pavyzdys. Garo jėgainė veikia pagal Rankine ciklą, kai pradiniai garo parametrai p 1 = 20 bar ir t 1 = 300 0 C. Slėgis kondensatoriuje p 2 = 0,05 bar. Raskite šiluminį naudingumą η t .
Sprendimas. Kaip matyti iš bendro problemų sprendimo būdo, kuriame atsiranda tikras darbinis skystis, pirmiausia reikia išsiaiškinti vandens būseną pirmajame ciklo taške (žr. 6.4 pav.) Norint rasti reikiamus parametrus, reikia naudoti lenteles vandens garams.
Pagal H 2 O sočiųjų garų lenteles, naudojant vertę p 1 \u003d 20 barų, randame prisotinimo (virimo) temperatūrą: t n \u003d 212 0 C. Palyginkite šią vertę su t 1 \u003d 300 0 C. Kadangi t 1\u003e t n, darome išvadą: 1 taške vandens garai yra perkaitinti, todėl būtina naudoti perkaitintų vandens garų lentelę. Žvelgiant į (6.5), matyti, kad užduočiai iš lentelės išspręsti reikalinga entalpija taške 1: h 1 = 3019 kJ/kg.
Toliau mes nustatome garo būsenos parametrus taške 2. Apie šį tašką žinome, kad p 2 = 0,05 baro ir kad s 2 = s 1 = 6,757 kJ / kgK (čia mes mintyse nubrėžėme izentropą iš 1 taško į izobarą p 2 = const, nes 1–2 procesas yra garo nutekėjimo turbinos purkštukuose procesas).
Vėlgi, tradiciškai kreipiamės į sočiųjų vandens garų pagal slėgį lentelę ir matome, kad esant p 2 \u003d 0,05 baro, verdančio vandens entropija s΄ \u003d 0,4761 kJ / kgK ir entropija s ”\u003d 8,393 kJ / kgK sausi sotieji garai. Palyginus entropijų s΄, s“ ir s 2 reikšmes, matyti, kad taškas 2 yra drėgnų (sočiųjų) garų srityje, todėl turėsime naudoti šlapio garo lenteles.
Žvelgiant į (6.5), aišku, kad norint išspręsti problemą, reikia nustatyti entalpijos reikšmę taške 2. Norėdami tai padaryti, pirmiausia turėsime rasti vandens garų sausumo laipsnį taške 2, ir tik tada nustatysime h 2 .
s 2 \u003d s 1 \u003d s΄ + xr / T n → x \u003d (s 1 - s΄) T n / r.
Vandens fazinio virsmo šiluma esant slėgiui p 2 = 0,05 bar randama iš tų pačių sočiųjų vandens garų lentelių: r = 2423 KJ / kg. Čia randame garų temperatūrą taške 2: t 2 \u003d t n \u003d 32,88 0 C. Tada
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.
Verdančio vandens entalpijos vertė h΄ \u003d 137,83 kJ / kg \u003d h 4 vėl randama iš tų pačių sočiųjų vandens garų lentelių.
Pagaliau:
η t = (žr. (6.5)) = (3019 – 2059)/(3019 – 137,83) = 0,333.
Atsakymas:η t = 0,333 = 33,3%.
komentuoti.Ši šiluminio naudingumo vertė iš esmės reiškia štai ką. Iš 100 vagonų anglių, sudegusių katilinės krosnyje, iškastos kažkur Kuzbase sunkiu ir pavojingu kalnakasių darbu, atvežtų, tarkime, į Kolos pusiasalį į Kirovsko miestą geležinkeliu, tik 34 vagonai anglies. bus „paversti“ elektra, o likę 66 vagonai bus skirti atmosferai šildyti. Kokios atliekos!
Karštas vanduo iš kai kurių šiluminių elektrinių kondensatorių upės pakrantėse. Maskva įmesta į upę. Laukinės antys nenori skristi žiemoti į Afriką, joms ir šiluminei elektrinei viskas gerai, bet mums tai griuvėsiai.
komentuoti. Raskime Carnot ciklo šiluminį efektyvumą tame pačiame temperatūrų diapazone kaip ir nagrinėjamame pavyzdyje. Vandens temperatūra kondensatoriuje jau buvo nustatyta iš sočiųjų vandens garų lentelės esant p 2 \u003d 0,05 bar: t n \u003d 32,88 0 C.
η iki t \u003d 1 - T 2 / T 1 \u003d 1 - (32,88 + 273) / (300 + 273) \u003d 0,466 \u003d 46,6 %
Kitaip tariant, tobuliausias ciklas, t.y. Carnot ciklas, kurio efektyvumas nagrinėjamo pavyzdžio problemos sąlygomis yra šiek tiek mažesnis nei pusė (iš 100 anglių automobilių pusė bus išleista atmosferai šildyti). Ir čia beprasmiška ginčytis su termodinamika.
Ryžiai. 6.5 rodo mažo priežastį ciklo efektyvumas Rankine lyginant su Carnot ciklu.
Ryžiai. 6.5. Žemo Rankine ciklo efektyvumo priežasties iliustracija
palyginti su Carnot ciklu. Darbo praradimas yra tamsesnė sritis.
Taškų numeracija sutampa su numeracija pav. 6.3 ir 6.4.
komentuoti. Garo jėgainės tobulumą lemia ne tik ciklo šiluminis naudingumas, bet ir katilo bloko efektyvumas. Pastarasis yra darbiniam skysčiui tiekiamos šilumos ir kuro cheminės energijos santykis. Buitinių šilumos energetikų, katilinių agregatų kūrėjų nuopelnas, modernios katilinės efektyvumas siekia 99,5%. Tai reiškia, kad iš 100 vagonų anglies į perkaitinto garo entalpiją bus „paversta“ 99,5 vagono anglies (6.3, 6.4 ir 6.5 pav. 1 taškas), o atmosferai šildyti bus sunaudota tik 0,5 vagono anglies. . Vadinasi, visos garo jėgainės, veikiančios Rankine ciklu, mažas efektyvumas turi gilų termodinaminį (genetinį) pagrindą.
Šių pagrindų esmė ta, kad vandens prigimtis, jo fizikinės ir cheminės savybės yra tokios, kad Rankine ciklas silpnai užpildo Carnot ciklo viduje esančią sritį (žr. 6.5 pav.).
Vanduo garo elektrinėse grynai istoriškai buvo paverstas darbiniu skysčiu gana seniai. Ir to priežastis yra ta, kad vanduo yra labiausiai paplitusi medžiaga Žemėje, anksčiau vandens buvo daug, jis buvo neįkainojamas. Šiandien maža vandens kaina tapo mitu: pirma, vandens pritrūko, Rusijos pramonė jau seniai sėdi ant bado davinio; antra, vanduo iš upės, ežero, rezervuaro ar artezinio gręžinio pasirodė tiesiog netinkamas, jame daug priemaišų, kietumo druskų, ištirpusių dujų, visa tai labai sumažina tiek katilo bloko, tiek turbinos patikimumą. Šiuolaikinis vandens valymas garo jėgainei labai brangina. Net ir kondensatoriui aušinti skirtas vanduo turi būti kruopščiai išvalytas nuo dumblių, amebų, žvynelių, mikroorganizmų, nes jie puikiai gyvena ir aktyviai dauginasi šilumokaityje, sugadindami visą įrenginį.
Apibendrinkime preliminarius rezultatus: naudingumo koeficientai ir vidaus degimo varikliai ir garo jėgainės- švaistomai mažas. Vadinasi, būtina ir (arba) parengti priemones efektyvumui didinti ir (arba) taupyti energiją.
Garo elektrinės su turbina energijos balansas parodytas fig. 519. Jis yra pavyzdingas; Garo jėgainės efektyvumas gali būti dar didesnis (iki 27%). Energijos nuostolius, atsirandančius eksploatuojant garo elektrinę, galima suskirstyti į dvi dalis. Dalis nuostolių atsiranda dėl konstrukcijos netobulumo ir gali būti sumažinti nekeičiant temperatūros katile ir kondensatoriuje. Pavyzdžiui, sutvarkius tobulesnę katilo šilumos izoliaciją, galima sumažinti šilumos nuostolius katilinėje. Antroji, daug didesnė dalis – šilumos, perduodamos kondensatorių aušinančiam vandeniui, praradimas, esant tam tikroms katilo ir kondensatoriaus temperatūroms, yra visiškai neišvengiamas. Jau nurodėme (§ 314), kad šiluminio variklio veikimo sąlyga yra ne tik tam tikro šilumos kiekio gavimas iš šildytuvo, bet ir dalies šios šilumos perdavimas į šaldytuvą.
Didelė mokslinė ir techninė patirtis šilumos variklių ir giluminių variklių konstrukcijoje teorinės studijos dėl šiluminių variklių darbo sąlygų, nustatė, kad šilumos variklio efektyvumas priklauso nuo šildytuvo ir šaldytuvo temperatūrų skirtumo. Kuo didesnis šis skirtumas, tuo didesnis garo jėgainės efektyvumas (žinoma, su sąlyga, kad bus pašalinti visi aukščiau paminėti techninio projekto trūkumai). Bet jei šis skirtumas mažas, tai net techniškai tobuliausia mašina negali duoti reikšmingo naudingumo koeficiento.Teorinis skaičiavimas rodo, kad jei šildytuvo termodinaminė temperatūra yra , o šaldytuvo yra , tai efektyvumas negali būti didesnis nei
Ryžiai. 519. Garo elektrinės su turbina apytikslis energijos balansas
Taigi, pavyzdžiui, pas garų variklis, garai, kurių temperatūra yra 100 (arba 373 ) katile ir 25 (arba 298 ) šaldytuve, efektyvumas negali būti didesnis 
, t.y. 20% (praktiškai dėl įrenginio netobulumo tokio įrengimo efektyvumas bus daug mažesnis). Taigi, norint pagerinti šiluminių variklių efektyvumą, reikia pereiti prie aukštesnių katilo temperatūrų, taigi ir prie didesnių garų slėgių. Skirtingai nuo ankstesnių stočių, kurios veikė 12-15 atm slėgiu (tai atitinka 200 atm garo temperatūrą), šiuolaikinėse garo elektrinėse buvo pradėti montuoti 130 atm ir didesni katilai (temperatūra apie 500).
Užuot padidinus temperatūrą katile, būtų galima sumažinti temperatūrą kondensatoriuje. Tačiau tai pasirodė praktiškai neįmanoma. Esant labai žemam slėgiui, garo tankis yra labai mažas, o per vieną sekundę galingai turbinai praleidžiant didelį garų kiekį, turbinos ir su ja kondensatoriaus tūris turėtų būti pernelyg didelis.
Be šilumos variklio efektyvumo didinimo, galima naudoti „termines atliekas“, tai yra šilumą, kurią pašalina vanduo, aušinantis kondensatorių.
Ryžiai. 520. Apytikslis kogeneracijos energijos balansas
Užuot nuleidę kondensatoriumi šildomą vandenį į upę ar ežerą, galite jį siųsti karšto vandens šildymo vamzdžiais arba naudoti pramoniniais tikslais chemijos ar tekstilės pramonėje. Taip pat turbinose garą išplėsti galima tik iki 5-6 atm slėgio. Tuo pačiu metu iš turbinos išeina labai karšti garai, kurie gali būti naudojami įvairiems pramoniniams tikslams.
Šilumos atliekas naudojanti stotis vartotojus aprūpina ne tik mechaniniais darbais gauta elektros energija, bet ir šiluma. Ji vadinama kombinuota šilumos ir elektros jėgaine (CHP). Apytikslis CHPP energijos balansas parodytas fig. 520.
Prieš pereinant prie termodinaminių metodų ir efektyvumo didinimo metodų aprašymo, pristatome tam tikrą pagalbinę koncepciją. Šios įžangos poreikis yra toks. Faktas yra tas, kad η t pagal apibrėžimą yra „naudos“ ir „išlaidų“ santykis. Beveik visi efektyvumo didinimo būdai vienu metu keičia ir trupmenos η t skaitiklį, ir vardiklį. Taigi visos frakcijos elgesys neapibrėžtumas.
Kita vertus, šis neapibrėžtumas neegzistuoja, jei kalbame apie Carnot ciklą, nes šilumos šaltinio T 1 ir šilumnešio T 2 temperatūros pokytis gana vienareikšmiškai rodo η t k pokytį. termodinaminiai metodai ir garo elektrinių efektyvumo didinimo metodai nekeičia T 2 vertės, nes ją pakeisti praktiškai sunku.
Taigi, šilumos tiekimas Rankine cikle vyksta išilgai tam tikros nutrūkusios kreivės (žr. 6.4 pav. ir T - s diagramą, procesas 4 - 5 - 1, p 1 \u003d const).
Apibrėžimas:vadinama šilumos tiekimo proceso vidutinė integralinė temperatūra garo galios cikle
Kitaip tariant,<Т 1 >matematikoje ji vadinama vidutine funkcijos integralia verte tam tikrame argumentų kitimo intervale. Tada bet kuriam garo jėgainės ciklui lygiavertis Carnot ciklo efektyvumas bus lygus:
η t k \u003d 1 - T 2 /
Bet koks siūlymas padidinti ar keisti garo elektrinės η t bus vertinamas keičiant
3.1. Darbinio skysčio temperatūros didinimas prieš turbiną.
Ant pav. 6.6 yra šio šiluminio efektyvumo didinimo metodo pavyzdys.
Atkreipiame dėmesį, kad „naudos“ dydis, t.y. darbo per ciklą didėjo padidėjus T 1, tačiau tuo pačiu padidėjo šilumos nuostoliai kondensatoriuje, o šilumos sąnaudos vienam ciklui padidėjo. Čia aiškiai matyti, kad tiek trupmenos η t skaitiklis, tiek vardiklis padidėjo, o rezultatas yra neapibrėžtas (žr. (6.5)). Tačiau aiškiai matyti, kad T 1 padidėjimas iki T 1 ΄ didėja
Ryžiai. 6.6. η t padidinimo būdo iliustracija
didinant temperatūrą T 1 garo priešais turbiną.
komentuoti. Padidindami T 1, mes sąmoningai nepakeitėme visų kitų Rankine ciklo parametrų. Negalite visko pakeisti iš karto, kad atskleistumėte kažkokį modelį.
3.2. Darbinio skysčio slėgio didinimas prieš turbiną.
Ant pav. 6.7 yra šio η t didinimo metodo iliustracija.
Ryžiai. 6.7. η t didinimo didinant metodo iliustracija
garo slėgis priešais turbiną.
Sprendžiant pagal pav. 6.7, sunku nuspręsti, ar darbo ciklas padidėjo ar sumažėjo, tačiau šilumos nuostoliai kondensatoriuje aiškiai sumažėjo. Jei vartosime sąvoką
komentuoti. Padidinti garo temperatūrą T 1 priešais turbiną nėra labai efektyvu, nes izobarai p = const gana staigiai pakyla perkaitintų vandens garų srityje. Tokia yra šios medžiagos prigimtis.
komentuoti. Abu aukščiau pateikti η t didinimo būdai yra „palaiminti“ termodinamikos. O praktiškai vandens garų temperatūros ir slėgio padidėjimą prieš turbiną riboja karščiui atsparių ir itin tvirtų medžiagų rinkinys, skirtas tiek katilo agregato, tiek turbinos gamybai. Čia, visu savo didžiuliu augimu, kyla „medžiagų mokslo“ mokslas.
GARŲ ELEKTRINĖ
Garo jėgainės (SPU) yra skirtos priimti elektros energija ir vandens garai, patenkantys į pramonės įmonių gamybos poreikius. Šiuo metu visos pagrindinės chemijos gamyklos ir kombainai turi savo CSP.
20 paveiksle parodyta grandinės schema garo elektrinė. PSU sudaro garo katilas (1,1"), garo turbina (2), kondensatorius (3) ir tiekimo siurblys (4). Garo katilas yra sudėtinga inžinerinė konstrukcija. Tik du jo elementai yra sąlygiškai parodyti diagrama - katilo būgnas (1) ir perkaitintuvas (1").
Ryžiai. 20. Garo elektrinės schema
Įrenginio veikimas yra toks. Tiekiamas vanduo (kondensatas ir iš įrenginio grįžtantis vanduo) siurbliu (4) pumpuojamas į garo katilo būgną (1). Būgne dėl kuro, kuris deginamas katilo krosnyje, cheminės šilumos (krosnis nepavaizduota 3 pav.), o kai kuriais atvejais dėl degių ar aukštos temperatūros antrinių energijos išteklių energetinio potencialo, t. vanduo at pastovus slėgis virsta šlapiais sočiais garais (X = 0,9 - 0,95). Tada drėgnas prisotintas garas patenka į katilo perkaitintuvą (1"), kur perkaitinamas iki iš anksto nustatytos temperatūros. Perkaitintas garas siunčiamas į garo turbiną (2). Čia jis adiabatiškai plečiasi, kad gautų naudingą darbą, kuris paverčiamas elektros energija. naudojant generatorių.Šiuolaikinės turbinos turi daugybę ištraukimų, per kuriuos garas nukreipiamas į cechų technologinius poreikius. pramonės įmonė. Po turbinos išmetamieji garai siunčiami į kondensatorių (3). Kondensatorius yra įprastas korpuso ir vamzdžio šilumokaitis, kurio pagrindinė paskirtis – sukurti vakuumą už turbinos. Tai padidina šilumos kritimą turbinoje, o tai padidina PSU ciklo efektyvumą. Kondensatoriuje dėl šilumos pašalinimo iš išmetamųjų garų į aušinimo vandenį ji kondensuojasi. Susidaręs kondensatas pumpuojamas (4) atgal į katilo būgną.
Ryžiai. 21. Ciklas P.S.U. P - υ ir T - S diagramose
Ant pav. 21 parodytas PSU ciklas diagramose P - υ ir T - S. Šiose diagramose 1-2-3-4 eilutė atitinka izobarinį perkaitinto garo gavimo procesą garo katilas. 1-2 skyriuje aprašomas šildymo procesas maitinti vandeniu iki virimo temperatūros, 2-3 skyrius atitinka garinimo procesą, t.y. vandens pavertimas garais, 3-4 skyriuose apibūdinamas garų perkaitimo procesas. 4-5 eilutė atspindi adiabatinį garo plėtimosi procesą turbinoje. 5-6 segmentas – izobarinis garų kondensacijos procesas kondensatoriuje. 6-1 eilutė apibūdina tiekiamo vandens slėgio didinimo siurblyje procesą. Vandens slėgio didinimo siurblyje procesas praktiškai vyksta esant pastoviai temperatūrai ir be šilumos mainų su aplinka. Be to, atsižvelgiant į tai, kad skysčiai praktiškai nesuspaudžiami, tai taip pat gali būti laikoma izochoriniu. Esant tokioms sąlygoms, 6-1 procesas vyksta esant q = 0, T = const, υ = P - υ ir T - S ir S = P - υ ir T - S. Todėl 6-1 linija T - S diagrama paverčiama tašku .
Analizuojant garo jėgainių ciklus, įvedamos šios sąvokos:
1. Turbinos techninis darbas. Pagal techninis darbas turbinos supranta visų termodinaminio ciklo procesų veikimą.
Izobariniam procesui 1-4 turime:
(7.12)
Adiabatinio garo išsiplėtimo procese turbinoje:
Naudojant izobarinį kondensacijos procesą kondensatoriuje:
(7.14)
6-1 procesui, kuris apibūdina techninį siurblio veikimą, kai q = 0,
T = const, υ = const ir S = const, gauname
Vadinasi:
2. Darbas dviračiu. Ciklo darbas apibrėžiamas kaip skirtumas tarp vamzdžio techninio darbo ir siurblio darbo.
CCP ciklo efektyvumo vertinimas atliekamas naudojant ciklo efektyvumo koeficientus. Yra terminis ir vidinis santykinis ciklo efektyvumas. Ciklo šiluminis naudingumo koeficientas suprantamas kaip ciklo darbo ir šilumos, tiekiamos iš viršutinio šaltinio, santykis. Ciklo darbas nustatomas pagal (7.17) formulę. Viršutinis šilumos šaltinis šiuo atveju yra dūmų dujos, gautas kuro degimo procese, arba aukštos temperatūros V.E.R.
Šiluma iš viršutinio šaltinio į darbinį skystį ( q 1) tiekiamas į garo katilą 1-2-3-4 būdu. Ši šiluma skaičiais lygi:
Šiuo atveju PSU ciklo šiluminis efektyvumas gali būti parašytas taip:
(7.19)
Praktikoje, analizuojant PSU darbą, dažnai naudojama formulė, kurioje neatsižvelgiama į siurblio darbą dėl jo mažumo, palyginti su techniniu ciklo darbu:
(7.20)
kur Δh yra šilumos kritimas turbinoje.
Tikrajame CCS cikle adiabatinis plėtimosi procesas garo turbinos purkštukuose yra negrįžtamas. Negrįžtamumas yra susijęs su entropijos padidėjimu, todėl tikrasis šilumos kritimas Δh d mažiau teorinis ∆h. Ant pav. 22 parodytas teorinis ir faktinis šilumos kritimas garo turbina h - S diagramoje.
Ryžiai. 22. Šilumos kritimo turbinoje grafinis vaizdas h - S diagramoje.
CCS tikrojo ciklo šiluminis efektyvumas nustatomas pagal išraišką.
Bendrosios nuostatos. Šiuolaikinėse šiluminėse elektrinėse Aukšta įtampašilumos pavertimas darbu vyksta ciklais, kuriuose vandens garai naudojami kaip pagrindinis darbinis skystis aukštas spaudimas ir temperatūra. Vandens garai susidaro garo generatoriuose ( garo katilai), kurių krosnyse jie kūrenami Skirtingos rūšys organinis kuras: anglis, mazutas, dujos ir kt.
XIX amžiaus viduryje pasiūlytas termodinaminis šilumos pavertimo darbu naudojant vandens garus ciklas. inžinierius ir fizikas U. Rankinas. principingas šiluminė schema elektrinė, veikianti Rankine ciklu, parodyta fig. 2.1.
Ryžiai. 2.1.
1 - garo generatorius; 2 - turbina; 3 - elektros generatorius; 4 - kondensatorius; 5 - siurblys
Vanduo pumpuojamas į garų generatorių 1 siurblys 5 ir dėl sudegusio kuro šilumos virsta vandens garais, kurie patenka į turbiną 2, kuri suka elektros generatorių 3. Šiluminė energija garai turbinoje paverčiami į mechaninis darbas, kuri, savo ruožtu, generatoriuje paverčiama elektra. Iš turbinos išmetami garai patenka į kondensatorių. 4. Kondensatoriuje garai paverčiami vandeniu (kondensuojasi), kuris siurblio pagalba 5 atgal į garų generatorių. Taigi ciklas uždarytas.
Ant pav. 2.2 rodo Rankine ciklą esant perkaitintam garui p, v- ir T, 5 diagramos, sudarytos iš šių procesų:
izobaras 4-5-6-] - kaitinimas, vandens išgaravimas ir garų perkaitimas garo generatoriuje dėl tiekiamos kuro degimo šilumos
Ryžiai. 2.2. Rankine ciklas ant perkaitintų garų: a- į R, v diagrama; b - in T,s- diagrama
adiabatas 1-2 - garo išplėtimas turbinoje su naudingų išorinis darbas II;
izobaras 2-3 - išmetamųjų garų kondensacija su šilumos pašalinimu 2 aušinant vandenį;
adiabatas 3-4 - kondensato suspaudimas tiekimo siurbliu iki pradinio slėgio garo generatoriuje, kai kainuoja darbas, tiekiamas iš išorės / а n.
Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį naudingasis darbas per ciklą yra lygus skirtumui tarp tiekiamos ir pašalinamos cikle šilumos:
Rankine ciklo šiluminis efektyvumas, kaip įprasta, nustatomas pagal lygtį
Rankine ciklo termodinaminiai tyrimai rodo, kad jo efektyvumas labai priklauso nuo pradinių ir galutinių garo parametrų (slėgio ir temperatūros) verčių.
Kaip minėta anksčiau, garo (darbinio skysčio) energiją patogu įvertinti pasikeitus jo būsenai entalpijos reikšme. Taigi, izobariniame procese tiekiamas šilumos kiekis 4-5-6-1 (žr. 2.2 pav.) vandens kaitinimo, garavimo ir perkaitimo metu (J / kg), q x = / (- aš 2, kur aš 2- į katilą tiekiamo kondensato entalpija. Izobarinio proceso metu išsiskiriančios šilumos kiekis 2-3 kai kondensuojasi garai 2 k = aš 2 - aš 2. Naudingi darbai atlikti turbinoje
Rankine ciklo šiluminis efektyvumas šiuo atveju yra
Garų kiekis, kurį reikia praleisti per turbiną, norint gauti 1 kWh (3600 J) energijos, t.y. teorinis specifinis suvartojimas pora
Tada bendras garo suvartojimas esant galiai N(kW) galima nustatyti pagal formulę
(2.1) ir (2.2) išraiškų tyrimas rodo, kad u didėja, a d mažėja padidėjus /, o mažėjant / 2, t.y. padidėjus pradiniams garo parametrams p x ir /, ir finalo sumažėjimas 2 p ir t2. Galutiniai garo parametrai yra tarpusavyje susiję, nes garai šioje srityje yra šlapi, todėl juos sumažinant reikia sumažinti 2 p., y., slėgis kondensatoriuje.
/, padidėjimą riboja medžiagų atsparumas karščiui, q padidėjimas, - leistinas garų drėgmės laipsnis plėtimosi pabaigoje. didelė drėgmė (X> 0,80...0,86) sukelia turbinos dalių eroziją.
Šiuo metu elektrinėse daugiausia naudojami šie garo parametrai: d, \u003d 23,5 MPa (240 kgf / cm 2) ir tx= 565 °С. Superkritiniai parametrai taip pat naudojami bandomuosiuose įrenginiuose: p x\u003d 29,4 MPa (300 kgf / cm 2) ir / | = 600...650°С.
Slėgio kritimas kondensatoriuje yra mažesnis už nustatytą vertę 2 p\u003d 3,5 ... 4 kPa (0,035 ... 0,040 kgf / m 2), o tai atitinka soties temperatūrą 1 2 = 26,2...28,6°C, pirmiausia riboja aušinimo vandens / aušinimo skysčio temperatūra, kuri svyruoja priklausomai nuo klimato sąlygos nuo 0 iki 30 °С. Su nedideliu skirtumu 1 2 - / vėsu, sumažėja šilumos perdavimo intensyvumas, didėja kondensatoriaus matmenys. Be to, sumažėjus 2 p padidėja specifinis garo tūris, dėl to padidėja kondensatoriaus dydis, taip pat paskutinės turbinos pakopos. Ant pav. 2.3 ir 2.4 grafiškai parodo padidėjimo q ir / | įtakos pobūdį ir žemesnio lygio r r dėl šiluminio efektyvumo.
regeneracinis ciklas. Garo turbinų įrenginių efektyvumui didinti, be garo parametrų didinimo, naudojamas vadinamasis regeneracinis ciklas, kurio metu tiekiamas vanduo prieš patenkant į katilo bloką pašildomas garais, paimtais iš tarpinių garo turbinos pakopų. Ant pav. 2.5 parodyta garo elektrinės su regeneraciniu tiekiamo vandens šildymu schema, kur a. |, a 2 ir a 3 - iš turbinos paimtos garo frakcijos. Vaizdas Г, 5 diagramoje yra sąlyginis, nes garo (darbinio skysčio) kiekis kinta išilgai turbinos tekėjimo kelio, o diagrama sudaryta pastoviam kiekiui.
Ryžiai. 2.3.
Pažymėtina, kad kadangi ištraukiamų garų šiluma, įskaitant garavimo šilumą, perduodama maitinamam vandeniui, o darbo gamyboje sunaudojama tik dalis garų šilumos, neįskaitant garavimo šilumos. , darbo nuostoliai dėl ekstrahavimo bus daug mažesni nei pašarinio vandens entalpijos padidėjimas. Todėl apskritai ciklo efektyvumas didėja. Tačiau padidės ir savitasis garo sunaudojimas, kadangi pasirinkta garo dalis nevisiškai dalyvauja atliekant darbus, o norint gauti tam tikrą galią, reikėtų didinti jos suvartojimą. Tiesa, ši aplinkybė palengvina paskutinių turbinų etapų projektavimą, todėl galima sumažinti jų menčių ilgį.
Naudojant regeneracinį šildymą, prireikus galima išjungti ekonomaizerį, skirtą tiekiamo vandens šildymui išmetamosiomis dujomis, naudojant išmetamųjų dujų šilumą į krosnį patenkančiam orui šildyti.
Ryžiai. 2.4. Slėgio kondensatoriuje sumažinimo įtaka garų drėgmei plėtimosi pabaigoje a) ir Rankine ciklo ekonomika ( b)
Ryžiai. 2.5.
a- montavimo schema: 1 - boileris; 2 - perkaitintuvas; 3 - garo turbina su tarpiniais garo ištraukimais; 4 - elektros generatorius; 5 - regeneraciniai šildytuvai; 6 - siurbliai; 7 - kondensatorius; 6 - proceso vaizdas (sąlyginis) Г,5-koordinatėse: /...7 diagramos taškai
Efektyvumo padidėjimas naudojant regeneraciją yra
10...15 proc. Tuo pačiu metu šilumos taupymas cikle didėja didėjant pradiniam garų slėgiui r x. Taip yra dėl to, kad didėjant p x pakyla vandens virimo temperatūra, taigi ir šilumos kiekis, kurį galima atnešti į vandenį, kai jis šildomas pasirinktais garais. Šiuo metu visose didelėse elektrinėse naudojamas regeneracinis šildymas.
Ciklas su tarpiniu (antriniu) garų perkaitinimu. Iš regeneracinio ciklo analizės matyti, kad naudojant aukšto slėgio garą, jo drėgmės kiekis turbinoje plėtimosi proceso pabaigoje tampa reikšmingas net esant labai aukštai pradinei temperatūrai. Tuo tarpu turbinų eksploatavimas šlapiu garu yra nepriimtinas, nes dėl to didėja turbinų menčių nuostoliai ir susidėvėjimas (erozija). mechaninis poveikis ant jų esančios drėgmės dalelės.
Kai naudojamas aukšto slėgio garas, jo pradinės temperatūros padidinimas iki priimtinų verčių dėl perkaitintuvo ir garo turbinos metalo stiprumo gali nepakakti, kad būtų užtikrinta priimtina garo drėgmė pasibaigus plėtimosi procesui turbinoje. Todėl tam tikroje plėtimosi stadijoje esantis garas turi būti pašalintas iš turbinos ir pakaitintas specialiame perkaitintuve, po kurio perkaitinti garai vėl įvedamas į turbiną, kur baigiasi jos plėtimosi procesas. Dėl to, kai garai pagaliau išsiplečia iki praktikoje priimtų slėgių, jo drėgnumas neviršija leistinų verčių.
Garo turbinų įrenginiai, naudojantys šį metodą, vadinami įrenginiais su pašildyti pora. At teisingas pasirinkimas garų ištraukimo slėgis pakartotiniam pašildymui ir pakaitinimo temperatūra ne tik apsaugo nuo per didelio garų drėkinimo pabaigoje
Ryžiai. 2.6. Tarpinis garų perkaitinimas Rskin cikle: a- montavimo schema: 1 - boileris; 2 - perkaitintuvas; 3 - turbina; 4 - elektros generatorius; 5 - tarpinis (antrinis) perkaitintuvas; 6 - kondensatorius; 7 - siurblys (maistinis); b- apdoroti vaizdą T,s- ir /,3- koordinatės: 1...5- diagramos taškai
plėtimosi procesą, tačiau taip pat pasiekiamas tam tikras įrenginio šiluminio efektyvumo padidėjimas.
Naudojant vieną tarpinį garo perkaitimą, įrenginio šiluminis efektyvumas padidėja 2 ... 3%. Garo jėgainės su tarpiniu garo pašildymu schema parodyta fig. 2.6.
Ryžiai. 2.7. Paprasčiausio šildymo įrenginio schema: / - boileris; 2- perkaitintuvas; 3 - turbina; 4 - kondensatorius; 5- šildymo sistema; 6 ir 7 - siurbliai
šildymo ciklas. Tais atvejais, kai sunaudojamos teritorijos greta šiluminių elektrinių didelis skaičiusšilumos, patartina naudoti kombinuotą šilumos ir elektros gamybos būdą, o ne atskirai tiekti šias zonas šiluma iš specialių katilų, o elektra – iš kondensacinių elektrinių. Įrenginiai, skirti bendrai šilumos ir elektros energijos gamybai, vadinami kogeneracinėmis elektrinėmis (CHP). Jie veikia pagal vadinamąjį šildymo ciklą.
Paprasčiausia šildymo įrenginio schema parodyta fig. 2.7 su pagrindiniais garo jėgainės elementais. Skaičius 5 nurodo šilumos vartotoją (pavyzdžiui, šildymo sistemą). Aušinimo vanduo, varomas siurbliu 6 cirkuliuoja uždaroje grandinėje, kuri apima šilumos vartotoją. Vandens temperatūra kondensatoriaus išleidimo angoje yra šiek tiek žemesnė už kondensato temperatūrą / n, tačiau pakankamai aukšta patalpų šildymui.
Kondensatas esant temperatūrai tH paimamas siurbliu 7 ir po suspaudimo tiekiamas į katilą 1. Aušinimo vanduo kaitinamas kondensuojančių garų šiluma ir siurblio sukuriamu slėgiu 6, patenka į šildymo sistemą 5. Joje pašildytas vanduo atiduoda šilumą aplinką, teikiant reikalinga temperatūra patalpose. Išėjus šildymo sistema Atvėsęs vanduo vėl patenka į kondensatorių ir vėl pašildomas iš turbinos sklindančiais garais.
Jei yra daugiau ar mažiau nuolatinis gamybinio garo vartotojas, naudojama turbina, veikianti su priešslėgiu be kondensatoriaus.
Šildymo įrenginiuose, kurių ciklas parodytas fig. 2.8 a, naudojamos trijų tipų turbinos: su priešslėgiu p 2 = 1,2... 12 barų (2.8 pav., b); pablogėjęs vakuumas / ^ = 0,5 ... 0,9 baro (2.8 pav., in) ir kontroliuojamas garų ištraukimas (2.8 pav., G).
Atgalinio slėgio turbinos yra gana paprasti, nedideli ir pigūs, tačiau retai naudojami, nes jų pagalba pagaminamos elektros energijos kiekis priklauso ne nuo elektros, o nuo šiluminių vartotojų, kurie yra labai nestabilūs.
Turbinos su pablogėjusiu vakuumu nesant šiluminių vartotojų, jie gali dirbti su garo plėtimosi iki gilaus vakuumo, kaip ir kondensaciniai, tačiau jų elektros gamyba priklauso ir nuo šilumos suvartojimo.
Turbinos su kontroliuojamu ištraukimu neturi šių trūkumų, leidžia laisvai keisti elektros ir šiluminė apkrova, t.y. darbą lanksčiu grafiku. Jie daugiausia naudojami šiluminėse elektrinėse. Ant pav. 2.8 G parodyta tokio įrengimo schema su vienu reguliuojamu garo ištraukimu 6 temperatūroje (priklausomai nuo elektros ir šilumos poreikių), kuris montuojamas naudojant vožtuvą 12, esantis ties linija tarp aukštų turbinos pakopų 11 ir žemas 13 spaudimas.
Ryžiai. 2.8. Šildymo ciklas a) ir trijų tipų įrenginiai: su priešslėgiu b), pablogėjęs vakuumas (c) ir kontroliuojamos atrankos
/... 10 - diagramos taškai; II- aukšto slėgio turbinos dalis; 12 - pasirinktų garų kiekio reguliatorius; 13 - turbinos dalis žemas spaudimas
Įjungiamas šildymo ciklas T, s- diagrama parodyta fig. 2.9. Kontūro plotas, apribotas storomis linijomis, atitinka šilumą q ne", paverčiamas mechaniniu darbu turbinoje. Plotas, esantis po nurodytu kontūru ir atitinkantis šilumos kiekį 2 k., nunešamas aušinimo vandens, šiuo teoriniu atveju jis nėra švaistomas be reikalo, o naudojamas šildymui. Šiuo būdu, viso naudingas šilumos panaudojimas susideda iš grindų ir q 2 ?
Ryžiai. 2.9. Šildymo ciklo vaizdas T, h diagrama
Šildymo ciklo šiluminis naudingumo koeficientas yra mažesnis už atitinkamo kondensacijos ciklo, kurio metu garai išsiplečia turbinoje iki labai žemo slėgio (/> 2 = 3 ... 5 kPa), šiluminį naudingumą gaminant. naudingo darbo, o aušintuve virsta kondensatu, o iš jo paimta šiluma kondensatoriuje visiškai prarandama kartu su aušinimo vandeniu. Tai paaiškinama tuo, kad šildymo cikle galutinis garų slėgis 2 pžymiai viršija įprastą slėgį garo turbinos, veikiančios kondensacijos ciklu, kondensatoriuje. slėgio padidėjimas 2 p., kaip matyti iš Г,5 diagramos (žr. 2.9 pav.), tai atitinka šilumos kiekio sumažėjimą q ne", naudojamas garo turbinoje (sumažinant plotą 1-2-3-4-5), ir karščio padidėjimas 2 k., nunešamas aušinimo vandens (padidinant plotą 1-5-4"-G), o pabaigoje – Hz sumažėjimas.
Kalbant apie šildymo ciklą, jo šiluminis efektyvumas negali būti visavertis efektyvumo matas, nes neatsižvelgiama į naudingas naudojimas tos šilumos dalies, kuri nevirsta darbu, vartotojas, t.y. šiluma 2 k.
Todėl šildymo ciklų efektyvumui įvertinti naudojamas vadinamasis šilumos panaudojimo koeficientas, kuris yra viso naudingai sunaudotos šilumos kiekio santykis (t.y. šilumos pavertimo darbu suma ir lygi q n0", o vartotojo sunaudota šiluma, jos nepavertus darbu, lygi 2 k.), bendram darbiniam skysčiui tiekiamam šilumos kiekiui:
Teoriškai, nes q t= P0L + 2 k.,šis koeficientas lygus vienam. Praktiškai jo vertė svyruoja nuo 0,65 iki 0,7.
Tai rodo, kad šildymo cikle laipsnis šilumos naudojimas beveik dvigubai daugiau nei grynai kondensacijos cikle. Todėl kombinuotas šilumos ir elektros energijos gamybos būdas yra reikšmingas ekonomiškesnis būdas atskira jų gamyba.
