Циклы пароэнергетических установок

Идеальный цикл Ренкина

Подавляющее большинство теплоэнергетических установок стационарной энергетики составляют пароэнергетические установки, рабочим телом которых служит водяной пар. Используются такие установки в транспортной энергетике и в подъемно-транспортной технике.

Как указывалось, наиболее совершенным циклом, имеющим наивысший КПД в заданном температурном интервале, является цикл Карно. Однако его нельзя считать наилучшим для водяного пара с точки зрения полезной работы, производимой в нем. Эта работа весьма мала (на 1 кг пара) из-за больших затрат энергии на привод парокомпрессора, в связи с чем за теоретический цикл паросиловой установки принимается цикл Ренкина, в котором вместо парокомпрессора используется питательный насос (рис. 5.19, а). В паровом котле ПК за счет теплоты сгоревшего в топке топлива происходит парообразование. Перегретый пар, образовавшийся в котле, направляется в паровую машину (турбину) Т. В ней тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Отработавший пар из машины поступает в конденсатор К, где, конденсируясь, отдает часть теплоты охлаждающей воде. Полученный конденсат питательным насосом IIII направляется обратно в котел.

Рис. 5.19. Схема пароэнергетической установки (а) и ее идеальный цикл (цикл Ренкина) на рабочей диаграмме (б) Теоретический цикл пароэнергетической установки в диаграмме pv изображен на рис. 5.19, б. В котле при постоянном давлении р_{ происходит подогрев воды до температуры кипения (линия 4—а'), процесс парообразования (линия а'—а") и процесс перегрева пара (линия а" —1). Перегретый пар с параметрами р_х и t_x поступает в паровую машину или турбину, где он расширяется адиабатно до давления р₂ и энтальпии i₂ (линия 1—2). По выходе из машины пар может остаться перегретым (t₂) или стать влажным (х₂). На рис. 5.19, б процесс расширения пара заканчивается в области влажного пара.

При давлении р₂ в конденсаторе начинается изобарно-изотермический процесс конденсации водяного пара (линия 2—3), в результате которого образуется вода с температурой (t_s2 = ?₃ = t₂) и энтальпией г₃ (i₂). Полученный конденсат питательным насосом подается в котел (линия 3—4). В результате адиабатного (изохорного) сжатия давление его после насоса будет р_{ и энтальпия z₄.

Работа за цикл /_ц равна разности работ /_м (полученной в машине) и /_н (затраченной на работу насоса). На^{-диаграмме} работа машины численно равна площади а—1—2—Ь, а работа насоса — площади b—3—4—a. Работа /_н очень мала по сравнению с /_м, поэтому обычно считают /_н * 0, а /_ц ~ /_м.

Цикл Ренкина на диаграммах Ts и is показан на рис. 5.20. На этих диаграммах приняты те же обозначения характерных точек цикла, что и на диаграмме pv.

В связи с тем что в результате адиабатного сжатия воды в насосе температура и энтальпия ее повышаются незначительно, точки 3 и 4 практически сольются, а изобары подогрева воды в котле на диаграммах Ts и is совпадут с нижней пограничной кривой. Последнее равносильно сделанному ранее допущению, что работа насоса равна нулю.

С учетом этого допущения, количество теплоты, подведенной в котел в изобарном процессе,.

Рис. 5.20. Изображение цикла Ренкина на Ts- и^{-диаграммах} Работа, полученная за цикл,.

Используя (5.1) и имея в виду, что г₃ = i'₂, получаем следующее выражение для термического КПД цикла Ренкина:

Работу цикла и его термический КПД можно определить по диаграмме is водяного пара.

При работе крановых машин по разомкнутому циклу температура питательной воды меньше температуры t_s2, в связи с чем дополнительно затрачивается теплота в котле на подогрев ее от t_{n B} до t_s2.

Количество теплоты, подведенной в котел, в данном случае составит.

а термический КПД цикла В качестве паровой машины для преобразования теплоты в механическую работу используются многоступенчатые турбины и, значительно реже, поршневые машины.