Краткие теоретические сведения
Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом паросиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике. В качестве рабочего тела используется водяной пар. Паросиловые установки обычно состоят из паровых котлов
(парогенераторов) и паровых двигателей (паровых машин или паровых турбин) для пароходов, паровозов, паровых автомобилей или электрических генераторов (тепловых и атомных электростанций).
Известно, что большая часть мировых энергетических ресурсов направляется на выработку электроэнергии и работу транспорта, где бесчисленное количество тепловых преобразователей энергии, превращают их в полезную работу. Эффективность преобразователей энергии, к которым относятся двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные, паротурбинные и другие энергетические установки, способна снизить не только экономические, но и экологические проблемы, что заставляет постоянно совершенствовать их конструкцию.
Цикл Ренкина - теоретический термодинамический цикл паровой машины, состоящий из четырех основный операций:
· 1- испарения жидкости при высоком давлении;
· 2- расширения пара;
· 3- конденсации пара;
· 4- увеличения давления жидкости до начального значения.
На рис. 5. 1 представлена технологическая схема паросиловой установки для производства электроэнергии.
Пар большого давления и температуры подается в сопловые аппараты турбины, где происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую энергию потока пара (скорость потока – сверхзвуковая). Кинетическая энергия сверхзвукового потока превращается на лопатках турбины в кинетическую энергию вращения колеса турбины и в работу производства электроэнергии.
|
|
|
После турбины пар направляется в конденсатор. Это обычный теплообменник, внутри труб проходит охлаждающая вода, снаружи – водяной пар, который конденсируется, вода становится жидкой и поступает в питательный насос, где происходит увеличение давления до номинальной (проектной) величины.
Далее вода с высоким давлением направляется в котельный агрегат. В этом агрегате вода сначала нагревается до температуры кипения от дымовых газов из топки котла, затем поступает в кипятильные трубы, где происходит фазовое превращение вплоть до состояния сухого насыщенного пара.
Сухой насыщенный пар идет в пароперегреватель, обогреваемый топочными дымовыми газами из топки. Цикл оборота рабочего тела повторяется. Этот цикл паросиловой установки предложил немецкий инженер Ренкин.
Рис. 5.1 Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина.
|
|
|
Влажный насыщенный пар с параметрами P1, ts1, Xk (точка 5 рис. 5.2), полученный
в паровом котле ПК поступает в пароперегреватель ПП, где при постоянном давлении сначала подсушивается от Xk до Х=1 (процесс 5-а”), а затем перегревается от ts1 до t1
(процесс a”-1). Перегретый пар после пароперегревателя ПП подается в турбину T и адиабатно расширяется в ней от состояния 1 до состояния 2. Влажный пар низкого давления P2 (точка 2) после турбины направляется в конденсатор K, где от него при постоянных давлении P2 и температуре ts2 с помощью охлаждающей воды отводится теплота q2 (процесс 2-3).
Рис. 5.2 PV и TS-диаграммы цикла Ренкина.
Процесс конденсации в цикле Ренкина доводится до конца, т.е. до получения насыщенной жидкости при постоянном давлении P2 (точка 3). Жидкость поступает в насос Н, где адиабатно сжимается до высокого давления P1 (процесс 3-4) и подается в паровой котел ПК, где вначале вода нагревается до температуры насыщения ts1 (процесс 4-а’), а затем идет процесс парообразования (процесс а’-5).
Теоретическая работа сжатия Lц воды в насосе Н (a’43a’) очень мала (вода практически несжимаема, вся затрачиваемая работа в насосе идет на проталкивание воды, удельный объем воды невелик, поэтому работа проталкивания (P1-P2)V мала).
|
|
|
Процесс 3-4 в насосе вырождается в точку, если пренебречь ничтожно малым повышением температуры при адиабатном сжатии воды от P2 до P1, т.е. точка 4 (ненасыщенная жидкость давления P1) совпадает с точкой 3 (насыщенная жидкость давления P2).
После насоса ненасыщенная жидкость (точка 4) нагревается до температуры насыщения ts1 (точка a’), соответствующей давлению в котле P1. Теплота q1 подводится в
| паровой | котле ПК (процесс 4-5) и пароперегревателе ПП (процесс 5-1) – площадь | ||
| c4a’a”1fc, | которая включает в себя | ||
| теплоту подогрева воды в котле (с4a’dc) – | процесс 4-a’, | ||
| теплоту парообразования в котле (da’5cd) – | процесс a’-5, | ||
| подсушку пара в пароперегревателе (c5a”rc) – | процесс 5-a”, | ||
| перегрев пара в пароперегревателе (ka”1fk) – | процесс a”-1. | ||
Полезная работа цикла представляет собой разность работ турбины и насоса Lц = Lт – L н = q1 – q2
и выражается площадью 12341 на диаграмме PV и площадью 1234a’a”1 на диаграмме TS. В hs-диаграмме (рис. 5.3) процессы подвода и отвода теплоты определяются как разность энтальпий:
Q1 = h1 – h4,
Q2 = h2 – h3,
Lц = h1 – h4 - h2 + h3 = h1 – h2, т.к. h3 = h4.
Разность энтальпий (h1 – h2) определяет удельную работу пара в турбине и называется
|
|
|
располагаемым теплопопаданием.
35
Рис. 5.3 h-s диаграмма цикла Ренкина
Термический к.п.д. цикла Ренкина с перегретым паром
Решение примеров .
Дано: Давление пара в котле и пароперегревателе P1, температура перегретого пара t1, давление пара в конденсаторе P2 и степень сухости пара на выходе из котла Xk (Табл.5.2). Необходимо рассчитать цикл Ренкина паросиловой установки.
Построение цикла Ренкина начинается с построения пограничной кривой жидкости. Из справочника по теплофизическим свойствам воды и водяного пара необходимо выписать 10-15 промежуточных давлений в интервале P1-P2 и соответствующих им параметров в таблицу 5.1.
| Табл.5.1 | |||||||
| P | ts | Ts | h’ | S’ | h’’ | S’’ | r |
| P1 | |||||||
| P2 |
Pкр
К параметрам насыщенной воды относятся обозначения с одним штрихом, к параметрам сухого насыщенного пара – с двумя штрихами.
Используя сплайновую интерполяцию (математический пакет MathCad) необходимо построить пограничную кривую жидкости ОК (параметры h’, S’) и пограничную кривую пара КМ (параметры h”, S”).
Необходимо обозначить точки
3 (характеризует состояние насыщенной жидкости при давлении P2), a’ ( характеризует состояние насыщенной жидкости при давлении P1).
На пограничной кривой пара точки a’’ и М соответствуют состоянию сухого насыщенного пара при давлении P1 и P2.
В области влажного пара изобары (изотермы) представляют собой прямые линии. Соединив прямой линией точки a’ и a”, получим изобару P1, соединив точки 3 и М – изобару P2 в области влажного пара.
Точка 1 (перегретый пар на выходе из пароперегревателя или на входе в турбину) находится на пересечении изобары P1 и изотермы t1. Изобара P1 после точки a” не является прямой, так как соответствует условиям перегретого пара.
Изобара P1 состоит из участков:
4 - a’ область ненасыщенной жидкости,
a’ - a” – область влажного пара,
a” – 1 – область перегретого пара.
В паровой турбине происходит процесс адиабатного расширения пара от P1 до P2 при постоянной энтропии, чему соответствует вертикальная линия из точки1 до пересечения ее с изобарой P2. Точка 2 характеризует состояние пара на входе в конденсатор. Процесс конденсации пара происходит при постоянном давлении P2 (и постоянной температуре) изображается отрезком прямой 2-3.
Адиабатный процесс сжатия воды от p2 до P1 в насосе изображается отрезком 3-4, однако этот процесс вырождается в точку (совпадение точек 3 и 4).
Процесс в паровом котле 4-5 – на изобаре P1 необходимо найти точку 5, соответствующую сухому пару на выходе из котла.
h5 = h’ +rXk,
S5 = S”Xk + S’(1-Xk),
Величины h’, r, S’, S” берутся из справочника по теплофизическим свойствам воды
и водяного пара для давления P1.
Оставшийся отрезок изобары P1 (5-1) соответствует процессу в пароперегревателе
и состоит из двух участков: 5 - a” – подсушка пара а” 1 – перегрев пара.
В результате получается круговой процесс 1234a’5a”1, соответствующий циклу
Ренкина.
| Количество отведенной теплоты | q2 | = h2 – h3 |
| Степень сухости пара в точке 2 | x2 = (S2 – S’) / (S” – S’), причем S2 = S1 | |
| Энтальпия пара в точке 2 | h2 | = h’ + r x2 |
Значения S’, S”, h’, r берутся из таблицы для P2.
Расчет цикла Ренкина сводится к определению:
· Количества теплоты, подведенной в цикле,
· Количества теплоты, подведенной только в котле,
· Количества теплоты, подведенной только в параперегревателе,
· Количества теплоты, отведенной в цикле,
· Термического к.п.д. цикла Ренкина,
· Удельного расхода пара,
· Полезной работы цикла,
· Адиабатного тепловыпадения.
| Табл. 5.2 | ||||
| № | P1, МПа | P2, кПа | T1, оС | Xk |
| 1 | 1,0 | 20 | 380 | 0,90 |
| 2 | 1,2 | 18 | 390 | 0,91 |
| 3 | 1,4 | 16 | 400 | 0,92 |
| 4 | 1,5 | 14 | 410 | 0,93 |
| 5 | 1,6 | 12 | 420 | 0,94 |
| 6 | 1,8 | 10 | 430 | 0,95 |
| 7 | 2,0 | 8 | 440 | 0,96 |
| 8 | 2,2 | 6 | 450 | 0,97 |
| 9 | 2,4 | 20 | 380 | 0,98 |
| 10 | 2,5 | 18 | 390 | 0,97 |
| 11 | 2,6 | 16 | 400 | 0,96 |
| 12 | 2,8 | 14 | 410 | 0,95 |
| 13 | 3,0 | 12 | 420 | 0,94 |
| 14 | 1,0 | 10 | 430 | 0,93 |
| 15 | 1,2 | 8 | 440 | 0,92 |
| 16 | 1,4 | 6 | 450 | 0,91 |
| 17 | 1,5 | 20 | 380 | 0,90 |
| 18 | 1,6 | 18 | 390 | 0,91 |
| 19 | 1,8 | 16 | 400 | 0,92 |
| 20 | 2,0 | 14 | 410 | 0,93 |
Контрольные вопросы
1. Какие агрегатные состояния воды используются в установках, работающих по циклу Ренкина?
2. Какие термодинамические процессы последовательно происходят в установках, работающих по циклу Ренкина?
3. Что из себя представляют пограничные кривые воды и пара?
4. Каковы особенности адиабатного расширения пара в паровой турбине?
5. Каковы особенности адиабатного сжатия воды в насосе?
6. Из каких условий определяется термический к.п.д. цикла Ренкина?
7. Что из себя представляет cтепень сухости пара?
8. Для каких целей служит конденсатор в установках, работающих по циклу Ренкина?
9. При каких условиях происходит процесс конденсации пара в конденсаторе?
10. В каком устройстве вода доводится до состояния сухого насыщенного пара?
Практическое занятие № 6
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 543; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!