Способы повышения эффективности ПТУ
Паровой цикл Карно
Наиболее эффективным циклом теплового двигателя сточки зрения термодинамики является цикл Карно, состоящий из двух адиабатных процессов сжатия и расширения и двух изотермических процессов подвода и отвода теплоты.
Пар приготовляется в котле (КТ) путем подвода теплоты сгорания топлива к жидкости (воде) в процессе 4-1 при постоянных давлении и температуре (парообразование или кипение в котле); сухой насыщенный пар поступает на турбину (ПТ), где совершает работу в адиабатном процессе 1-2 расширения пара; турбина соединена с электрогенератором (ЭГ); отработавший пар попадает в конденсатор (КН), где отдает теплоту (процесс конденсации пара 2-3) охлаждающей среде (воде или воздуху); затем компрессором (КМ) сжатый конденсат возвращается в котел (адиабатное сжатие 3-4).
Состояние 4 – кипящая вода, состояние 1 – сухой насыщенный пар, состояние 2 и 3 – пар со степенью сухости х2 и х3 соответственно.
Термический КПД цикла Карно на водяном паре равен (формула)
ПТУ, работающие по циклу Карно, практически невыгодны, так как:
- увеличение КПД путем завышения температуры пара Т1 в процессе подвода теплоты ограничено температурой критической точки ТК=647,3 К;
- температура холодного источника Т2 ограничена снизу температурой окружающей среды;
- т.к. конденсация пара в процессе 2-3 осуществляется не полностью, то объем цилиндра компрессора должен быть весьма значителен, а это затраты на металл; размеры цилиндра компрессора возрастают с увеличением давления пара в котле и с уменьшением давления в конденсаторе, т.е. при переходе к более выгодным температурным режимам; работа парового цикла (пл. 1-2-3-4) и работа на привод компрессора (пл. р1-3-4-р2) соизмеримы;
|
|
|
- турбина работает на влажном паре, вследствие эрозии ее лопатки быстро изнашиваются;
- последнее (большая влажность пара) также относится и к работе компрессора.
Таким образом, для водяного пара цикл Карно сохраняет лишь теоретическое значение эталонного цикла.
Цикл Ренкина
Цикл Ренкина, цикл ПТУ, в котором пар после турбины полностью конденсируется (до жидкого состояния), а полученный конденсат адиабатно сжимается в насосе до давления в котле. В цикле возможен перегрев пара. Принципиальная схема и цикл с перегревом пара представлены на рисунке.
В паровом котле К происходит изобарный процесс подогрева воды до температуры кипения 4-5 и парообразование 5-6. Пар поступает в пароперегреватель ПП, где изобарно перегревается 6-1. Перегретый пар адиабатно расширяется в турбине Т, процесс 1-2, в результате кинетическая энергия пара преобразуется в механическую работу вращения вала турбины и связанного с ней генератора Г. Затем пар поступает в конденсатор КН, где за счет охлаждающей воды изобарно конденсируется, процесс 2-3. Конденсат адиабатно сжимается в насосе Н, процесс 3-4, и поступает в котел.
|
|
|
Таким образом, подвод теплоты в цикле Ренкина происходит изобарно в процессе 4-5-6-1: q1 = h1 – h4.
Отвод теплоты происходит изобарно в процессе 2-3: q2 = h2 – h3.
Работа (располагаемая) получатся в турбине в адиабатном процессе 1-2: lT = h1 – h2.
Работа затрачивается в насосе в адиабатном процессе 3-4: lН = h4 – h3.
Полезная работа, получаемая в цикле: lПТУ = lT – lН = q1 – q2.
Термический КПД цикла:
Поскольку работа, затраченная в насосе гораздо меньше работы произведенной турбиной, то для прикидочных расчетов величиной lН можно пренебречь. Величина термического КПД зависит от параметров пара на входе и выходе из турбины. КПД увеличивается если: увеличивается начальное давление р1 и температура t1, а также уменьшается конечное давление р2. Цикл Ренкина является основным циклом ПТУ.
Рассмотрим цикл Ренкина на насыщенном паре.
Схема установки отличается от предыдущей схемы тем, что в данном случае будет отсутствовать перегреватель. Поэтому на турбину будет поступать насыщенный пар. На рис.7.2,а изображен цикл Ренкина в TS- диаграмме.
|
|
|
Процессы:
3-1 – подвод теплоты от источника в воде q1, состоит из двух процессов:
3-3/ - кипение воды в котле;
3/-1 – испарение воды в пар при постоянном давлении;
1-2 – в турбине пар расширяется адиабатически;
2-2/ - пар конденсируется и отдает тепло q2 охлаждающей воде;
2/-3 – конденсат адиабатически сжимается.
Термический к.п.д. цикла Ренкина определяется по уравнению:
ηt = (q1 – q2)/q1 . (7.1)
Так как: q1 = h1 – h3 ; q2 = h2 – h2
то
ηt = [(h1 – h2) - (h3 – h2/)] /( h1 – h3) = l / q1. (7.2)
Полезная работа цикла равна разности работ турбины и насоса:
l = lт – lн ,
где: lт = h1 – h2 , lн = h3 – h2
В основном lт >> lн , тогда считая h3 = h2 можно записать:
ηt = (h1 – h2)/( h1 – h3) . (7.3)
Теоретическуя мощность турбины рассчитывают по формуле:
Nт = (h1 – h2)·D/3600 , [Вт] (7.4)
где: D = 3600·m – часовой расход, [кг/ч]
m – секундный расход, [кг/с]
Способы повышения эффективности ПТУ
В реальном тепловом двигателе процессы необратимы, поскольку имеют место потери энергии вследствие трения и наличия других сопротивлений. Поэтому работа, мощность и КПД энергетической установки в действительности меньше, чем в идеальном цикле.
В частности, потери в действительном процессе расширения пара в турбине ПТУ, в результате которых растут энтальпия и энтропия по сравнению с их значениями в идеальном процессе, называются внутренними.
|
|
|
Из-за наличия этих внутренних потерь в турбине работа, получаемая в турбине:
Действительный КПД ПТУ с учетом внутренних потерь в турбине равен
где ηoi показывает, насколько действительный цикл менее совершенен, чем обратимый цикл (i – узел, в котором учитываются необратимые потери, в нашем случае это – турбина), и называется внутренним относительным КПД цикла.
Рассмотрим некоторые пути повышения эффективности ПТУ.
I. При увеличении давления пара в котле р1 (при постоянном давлении в конденсаторе р2 и температуре пара на выходе из пароперегревателя Т1) КПД цикла значительно увеличивается, что связано с повышением температуры насыщенного пара и, как следствие, с увеличением средней температуры подвода теплоты.
Но одновременно повышается конечная влажность пара (точка 2), в результате чего капли воды разрушают лопатки последних ступеней турбины (увеличивается относительный КПД турбины ηoi).
II. Повышение начальной температуры пара Т1 также увеличивает среднюю температуру подвода теплоты, к тому же (при постоянстве других параметров) увеличивается степень сухости отработанного пара. Повышение температуры перегрева пара ограничено жаропрочностью материала ПТУ.
III. Величина отводимой теплоты уменьшается с уменьшением давления отработавшего пара р2 и одновременно увеличивается доля теплоты, превращенной в полезную работу цикла. С другой стороны, с понижением р2 увеличивается влажность пара в конце процесса расширения в турбине, что приводит к увеличению потерь энергии и эрозионному износу деталей турбины. Допустимая влажность составляет 12 … 14%.
IV. Введение промежуточного перегрева пара вызывает изменения в цикле (рис. 12.7) и схеме ПТУ (рис. 12.8).
В этой установке турбина выполняется из двух частей – части высокого давления и части низкого давления. Промежуточный перегрев пара между этими частями установки (при правильном выборе давления промежуточного перегрева) позволяет избежать повышенной влажности в конце процесса расширения и, тем самым, предотвратить эрозию лопаток турбины, снизить потери на трение и повысить относительный внутренний КПД. Возможно применение многократного промежуточного перегрева. Каждая дополнительная ступень перегрева связана с потерей давления пара и усложнением установки.
V. Для повышения экономичности цикла ПТУ необходимо увеличивать среднюю температуру подвода теплоты в цикле. Поэтому большое значение имеет повышение температуры питательной воды, т.е. температуры, с которой начинается подвод теплоты в цикле. Для этой цели применяют специальные устройства регенераторы, которые передают теплоту, отобранную от рабочего тела в одном месте цикла, ему же, но в другом процессе цикла. Для осуществления регенерации необходимо, чтобы в цикле имелись участки, на которых подвод и отвод теплоты производились бы в одинаковых температурных условиях.
На рис. 12.9 представлена диаграмма цикла Ренкина с идеальным регенератором, в котором теплота отработанного пара идет на нагрев питательной воды после выхода из конденсатора. Таким образом, количество отведенной теплоты уменьшается, и, следовательно, КПД цикла увеличивается.
Газотурбинная установка - агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя, редуктора, генератора и вспомогательных систем.
Газотурбинный двигатель – это тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на вал.
Рассмотрим принцип работы газотурбинной установки.
1 – разгонный двигатель;
2- камера сгорания;
3- компрессор;
4 – газовая турбина
Многоступенчатый компрессор сжимает атмосферный воздух, и подает его под высоким давлением в камеру сгорания. В камеру сгорания подается и определенное количество топлива. При столкновении на высокой скорости топливо и воздух воспламеняются. Топливовоздушная смесь сгорает, выделяя большое количество энергии. Затем, энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струями раскаленного газа лопаток турбины.
Некоторая часть полученной энергии расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на электрический генератор. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТУ. Отработавшие газы направляются в утилизатор для получения тепловой энергии.
Чтобы более понятно и подробно узнать принцип действия газотурбинной установки, рассмотрим циклы ГТУ.
Циклы, такие как:
- цикл Брайтон (цикл при постоянном давлении)
- цикл работы ГТУ с подводом теплоты при постоянно объеме
- регенеративный цикл.
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 1191; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!