Циклы паросиловых установок (ПСУ)
Основным рабочим телом ПСУ является водяной пар, который используется как в насыщенном, так и в перегретом состоянии.
Цикл Карно для насыщенного пара паросиловой установки
Принципиальная схема ПСУ:
1 - котел;
2 - перегреватель;
3 - паровая турбина;
4 - электрогенератор;
5 - конденсатор;
6 - конденсационный насос;
7 - питательный бак;
8 - питательный насос;
9 - подогреватель.
Химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания, которая затем в виде теплоты передается воде и пару в котле и перегревателе. Полученный пар направляется в паровую турбину, где происходит преобразование теплоты в механическую энергию, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе. Отработавший пар поступает в конденсатор, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат конденсационным насосом направляется в питательный бак, откуда вода забирается питательным насосом, сжимается до давления, равного давлению в котле, и подается через подогреватель в паровой котел.
0 - вода с давлением р1 и температурой насыщения t1 поступает в котел;
0 -1 - изобарный подвод тепла (и одновременно изотермический);
1 - пар становится сухим насыщенным;
1 -2 - адиабатное расширение пара в турбине;
2 - 3 - изобарный (изотермический) отвод тепла в конденсаторе;
3 - 0 - адиабатное сжатие пара в компрессоре.
Так как пар в конденсаторе влажный, т. е. состоит из пара и жидкости, то на выходе из конденсатора он направляется в компрессор, где превращается в жидкость с давлением р1 и температурой t1.
Условие для осуществления цикла Карно: цикл осуществляется в области насыщенного пара.
|
Так как, если подвод тепла осуществляется в области перегретого пара, и подвод является изобарным, но не изотермическим. При изотермическом подводе тепла уменьшается давление.
Термический КПД цикла Карно для насыщенного пара:
Недостатки ПСУ, работающие по циклу Карно:
1) конденсация пара осуществляется не полностью, поэтому для того, чтобы сжать влажный пар необходимо иметь большой объем цилиндра компрессора (расход материала);
2) цикл осуществляется в области насыщенного пара, поэтому начальная температура пара не может быть высокой (она ограничена температурой кипения), и невозможно получить высокий КПД;
3) действительная затраченная работа на привод компрессора значительно больше, чем теоретическая вследствие потерь.
Цикл Ренкина
Цикл Ренкина позволяет осуществить полную конденсацию рабочего тела в конденсаторе, поэтому компрессор можно заменить питательным насосом. Цикл может осуществляться в области перегретого пара.
0 - 1 - изобарный подвод теплоты в котле, подогревателе и перегревателе;
1 - 2 - адиабатное расширение пара в турбине;
2 - 3 - изобарный отвод тепла в конденсаторе;
3 - 0 - изохорное повышение давления в насосе;
0 - 4 - нагрев воды до температуры кипения в подогревателе;
1’ - 1 - процесс перегрева пара в перегревателе.
Термический КПД:
- без учета затраченной работы в насосе (незначительная по сравнению с работой, затраченной в турбине)
Влияние начальных параметров пара на величину КПД цикла Ренкина
1) Повышение начального давления пара;
|
С увеличением начального давления пара от до
при одинаковом давлении
, температуре
перегретого пара, степени сухости удельная работа цикла увеличится.
С увеличением начального давления пара удельный расход пара уменьшается.
Расход пара в цикле Ренкина:
где - адиабатный перепад теплоты в турбине.
Чем больше адиабатный перепад теплоты, тем меньше удельный расход пара, а перепад тем больше, чем выше начальное давление пара.
2) Уменьшение конечного давления в конденсаторе;
При уменьшении конечного давления при одинаковых начальных параметрах (
и
) увеличивается КПД цикла.
При уменьшении конечного давления увеличивается удельная работа цикла Ренкина.
При увеличении конечного давления увеличивается перепад теплоты в турбине, и уменьшается расход пара.
3) Увеличение начальной температуры пара;
При повышении начальной температуры пара увеличивается перепад теплоты, и увеличивается КПД цикла, и уменьшается расход пара.
Кроме того, увеличить термический КПД цикла Ренкина можно, используя регенерацию теплоты.
Регенеративный цикл ПСУ