Расчет пароводяного цикла.

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Техническая термодинамика»

на тему: «Термодинамический расчет цикла парогазовой установки »

 

Выполнил: студент группы ДТЕТБ-21/2 _______ Милосердов Н.Д. (Подпись) (Фамилия, И.О.) “____” _____________2017		Руководитель: к.т.н., доц. Атдаев Д.И.   ________________________ (Подпись) “____” _____________2017
	Курсовая работы выполнена и защищена с оценкой ____________________________ (Оценка) Члены комиссии:   ______________________________ Ильин Р.А. (Подпись) (Фамилия, И.О.) _______________________________________ (Подпись) (Фамилия, И.О.) “____” _____________2017

 

 

Астрахань 2017

 

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Теплоэнергетика и холодильные машины

ЗАДАНИЕ

На выполнение курсовой работы

Студент: Милосердов Н.Д.

Дисциплина: «Техническая термодинамика»

Тема курсовой работы: «термодинамический расчет цикла парогазовой установки »

Исходные данные: Вариант 12

Состав газовой смеси
СО2	N2	H2O	O2

Для газового цикла:

Pa , бар	Pc , бар	Pd, бар	,

Для парового цикла:

, бар	,	, бар	,
		0,055

Термодинамический расчет цикла ПГУ будет основываться на расчетах двух циклов: газового и пароводяного.

I. Газовый цикл

Цикл отнесен к 1 кг газовой смеси.

Требуется:

1. Определить параметры P, , T для основных точек цикла.

2. Определить значения средних теплоемкостей и для каждого процесса.

3. Найти изменения внутренней энергии (ΔU), энтальпии (Δi), энтропии (ΔS) в каждом процессе.

4. Определить теплоту (q) и работу (l) в каждом процессе.

5. Найти суммарную работу за цикл.

6. Определить подведенную и отведенную теплоты в цикле.

7. Определить термический к.п.д. газового цикла.

8. Построить в масштабе на ТS – диаграмме газовый цикл

II. Пароводяной цикл.

1. Определить с помощью iS – диаграммы и таблиц воды и водяного пара параметры P, , T, i, U, S, Х для основных точек цикла.

2. Определить кратность газа m из уравнения теплового баланса газоводяного подогревателя.

3. Определить удельную полезную работу пароводяного цикла .

4. Определить теоретическое удельное количество теплоты, полученное рабочим телом, .

5. Определить теоретический к.п.д. парогазового цикла.

6. Определить термический к.п.д. парогазового цикла.

7. Изобразить в масштабе циклы на Р и ТS – диаграммах.

Дата получения задания «» 201 г

Срок предоставления курсовой работы: «» 201 г

Преподаватель: Атдаев Д.И. «» 201 г

Студент: Милосердов Н.Д. «» 201 г

 

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЦИКЛА

ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

 

Цель выполнения курсовой работы по курсу «Техническая термодинамика» – углубление знаний по теории тепловых двигателей и расчету термодинамических процессов в газовых и пароводяных циклах, приобретение навыков использования справочной и учебной литературы, в частности, таблиц теплоемкостей различных газов, таблиц теплофизических свойств воды и водяного пара, а также hS – диаграммы водяного пара.

 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Парогазовые установки (ПГУ) являются типичными бинарными установками с коэффициентом заполнения цикла, приближающимся к единице. В ПГУ используется тепло продуктов сгорания топлива газотурбинных установок (ГТУ) для подогрева воды, парообразования и перегрева пара. Типичная принципиальная схема ПГУ изображена на рис.1.

Воздух, сжатый в компрессоре 1, подается в камеру сгорания парогенератора 2, работающего на газовом топливе. Часть тепла продуктов сгорания топлива идет на парообразование и перегрев пара. Теплота выхлопных газов после газовой турбины 3 используется для подогрева питательной воды паровой части установки в газоводяном подогревателе 4. Электроэнергия вырабатывается в двух генераторах, приводимых в действие паровой 5 и газовой 3 турбинами, часть мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора 1, а часть мощности паровой турбины на привод насоса 7.

 

Рис.1.Принципиальная схема парогазовой установки:

1- компрессор; 2- парогенератор; 3- газовая турбина;

4- газоводяной подогреватель; 5- паровая турбина;

6- конденсатор; 7- водяной насос.

 

Термодинамический цикл ПГУ состоит из двух циклов – газового abcda и пароводяного 1234561, изображенных на рис.2.

 

 

Рис.2.Термодинамический цикл парогазовой установки.

 

I. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГАЗОВОГО ЦИКЛА

 

1. Расчет начинается с нахождения термических Р, , T параметров в характерных точках цикла (a, b, c, d). Если в точке известно два из трех параметров, то третий находится из уравнения состояния идеального газа (уравнение Клапейрона – Менделеева).

 

Так как в качестве рабочего тела используется смесь идеальных газов, то необходимо сначала найти газовую постоянную смеси газов.

Если в данной точке известен один параметр, то исходя из уравнения соответствующего процесса, например, = адиабатного, можно найти второй параметр и т.д. Если в исследуемой точке неизвестен ни один из параметров, то необходимо из рис.3, определить один или два параметра, а затем расчет провести, как сказано выше. Полученные данные занести в таблицу 1.

 

Таблица 1.1.Параметры газового цикла.

Точка/Параметры	P, бар	υ, /кг	T, K	t,	,

 

2. Средняя массовая изобарная теплоемкость смеси газов для каждого процесса находится по формуле:

 

n

=

i= 1

 

где - массовая доля i – ого компонента газовой смеси;

- средняя массовая изобарная теплоемкость i-го компонента в интервале температур от до , определяемая по формуле:

 

 

=

 

- средняя массовая изобарная теплоемкость i-го компонента при данной температуре, которую можно найти в таблице 2. Если в таблице нет вашего значения или , то нужно произвести интерполяцию, т.е. найти промежуточное значение величины данной таблицы по некоторым известным значениям.

 

Таблица 2.Средняя массовая теплоемкость различных газов .

 

				CO				воздух
	0,9148	1,0392	14,195	1,0396	0,8148	0,607	1,8594	1,0036
	0,9232	1,0404	14,352	1,0417	0,8658	0,636	1,8728	1,0061
	0,9353	1,0434	14,421	1,0463	0,9102	0,662	1,8937	1,0115
	0,9500	1,0488	14,448	1,0538	0,9487	0,687	1,9192	1,0191
	0,9651	1,0567	14,477	1,0634	0,9826	0,708	1,9477	1,0283
	0,9793	1,0660	14,509	1,0748	1,0128	0,724	1,9778	1,0387
	0,9927	1,0760	14,542	1,0861	1,0396	0,734	2,0092	1,0496
	1,0048	1,0869	14,587	1,0978	1,0639	0,754	2,0419	1,0605
	1,0157	1,0974	14,641	1,1091	1,0852	0,762	2,0754	1,0710
	1,0258	1,1076	14,706	1,1200	1,1045	0,775	2,1097	1,0815
	1,0350	1,1179	14,776	1,1304	1,1225	0,783	2,1436	1,0907
	1,0434	1,1271	14,853	1,1401	1,1384	0,791	2,1771	1,0999
	1,0509	1,1359	14,934	1,1493	1,1530	0,795	2,2106	1,1082
	1,580	1,1447	15,023	1,1577	1,1660	-	2,2429	1,1166
	1,0647	1,1526	15,202	1,1656	1,1762	-	2,2743	1,1242
	1,0714	1,1602		1,1731	1,1895	-	2,3048	1,1313

 

Например, найдем теплоемкость кислорода при температуре 170 . Так как значения температуры 170 в таблице нет, то выпишем ближайшие значения:

100

= 0,9232

200

= 0,9353

 

Теперь проинтерполируем между этими значениями:

 

170 100

= + 70 = 0,9232 + 70 = 0,9317

0 0

 

Среднюю массовую изохорную теплоемкость можно найти по формулам термодинамических процессов:

 

Адиабатный; = const, S=const, dq=0: Из уравнения Майера: = –

 

Изохорный; =const: Из уравнения Майера: = –

 

Изотермический; T=const:

 

Изобарный; P=const: = –

Политропный; =const: = –

3. Изменения внутренней энергии ΔU и энтальпии Δi для каждого процесса цикла рассчитываются по формулам:

 

Δ = ( – ); Δ = ( – )

 

Изменение энтропии ΔS для каждого процесса цикла можно найти из следующих формул:

 

Для адиабатного: Δ = 0

 

Для изохорного: Δ = ln = ln

 

Для изотермического Δ = ln = ln

 

Для изобарного: Δ = ln =

 

Для политропного: Δ = ln =

 

Т.к. U, i и S являются функциями состояния, то за весь цикл:

n i=1

n 0 i=1

n

;
i=1

 

 

4. Теплота и работа в каждом процессе определяются по следующим формулам:

Адиабатный: = 0; = - Δ

 

Изохорный: = Δ = ( – ); = 0

 

Изотермический: = = T ln = T ln

 

Изобарный: = = ( – ); = P ( - )

 

Политропный: = ( – ), где = ;

 

= () = ( – )

 

Таблица 1.2. Результаты расчета газового цикла

 

Процессы	n			Δ ,	Δ	Δ	q,	l,
a-b
b-c
c-d
d-a

5. Определим подведенную (в процессе расширения рабочего тела) теплоту и отведенную (в процессе сжатия) теплоту и суммарную работу за цикл с учетом правила знаков для работы (работа расширения положительна, сжатия – отрицательна).

 

=

= – |

=

=

 

Согласно первому закону термодинамики для цикла: =

 

6. Термический к.п.д. цикла:

 

= =

 

7. Изобразим на ТS - диаграмме, в масштабе, газовый цикл. Первая точка строится полу произвольно, по оси ординат откладываем температуру , а по оси абсцисс точку откладываем произвольно. Дальнейшие точки строятся строго в соответствии со значениями температур и ΔS для каждого процесса.

 

II. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПАРОВОДЯНОГО ЦИКЛА

 

1. Определяем с помощью iS – диаграммы и таблиц воды и водяного пара термические p, , T и калорические i, U, S параметры в характерных точках цикла и заносим их в таблицу 3.

 

 

Таблица 3. Параметры пароводяного цикла

 

Точка/Параметры	P, бар	V, /кг	t,			,	X

 

2. Определяем кратность газа m из уравнения теплового баланса для газоводяного подогревателя 4, в котором процесс 4-5 нагрева питательной воды до состояния кипения осуществляется за счет теплоты отработавших газов газового цикла (процесс b-c):

m = m =

 

3. Удельная полезная работу () пароводяного цикла: =

 

4. Теоретическое удельное количество теплоты (), полученное рабочим телом:

=

 

5. Определим теоретический к.п.д. парогазового цикла. =

Для пароводяного цикла = 1 – T₁/T₂

 

6. Определим термический к.п.д. парогазового цикла.

 

; = + ; = + ; = ; = =

 

Вариант 12

 

I. Расчет газового цикла:

 

1). Определим параметры рабочего тела (р, υ, T) для основных точек цикла.

 

a

b

c

d

P

V

dq=0

P=const

T=const

 

 

 

Определяем газовую постоянную смеси,

 

= ; R= ; где k=8314,2,

 

= = 138,57

= = 319,78

 

= = 461,9

 

= = 259,8

 

r_{CO 2} = 0,16; r_{CO 2} = 0,75; r_{CO 2} = 0,05; r_{CO 2} = 0,04

 

= 1 / ((0,16/189) + (0,75/292,75) + (0,05/461,9) + (0,04/259,82)) =

= 272,04

Точка a:

P_a = 6*10⁵ Па

t_a = t_d = 149,2 ^oC = 422,35 K

υ_a = (R_см/T_a)/P_a = (272,04/422,35)/6*10⁵ = 0,1912 м³/кг

Точка b:

Р_b = Р_с = 4*10⁵ Па

υ_b = υ_a/(P_b/Р_a)^1/k = 0,191/(4*10⁵/6*10⁵) = 0,26 м³/кг

t_b = (P_b* υ_b)/ R_см = (4*10⁵ * 0,26)/272,04 = 381,93 K = 108,8 ^oC

Точка c:

P_c = 4*10⁵ Па

t_c = 100 ^oC = 373,15 K

υ_c = (R_см * t_c)/ P_c = (273,04*373,15)/4*10⁵ = 0,25 м³/кг

Точка d:

Р_d = 7*10⁵ Па

υ_d = υ_с/(P_d/Р_c)^1/k =0,25/(7*10⁵/4*10⁵) = 0,164 м³/кг

t_d = (P_d* υ_d)/ R_см = (7*10⁵ *0,164)/272,04 = 422,35 K = 149,2 ^oC

Результаты расчета заносим в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1. Параметры газового цикла

 

Точка/Параметры	P, бар	υ, /кг	T, K	t,	,
a		0,1912	422,35	149,35	272,04
b		0,26	381,93	108,8	272,04
c		0,25	373,15		272,04
d		0,164	422,35	149,35	272,04

 

 

2). Определим значения средних теплоемкостей и для каждого процесса.

 

Процесс a-b: адиабатный; = const, S=const, dq=0

 

n

= , значения при данной температуре находим по

i= 1

линейной интерполяции по таблице средних массовых теплоемкостей различных газов.

 

= = = =

 

=1,0454

 

= = = =

 

=0,91686

 

= = = =

 

=1,906

 

= = = =

 

=0,936

 

= 0,698; = 0,042; = 0,03; = 0,231

 

 

= + + + = 1,0454 + 1,906 0,93 1,0416

 

= – = 1041,6 – 272,04 = 768,35 =0,77

 

Процесс b-c: изобарный; P =const

 

= = = = 1,0088

 

= = = =

 

= 1,0542

 

= = = =

 

= 1,895

 

= = = = 0,914

 

= + + + = 1,0088 + 1,895 0,914 = 1,0164

 

= – = 1016,4 – 272,04 = 744,363 = 0,74

 

Процесс c-d: адиабатный; = const, S=const, dq=0

 

= = = =

 

=1,0388

 

= = = =

 

=0,9413

 

= = = =

 

=1,904

 

= = = =

 

=0,9321

 

 

= + + + = 1,0388 + 1,904 0,9321 1,037

 

= – = 1037,05 – 272,04 = 765,01 =0,765

 

Процесс d-a: изотермический; T=const

 

При t = 149,35 :

 

= 1,0419

 

= 0,9292

 

= 1,8831

 

= 0,8877

= + + + = 1,0 + 1,8831 0,8877

= – = 1027,8 – 272,04 = 755,78 = 0,755

 

3). Найдем изменения внутренней энергии (ΔU), энтальпии (Δi), энтропии (ΔS) в каждом процессе.

Процесс a-b: адиабатный; = const, S=const, dq=0

 

Δ