Цикл ренкина. Пути повышения кпд паросиловых установок

В основе работы современных теплосиловых установок, использующих в качестве рабочего тела водяной пар, лежит цикл, предложенный шотландским инженером У. Ренкиным в 50-х гг. XIX века.

Схема простейшей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, включает в себя паровой котел 1 (рис. 4.19) с пароперегревателем 2, паровую турбину 3, конденсатор 4 и питательный насос 5.

            Ошибка! Ошибка связи.                               Ошибка! Ошибка связи.

                    Рис. 4.19                                            Рис. 4.20

В паровом котле за счет тепла продуктов сгорания топлива питательная вода нагревается до температуры кипения (процесс 3 – 4 на рис. 4.20), затем превращается в пар (4 – 5).

Образующийся в котле пар со степенью сухости, близкой к х = 1, направляется в пароперегреватель, где осуществляется подсушка и перегрев пара до температуры T₁ (5 – 1). Весь процесс подвода тепла 3 – 4 – 5 – 1 протекает при одном и том же давлении (p₁ = const).

Далее пар с параметрами р₁, T₁ поступает в турбину, где расширяется до давления р₂ и совершает работу. Процесс расширения 1 – 2 в проточной части турбины протекает в идеальном цикле Ренкина адиабатно, без потерь, следовательно, s₁ = s₂. Работа расширения пара используется на вращение ротора электрического генератора.

После турбины пар с давлением р₂ и степенью сухости х₂ поступает в конденсатор, где осуществляется изобарно-изотермный процесс конденсации
2 – 3. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркуляционной водой, а пар конденсируется в межтрубном пространстве. Образующийся конденсат откачивается питательным насосом, который повышает его давление и подает в котел. Процесс повышения давления воды в насосе в Т, s-диаграмме не изображен, так как в точке 3 изобары p₁ и р₂ практически сливаются. Кроме того, работа насоса весьма мала в сравнении с работой расширения пара в турбине, поэтому из рассмотрения ее можно исключить.

Эффективность полученного цикла оценивается термическим КПД, определяемым по общей формуле: .

Подведенное в цикле тепло q₁ отражается на Т, s-диаграмме площадью
3 – 4 – 5 – 1 – 7 – 6. Поскольку процесс подвода тепла осуществляется изобарно, то количество тепла равно разности энтальпий начала и конца процесса:
q₁ = h₁ – h₃.

Энтальпия точки 3 представляет собой энтальпию кипящей жидкости при давлении p₂, поэтому можно записать: .

Отведенное от рабочего тела в конденсаторе тепло (площадка 3 – 2 – 7 – 6) запишется как .

Подставляя значения q₁ и q₂ в исходное уравнение, получаем формулу термического КПД идеального цикла Ренкина:

                                                 .                                        (4.47)

Величину термического КПД цикла Ренкина удобно определять с помощью h, s-диаграммы (рис. 4.21). По заданным начальным параметрам р₁ и t₁ находят точку 1 и определяют энтальпию h₁. Через точку 1 проводят вертикальную линию до пересечения с изобарой р₂. Полученный отрезок 1 – 2 характеризует процесс адиабатного расширения пара в проточной части турбины. В точке 2 определяют энтальпию h₂. Разность энтальпий h₁ – h₂ представляет собой располагаемый теплоперепад h₀. Энтальпия конденсата h₂' определяется по температуре насыщения t₂, соответствующей давлению p₂. При t₂ < 100 °С с достаточной точностью можно принимать h₂' = 4,19 t₂ кДж/кг. Подставляя значения h₁, h₂ и h₂' в (4.44), получают численное значение η_t.

Рассмотрим, как влияют параметры пара на термический КПД цикла Ренкина.

Поскольку для любого обратимого цикла

                                                 ,                                        (4.48)

где T_1ср и T_2ср– среднеинтегральная температура подвода и отвода тепла, то термический КПД повышается, если T_1ср увеличивать, а T_2ср уменьшать.

С увеличением давления от р₁ до р₁' при неизменных t₁ и р₂ (рис. 4.22) средняя температура подвода тепла T_1ср увеличивается. В то же время возрастает влажность отработавшего пара, что ухудшает условия работы последних ступеней турбины.

            Ошибка! Ошибка связи.                               Ошибка! Ошибка связи.

                    Рис. 4.22                                            Рис. 4.23

 

Если же увеличивать температуру t₁, оставляя одинаковыми p₁ и p₂ (рис. 4.23), то термический КПД также будет возрастать (за счет роста T_1ср при неизменной температуре T_2ср), а влажность пара в конце расширения, наоборот, уменьшается.

Отмеченные особенности влияния начальных параметров на η_t приводят к выводу, что повышение начального давления пара должно сопровождаться одновременным повышением его начальной температуры. Это, во-первых, ведет к заметному увеличению термического КПД, а во-вторых, позволяет поддерживать влажность в конце расширения в допустимых пределах – 12 – 18 %.

Снижение конечного давления р₂ при сохранении начальных параметров p₁ и t₁ вызывает значительное уменьшение T_2ср при несущественном изменении T_1ср, что приводит к повышению η_t (рис. 4.24). Поэтому в конденсаторе стремятся поддерживать глубокий вакуум, чтобы температура и давление конденсации были как можно более низкими.

Однако даже при высоких начальных параметрах пара (p₁ – около 230 бар, t₁ – примерно 550 °С) и малом конечном давлении (р₂ =
= 0,03 – 0,05 бар) термический КПД цикла Ренкина η_t не превышает 0,45 – 0,47. С учетом же тепловых, механических и электрических потерь общий КПД установки составляет всего 0,3 – 0,35.

Отсюда становится ясным, что помимо повышения начальных параметров пара и поддержания вакуума в конденсаторе необходимо изыскивать и другие пути совершенствования паросиловых установок.

Одним из таких усовершенствований является применение промежуточного перегрева пара. Перегретый пар с параметрами р₁, t₁ подается в часть высокого давления турбины I (рис. 4.25), где расширяется до некоторого промежуточного давления р_п. Затем пар вновь направляется в котельный агрегат, где в пароперегревателе ПП2 осуществляется вторичный его перегрев примерно до той же температуры t₁, однако при меньшем давлении р_п. В части низкого давления II пар расширяется до конечного давления р₂.

Одной из задач такого цикла является повышение сухости пара в конце его расширения. Действительно, если из точки 1 (рис. 4.26) провести расширение до конечного давления р₂, то степень сухости x_c в точке с будет меньше, чем х₂. Другими словами, применение промперегрева пара уменьшает его влажность в конце расширения, что благоприятно сказывается на работе последних ступеней турбины.

            Ошибка! Ошибка связи.                               Ошибка! Ошибка связи.

                    Рис. 4.25                                            Рис. 4.26

С другой стороны, введение промперегрева пара в современных установках приводит к увеличению его термического КПД на 2 – 3 %. Анализируя цикл в T, s-диаграмме, можно заметить, что дополнительная часть цикла а – b – 2 – с, образующаяся за счет промперегрева, дает прирост термического КПД всего цикла, если средняя температура подвода тепла в процессе а – b больше, чем средняя температура подвода тепла основной части цикла. Следовательно, давление промперегрева р_п должно выбираться таким образом, чтобы это условие выдерживалось.

Формула термического КПД цикла с промперегревом пара (в соответствии с обозначениями рис. 4.26) имеет вид:

                                      .                             (4.49)

Существенное повышение экономичности паросиловых установок достигается путем применения регенеративного подогрева питательной воды теплом пара, отбираемого из турбины. Простейшая схема установки, работающей по регенеративному циклу с одним отбором пара, представлена на рис. 4.27.

Как и в предыдущих схемах, образующийся в котле 1 пар перегревается в пароперегревателе 2 и направляется в турбину 3. Основная масса пара расширяется в турбине до конечного давления р₂ и идет в конденсатор 4. Часть же пара отнимается из отбора турбины при давлении р_от > р₂ и направляется в подогреватель 6. Здесь отборный пар конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования на подогрев основного конденсата, подаваемого в подогреватель из конденсатора насосом 5. После смешения обоих потоков конденсата последний подается в котел насосом 7.

            Ошибка! Ошибка связи.                               Ошибка! Ошибка связи.

                    Рис. 4.27                                            Рис. 4.28

Изобразить регенеративный цикл в Т, s-диаграмме можно лишь условно (рис. 4.28), так как диаграмма состояния строится для постоянного количества рабочего тела (1 кг), тогда как здесь по длине проточной части турбины поток рабочего тела изменяется.

Основная часть пара, следующего после турбины в конденсатор, совершает цикл 1 – 2 – 3 – 4. Пар, взятый из отбора (обозначим его долю через α) работает по циклу 1 – 5 – 6 – 4. Очевидно, что работа этого цикла меньше, чем основного. Однако отведенное в нем тепло (площадка 5 – 6 – 7 – 8) не отдается в окружающую среду, а идет на подогрев питательной воды (площадка 3 – 6 – 7 – 9). Из условия равенства тепла, отданного в подогревателе отборным паром, и тепла, воспринятого конденсатом, запишем уравнение теплового баланса регенеративного подогревателя:

                                      .                            (4.50)

Отсюда доля отбираемого пара, необходимого для подогрева питательной воды до состояния точки 6,

                                                  .                                         (4.51)

Обозначив энтальпию отбираемого пара h_от, а после его конденсации h_от', имеем:

                                                 .                                        (4.52)

Подведенное в цикле тепло (по линии 6 – 4 – 1 в Т, s- диаграмме) .

Работа 1 кг пара складывается из работы отдельных потоков (в нашем примере двух): .

Термический КПД регенеративного цикла с одним отбором пара на подогрев питательной воды определяется выражением:

                                 .                        (4.53)

Независимо от давления пара в регенеративном отборе некоторая часть работы турбины совершается без потерь теплоты парообразования в конденсаторе, а с использованием ее в регенеративном подогревателе. Теоретически тепло той доли пара, которая идет в регенеративный отбор, используется в цикле на 100 %. Поэтому термический КПД регенеративного цикла выше, чем цикла Ренкина без регенерации.

С увеличением числа отборов термический КПД возрастает. Учитывая, однако, сложность и удорожание установки, число регенеративных отборов выбирают в пределах 5 – 10.

Значение регенеративного цикла становится наиболее существенным при высоком начальном давлении пара, когда затраты тепла на нагревание воды растут, а на парообразование – уменьшаются. В этом случае применение регенеративного подогрева питательной воды приводит к увеличению термического КПД до 10 – 12 %.

Разберем еще один способ повышения эффективности использования
тепла, применяемый в теплофикационных циклах.

В установках, работающих по циклу Ренкина, значительная часть тепла q₂ отводится холодному источнику. Снижением конечного давления р₂ добиваются некоторого уменьшения тепла q₂, отводимого в конденсаторе, что приводит к увеличению термического КПД цикла. Однако при малых давлениях р₂, поддерживаемых в современных установках на уровне 0,03 – 0,05 бар, температура конденсации пара имеет значения 24 – 32 °С. Использование теплоты конденсации с таким низким температурным потенциалом становится экономически нецелесообразным.

Стремление использовать тепло q₂, отдаваемое конденсирующимся паром, приводит к необходимости повышения давления, а следовательно, и температуры конденсации. При этом неизбежно снижается термический КПД цикла, уменьшается работа цикла l, идущая на выработку электроэнергии (рис. 4.29). Вместе с тем представляется возможность получения больших количеств тепла для технологических и бытовых нужд. В установке, таким образом, осуществляется комбинированная выработка электроэнергии и тепла.

Цикл такой установки называется теплофикационным, а электростанции, вырабатывающие электроэнергию и тепло, называются теплоэлектроцент-ралями.

Эффективность теплофикационного цикла можно оценивать коэффициентом использования тепла

                                                  .                                         (4.54)

Поскольку в любом обратимом цикле l + q₂ = q₁, то теоретически K = 1. На практике величина К всегда меньше единицы из-за наличия потерь тепла в котлоагрегате и паропроводе, механических и электрических потерь в турбине и генераторе.

Цикл холодильной установки

Холодильными установками называют устройства, предназначенные для понижения температуры тел и поддержания ее на заданном уровне. Вырабатываемый ими искусственный холод находит все более широкое применение в химической и пищевой промышленности, в строительстве, торговле, транспорте, в системах кондиционирования воздуха и других отраслях промышленности и коммунального хозяйства.

В настоящее время используются различные типы холодильных установок – воздушные, парокомпрессорные, пароэжекторные, абсорбционные, термоэлектрические, которые отличаются как по роду рабочего тела, так и по принципу действия. Наиболее распространенные парокомпрессорные холодильные установки используют в качестве рабочего тела (хладагента) вещества, имеющие низкие температуры кипения, например аммиак, фреоны. Принципиальная схема такой установки представлена на рис. 4.30, а T, s-диаграмма осуществляемого в ней обратного цикла – на рис. 4.31.

            Ошибка! Ошибка связи.                               Ошибка! Ошибка связи.

                    Рис. 4.30                                            Рис. 4.31

В компрессоре 1 сухой пар хладагента адиабатно сжимается (1 – 2) до давления р₂ и направляется в конденсатор 2. Здесь происходят охлаждение и конденсация рабочего тела за счет отвода тепла q₁ циркулирующей водой. Жидкость дросселируется от давления p₂ до давления р₁ в дросселе 3. Процесс дросселирования 3 – 4 протекает при неизменной энтальпии h₃ = h₄. В точке 4 получается парожидкостная смесь, которая следует в испаритель 4, где за счет подвода тепла q₂ происходит испарение жидкой фазы хладагента (4 – 1).

Работа, затрачиваемая на осуществление обратного цикла, l = q₁ – q₂. Количество отведенного в цикле тепла q₁ = h₂ – h₃.

Подведенное к рабочему телу в испарителе тепло q₂ является одновременно теплом, которое с каждым циклом отводится от охлаждаемого объекта и называется удельной хладопроизводительностью установки, кДж/кг: q₂ = h₁ – h₄. Поскольку h₃ = h₄, то l = h₁ – h₂.

Теоретический холодильный коэффициент установки

                                              .                                     (4.55)

Значения ε находятся в пределах 3 – 5, т. е. количество вырабатываемого холода в несколько раз больше затрат работы.