Термодинамические свойства воды и водяного пара

Основной рабочей средой в паросиловых установках является вода и водяной пар. В процессе совершения работы эта рабочая среда проходит последовательно ряд преобразований от воды до перегретого пара и опять к воде, т.е. происходят фазовые переходы от жидкости к газообразному состоянию и обратно. Фазовые переходы сопровождаются скачкообразными изменениями физических свойств веществ.

На рис.3.6 представлены области различных фаз (твердого, жидкого и газообразного) для воды и водяного пара.

 

Рис.3.6. Области существования различных фаз в Ts –диаграмме.

1 – область, полезно используемая в паросиловых установках

 

Для отображения рабочих процессов в паросиловых установках в энергетике используются специальные диаграммы, на которых идеальные процессы в тепловых объектах представляются изобарными и изоэнтропийными. На рис. 3.7 приведена hs и Ts – диаграммы воды и водяного пара. На них хорошо представляются работа турбомашин, которые всегда присутствуют в теплосиловых установках (на hs – диаграмме), а также теплота, подводимая и отводимая в результате термодинамических процессов. На графиках теплота необходимая для парообразования представлена величиной r. Значения параметров с одним штрихом (h^’, s^’ ) обозначают характеристики рабочей среды на линии насыщения между водой и влажным паром. Величины с двумя штрихами (h^’’, s^’’ ) определяют состояние на линии насыщения между влажным и перегретым паром. Затраты тепла на нагрев воды и перегрев пара в Ts - диаграмме представляются площадями q_b, q_п.

 

Рис.3.7. Диаграммы hs (а) и Ts (б) – для воды и водяного пара.

 

Степень влажности пара х определяет соотношение между газообразной и жидкой фазами рабочей среды.

В энергетике часто используется политропный процесс при h=const, который называется дросселированием. Это движение пара при наличии потерь на трение, но без совершения полезной работы. При малых давлениях пара процесс h=const близок к T=const. Дросселирование является необратимым процессом.

Термодинамические циклы

Цикл (круг, от греч.) совокупность процессов в системе периодически повторяющихся явлений, при которых объект, подвергающийся изменению в определенной последовательности, вновь приходит в исходное положение.

Величина термодинамической работы и тепла в каком-либо политропном процессе зависит от показателя политропы; знак работы (положительный или отрицательный) зависит от направления процесса (расширение или сжатие). Если между точками 1 и 2 (рис.3.8) рабочее тело осуществляет последовательно ряд процессов расширения и сжатия и в результате возвращается в исходную точку, то в итоге рабочее тело совершает так называемый круговой процесс или термодинамический цикл. Такой цикл описывает изменение термодинамических параметров тела и преобразование тепла в работу в тепловых машинах.

Непрерывность действия тепловой машины обеспечивается тем, что рабочее тело с параметрами p, V, T, пройдя последовательно ряд состояний процесса расширения на пути 1а2, а затем ряд состояний сжатия 2б1 вновь возвращается в исходную точку и цикл может быть повторен.

Процесс расширения:

;

работа сжатия:

.

Поскольку , а также процесс в машине замкнут и повторяется, то можно получать непрерывно некоторую полезную работу .

При процессе расширения работа (тепло) подводится к рабочему телу и тогда:

.

Для осуществления процесса сжатия тепло отводится:

.

Так как внутренняя энергия является функцией состояния, т.е. величиной не зависящей от пути процесса, то для любого кругового цикла: . Следовательно .

Таким образом, полезная работа равна разности количеств тепла, подведенного и отведенного при совершении цикла.

Второй закон термодинамики

Для осуществления термодинамического цикла необходимо иметь не только источник тепла (теплоотдатчик) q_подв, но и холодильник (теплоприемник) q_отв, без которого невозможен возврат рабочего тела в исходную точку. Это условие и составляет содержание второго начала термодинамики.

В то время как первый закон термодинамики характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны, второй закон определяет качественную сторону этих процессов. Существует ряд формулировок второго начала (закона) термодинамики.

1. Теплота горячего источника в круговом процессе (цикле) не может быть полностью превращена в работу, так как часть подведенного тепла должна быть передана более холодному источнику (холодильнику).

2. Для совершения любого кругового процесса (цикла) необходимо иметь как минимум два источника тепла – горячего и холодного и, Следовательно, для этой цели в термодинамической системе необходимо наличие разности температур.

3. Любой самопроизвольный термодинамический процесс является необратимым.

4. Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому (эта формулировка Клаузиуса).

5. Невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и охлаждению теплового источника (формулировка Планка).

Второй закон термодинамики обычно записывается уравнением

.

Равенство в последнем уравнении возможно только для идеальных процессов.

Если процессы расширения располагаются выше процессов сжатия (), то такие циклы называются прямыми. Для них работа цикла – положительная величина. Прямые циклы осуществляются в теплоэнергетических установках. Если же процессы располагаются наоборот - обратные циклы. Здесь работа цикла – величина отрицательная. В таких циклах работа подводится извне и в результате совершения цикла превращается в тепло, т.е. здесь осуществляется перенос тепла от холодного источника к горячему. Такой цикл используется в холодильных установках и тепловых насосах.

 

Цикл Карно

 

Цикл Карно состоит в преобразовании тепла в работу при наличии только двух источников тепла: верхнего с температурой Т₁ и нижнего с температурой Т₂ (Т₂< Т₁). Цикл Карно используется как эталонный цикл. Он имеет наивысший для данной разности температур термический к.п.д. На рис.3.9 показан цикл Карно в pv - и Ts- диаграммах. Он состоит из двух изотерм и двух адиабат.

Рис.3.9. Цикл Карно в pv- диаграмме (а) и Ts- диаграмме (б).

 

Оценкой совершенства прямых циклов является термический коэффициент полезного действия

, (3.5)

где l_ц – полезная работа цикла, определяемая площадью АВСDA (рис.3,9, б) для идеального (обратимого) цикла и площадь АВ₁С₁DA для необратимого цикла,

q₁ – тепло, подведенное от теплого источника, равное площади s₁BCs₂s₁ (рис 3.9, б);

q₂ – тепло, отданное холодному источнику, равное площади s₁ADs₂s₁ (рис 3.9, б).

Для обратимого цикла Карно можно записать следующие соотношения

.

Таким образом, для обратимого цикла, учитывая уравнение (3.5) термический к.п.д. равен

.

Для необратимых циклов при наличии потерь на дросселирование термический к.п.д. определяется из уравнений

где q_1н – тепло, подведенное от теплого источника при необратимом цикле, равное площади s₁ АB₁C₁D s₂s₁ (рис 3.9, б);

q_2н – тепло, отданное холодному источнику в необратимом цикле, равное площади s₁ADs₂s₁ (рис 3.9, б); q₂ = q_2н.

В энергетике реально достижимый термический к.п.д. не превышают 60-62 %.

 

Цикл Ренкина

На всех тепловых и атомных электростанциях активно используется цикл, открытый шотландским инженером-физиком У.Ренкином в Х1Х веке. Цикл Ренкина применяется как для докритических, так и сверхкритических давлений. На рис.3.10 представлена конструктивная схема и Тs – диаграмма такого цикла.

Рис. 3.10. Конструктивная тепловая схема ТЭС (а) и цикл Ренкина в Тs - диаграмме

Обратимый докритический цикл Ренкина описывается в Тs –диаграмме процессами abcdefa, необратимый цикл – ab₁cdef₁a, где процессы аb осуществляются в насосах (7, рис.3.10, а); bcde – в котле (1, последовательно в водяном экономайзере, испарительных поверхностях нагрева и пароперегревателе); ef – в паровой турбине (3, 4); fa – в конденсаторе (6).

Сверхкритический цикл Ренкина представляется процессами aghklfa, которые осуществляются в насосе - ag (7, рис.3.10, а); в котле – gh и в промежуточном пароперегревателе - kl (1); в паровой турбине – hk (часть высокого давления, 3), в частях среднего и низкого давлений lf (4) и в конденсаторе - fa (6).