10

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

"Кузбасский государственный технический университет"

Кафедра процессов, машин и аппаратов химических производств

Цикл паротурбинной установки

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине "Техническая термодинамика и теплотехника" для студентов специальностей 170500 "Машины и аппараты химических производств", 250100 "Химическая технология органических веществ", 250200 "Химическая технология неорганических веществ", 250400 "Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов", 250600 "Технология переработки пластических масс и эластомеров", по дисциплине "Теоретические основы теплотехники" для студентов специальности 100700 "Промышленная теплоэнергетика" всех форм обучения

Составители И.В. Дворовенко

А.Р. Богомолов

Рассмотрены и утверждены

на заседании кафедры

Протокол № 1 от 25.09.03

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

специальности 170500

Протокол № 1 от 25.09.03 г.

Электронная копия

находится в библиотеке

главного корпусаГУ КузГТУ

Кемерово 2004

1. Цель и содержание работы

Целью лабораторной работы является изучение работы паротурбинной установки, работающей по циклу Ренкина.

В ходе работы студенты знакомятся с основными элементами паротурбинной установки, производят измерение и расчет различных величин: давления и температуры в характерных точках цикла, расхода рабочего тела и охлаждающей воды, количества подведенной и отведенной теплоты, затраченной и совершенной работы, эффективного КПД установки. Основной задачей исследования является изучение влияния основных параметров на КПД цикла. Для выполнения задачи исследования в ходе лабораторной работы студенты могут изменять давление в конденсаторе, давление на выходе насоса и расход условного топлива, теплота сгорания которого идет на нагрев рабочего тела.

2. Теоретические положения

Паротурбинные установки подразделяются на конденсационные, в которых теплота рабочего тела используется только на получение полезной работы, и теплофикационные, в которых теплота рабочего тела используется сначала для совершения полезной работы, а затем в производственных или коммунально-бытовых целях (нагрев технологических газов или жидкостей, отопление помещений, горячее водоснабжение). Физические процессы, протекающие в этих установках, одинаковы.

Наиболее термодинамически совершенным циклом паротурбинной установки является цикл Карно, подвод и отвод теплоты в котором осуществляется в изотермических процессах, а расширение и сжатие рабочего тела производятся адиабатно. Однако установки, работающие по циклу Карно, имеют существенные недостатки, которые делают их практическое применение экономически нецелесообразным. Основным циклом паротурбинной установки является цикл Ренкина. В этом цикле осуществляется полная конденсация рабочего тела в конденсаторе, вследствие чего для перекачивания рабочего тела используют насос. При сравнительно небольшой мощности, потребляемой насосом, потери в нем оказываются малыми по сравнению с общей мощностью паротурбинной установки. В цикле Ренкина выгодно применение перегретого пара перед турбиной, что повышает среднеинтегральную температуру подвода теплоты и, следовательно, увеличивает КПД установки. В качестве рабочего тела в цикле паротурбинной установки в основном используется вода.

Идеальный цикл Ренкина, который изображен на рис. 1 вpv - координатах, осуществляется следующим образом: в адиабатном процессе сжатия A-B питательным насосом жидкость сжимается и подается в котлоагрегат, где в изобарном процессе расширения B-C последовательно происходит нагрев жидкости до температуры кипения при данном давлении, фазовый переход жидкость-водяной пар и перегрев пара выше температуры насыщения; затем в процессе C-D перегретый пар адиабатно расширяется в турбине, совершая полезную работу; замыкающим цикл процессом является изобарный процесс D-A конденсации водяного пара в конденсаторе. Таким образом, подвод и отвод теплоты в цикле Ренкина происходит в изобарном процессе.

Количество теплоты, подведенное к рабочему телу в изобарном процессе, согласно первому закону термодинамики равно разности энтальпий конца и начала процесса:

, кДж, (1)

где I_C – энтальпия водяного пара на выходе котлоагрегата, кДж; I_B – энтальпия воды на входе в котлоагрегат, кДж.

Количество тепла, отведенное от рабочего тела в конденсаторе, определяют по уравнению

, кДж, (2)

где I_D – энтальпия рабочего тела на входе в конденсатор, кДж; I_A – энтальпия рабочего тела на выходе конденсатора, кДж.

Работа, затраченная рабочим телом в турбине в адиабатном процессе, согласно первому закону термодинамики равна разности энтальпий начала и конца процесса:

, кДж. (3)

Работу, затраченную над рабочим телом в насосе, определяют по уравнению

, кДж. (4)

Баланс энергии идеального (без потерь энергии) цикла Ренкина запишется в виде

. (5)

где – полезная работа в цикле, кДж.

При анализе работы реального цикла паротурбинной установки необходимо учитывать потери энергии в элементах установки и соединительных трубопроводах. Баланс энергии реального цикла запишется в виде

, (6)

где – теплота, необходимая для получения водяного пара с заданными параметрами, кДж;– полезная работа в цикле реальной установки, кДж;– теплота, отданная рабочим телом в конденсаторе, кДж;– суммарные потери теплоты в элементах реальной установки, кДж.

В реальной установке количество тепла, необходимое для получения водяного пара с заданными параметрами перед турбиной, равно количеству теплоты, выделившемуся при сжигании топлива в котлоагрегате:

, кДж, (7)

где = 29,35 МДж/кг – теплота сгорания условного топлива;В – количество условного топлива, кг.

Полезная работа цикла реальной установки определяется по разности работ в турбине и насосе, величину которых рассчитывают по разности энтальпий на входе и выходе. Теплота, отдаваемая рабочим телом в конденсаторе, в конденсационной паросиловой установке считается потерянной, и ее значение вычисляют по разности энтальпий рабочего тела на входе и выходе. В теплофикационной паросиловой установке эта теплота передается потребителю, количество переданной теплоты определяют по разности энтальпий охлаждающей воды на входе и выходе конденсатора:

, (8)

где – энтальпия охлаждающей воды на входе и выходе конденсатора, кДж.

Потери теплоты в элементах установки и трубопроводах определяют по разности энтальпий на входе и выходе.

В реальной паросиловой установке количество тепла, требуемое для получения пара заданных параметров перед турбиной, и работа, совершаемая в насосе, будут больше, а работа в турбине и теплота, отданная потребителю, будут меньше, чем значения этих величин в идеальном цикле Ренкина. Все это приводит к уменьшению эффективного КПД реального цикла по сравнению с термическим КПД идеального.

В лабораторной установке процессы сжатия рабочего тела в насосе и расширения в турбине принимаются изоэнтропными, т.е. при совершении работы не происходит потерь энергии. В других элементах установки происходят потери энергии в окружающую среду.

Эффективность работы реальной конденсационной паротурбин­ной установки оценивается эффективным КПД установки, равным

. (9)

Эффективность работы реальной теплофикационной паротурбинной установки оценивается степенью использования теплоты, определяемой по формуле

. (10)

Степень использования теплоты в идеальном теплофикационном цикле равна единице, термический КПД даже идеального цикла паротурбинной установки всегда меньше единицы и меньше КПД цикла Карно, осуществляемого в том же интервале температур. Термодинамическое совершенство цикла паротурбинной установки можно определить величиной заполнения цикла Карно, которую рассчитывают как отношение КПД цикла паротурбинной установки к КПД цикла Карно в том же интервале температур, либо графически.