28. Принцип работы, схема и цикл абсорбционной холодильной установки.

Абсорбционная холодильная машина в качестве источника энергии для своей работы использует тепло. Необходимая тепловая энергия может быть получена как от электричества, так и непосредственно от источников теплоты, том числе низкопотенциальной, а также вторичной.

В рассмотренных ранее компрессорных холодильных машинах для переноса теплоты от тела с меньшей к телу с большей температурой использовалась механическая энергия компрессора, первоисточник которой определяет его привод (электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания и т.п.). Тепловая энергия тоже является важнейшим видом энергии, известными способами трансформируемым в другие виды энергии. По этой причине она может применяться и для совершения работы по переносу теплоты в холодильных машинах. Использование тепловой энергии для совершения работы по переносу теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому реализуется в абсорбционных холодильных машинах (АХМ). Абсорбционные холодильные машины работают с использованием свойств бинарных растворов, компоненты которых имеют существенно различающиеся температуры кипения при равных давлениях, а взаимная растворимость их имеет также существенную зависимость от температуры. Причем растворимость снижается с повышением температуры. Схема АХМ приведена на рисунке.

Схема абсорбционной холодильной машины

схема абсорбционной холодильной машины

При организации технологического процесса абсорбционной холодильной машины используется прямой и обратный термодинамический циклы. Котел Кm генерирует пар холодильного агента, который поступает в турбину Т, которая является приводом компрессора Кс. Далее пар поступает в устройство А, где конденсируется и насосом Н опять подается в котел. Это прямой термодинамический цикл, результатом которого является трансформация теплоты, подведенной к котлу Кm, в механическую энергию турбины.

В технической литературе элемент, называемый выше «котел», может называться также кипятильником или генератором. Компрессор Кс перемещает пары хладагента по тракту традиционного холодильного цикла: компрессор Кс – конденсатор К – регулирующий вентиль РВ (или другое расширяющее или дросселирующее устройство) – испаритель И. Это обратный термодинамический цикл.

26. Схемы и циклы газовых (воздушных) холодильных машин и тепловых насосов..

Методом получения низкой температуры в воздушной холо­дильной машине является расширение с получением внешней работы, т. е. детандирование. Методом получения холода - нагрев газа (воздуха) без изменения агрегатного состояния. Производство холода осуществляется в элементе машины, называемом рефрижератор (Р).

Цикл простейшей воздушной машины построен на двух изобарах и двух изоэнтропах. В зарубежной литературе этот цикл

Называют обратным циклом Брайтона. На основании анализа циклов, проведенного в главе 2, известно, что цикл, состоящий из двух изобар и двух адиабат, называется циклом Джоуля. Различие в наименова­ниях одного и тоже цикла заключается в том, что воздух при реали­зации обратного термодинамического цикла не изменяет агрегатного состояния. Работа воздушной машины осуществляется исключительно в области значительно перегретого пара, в связи с чем пограничные кривые на диаграммах состояний не изображают. Цикл Джоуля - это идеальный цикл, следовательно, рабочее вещество для его реализации - идеальный газ. Дж. Брайтон в 1873 году предложил использовать прямой цикл Джоуля для работы с любым газом в качестве рабочего вещества, например, с воздухом. Таким образом для воздушной холодильной машины (теплового насоса) в соответствии с терми­нологий, используемой в «методе циклов», обратимым циклом-образ - цом является обратный цикл Джоуля, а эталонным циклом - обратный цикл Брайтона.

Особенность воздушных машин связана с большой объемной производительностью воздуха, в связи с чем в действительной машине необходимо использовать только турботехнику (компрессор и детандер) для уменьшения массо-габаритных характеристик машины. При использовании поршневых компрессора и детандера, их размеры и, соответственно, стоимость, будут слишком велики.

Воздушные холодильные машины, первоначально, были ма­шинами большой производительности. Турбокомпрессоры и турбо - детандеры для работы на воздухе специально промышленностью не производились. Имела место адаптация отработавших летный ресурс турбодвигателей авиатехники путем конструктивных изменений лопаток турбин. Естественно, уровень шума при работе воздушной холодильной машины соответствовал авиационным и был абсолютно неприемлемым для использования на любом другом виде транспорта, в непосредственной близости от постоянного места работы людей в различных областях промышленности, а также в составе систем кондиционирования воздуха. Мероприятия по снижению уровня шума не дали желаемых результатов.

25. Общие принципы трансформации теплоты. Разновидности обратных термодинамических циклов. Показатели эффективности.

1. Трансформаторы тепла

В системах кондиционирования воздуха основными процессами являются изменение температуры воздуха путем увеличения или уменьшения его теплосодержания. Реализуется этот процесс трансформаторами тепла, которые осуществляют перенос тепловой энергии от источников с более низкой температурой к приемникам с более высокой температурой.

Трансформатор тепла, используемый для охлаждения тела, вещества, воздуха и пр., называют холодильной машиной, а для нагрева — тепловым насосом. Трансформатор тепла, используемый для одновременного полезного использования процессов охлаждения и нагрева, называют теплохолодильным насосом. На практике часто тепловой насос используется поочередно для процессов охлаждения или нагрева.

В зависимости от вида источника тепла (источник низкой температуры — ИНТ) и приемника тепла (приемник высокой температуры — ПВТ) тепловые насосы классифицируются: «воздух–воздух», «воздух–вода», «вода–воздух», «вода–вода», «грунт–воздух», «грунт–вода». По принципу работы трансформаторы тепла могут быть компрессионные, сорбционные, струйные, термоэлектрические или магнитные.

В СКВ в основном применяются компрессионные и сорбционные. В компрессионных установках последовательно осуществляются процессы механического сжатия и расширение рабочего вещества (агента). Принцип работы сорбционных установок основан на последовательном осуществлении термохимических реакций поглощения (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом, а затем выделении (десорбции) рабочего тела из сорбента.

Процессы сорбции и десорбции в сорбционных установках выполняются функции, аналогичные процессам сжатия и расширения, совершаемым в компрессионных насосах. По виду процесса тепловые насосы могут быть замкнутого или разомкнутого цикла. В установках разомкнутого цикла агент частично или полностью выводится из установки, а вводится новая порция хладагента. В замкнутом цикле хладагент циркулирует в замкнутом контуре.

Все механические, электрические, тепловые и магнитные процессы можно разделить на обратимые и необратимые. Обратимые процессы это такие процессы, в которых исходное состояние может быть достигнуто без каких-либо остаточных изменений системы. Например, механические или электрические колебания протекают обратимо, т.к. они периодически попадают в исходное состояние. Идеальные обратимые процессы характеризуются следующими признаками:

Исходное состояние достигается путем обратного хода процесса (колебание маятника).

Восстановление исходного состояния не требует подвода энергии извне.

Обратимый процесс не оставляет ни в одном из участвующих в процессе тел остаточных изменений состояния.

Противоположностью обратимых процессов являются процессы необратимые, например, пластические процессы деформации тел, химические реакции, передача энергии излучением. Необратимые процессы характеризуются следующими признаками:

Все необратимые процессы сами по себе протекают только в одном направлении. Например, запах духов обратно во флакон не возвращается.

При всех необратимых процессах работа растрачивается, т.е. упускается возможность совершить полезную работу. Вместо полезной работы происходит только нагревание тел (нагретый газ в поршне идет на передвижение поршня, но часть тепла излучается в пространство). Для непрерывности необратимого процесса необходимо пополнять систему энергией извне.

В замкнутых системах необратимые процессы приводят к остаточным изменением состояния систем.

Для количественной оценки степени совершенства обратимых процессов Клаузис (1882 г.) ввел понятие энтропии, сущность которого заключается в следующем. Всякое движение частиц стремится к беспорядку. Энтропия характеризует, насколько далеко ушло направленное (упорядоченное) движение частиц к беспорядку и насколько трудно (или невозможно) осуществить обратный переход. По сути, энтропия характеризует процесс теплообмена системы с окружающей средой.

3)Эффективность термодинамических циклов зависит от характера термодинамических процессов, образующих конкретный цикл. Очевидно, при прочих равных условиях наибольшую эффективность имеют те циклы, у которых все процессы обратимы. Это значит, что в процессах подвода и отвода теплоты рабочее тело должно иметь температуру, равную соответствующей температуре источников теплоты, и процессы эти должны протекать без трения, завихрения и других необратимых явлений. Циклы, состоящие из обратимых процессов, называются обратимыми.

Основным методом оценки эффективности термодинамических циклов является метод сопоставления холодильных коэффициентов теоретических циклов для рассматриваемых холодильных агентов

Для больщинства используемых фреонов ( кроме Ф-22) применение регенеративного подогрева всасываемого в компрессор пара приводит к некоторому повышению эффективности термодинамического цикла, а также к улучшению объемных характеристик компрессора. Это повышение эффективности должно перекрывать отрицательное влияние падения давления в паровой зоне теплообменника, что заставляет компрессор работать при более низкой температуре кипения. Наибольший выигрыш от применения регенеративного теплообменника наблюдается при низких температурах кипения. Для систем, работающих в режиме кондиционирования воздуха, регенеративные теплообменники себя не оправдывают.

24. Циклы поршневых ДВС. Двигатель Тринклера. Показатели цикла.

Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (механическим) способом впрыскивалось топливо. Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто), а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля. Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями. Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ - Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива. Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей - 13-15. Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД. Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.

23. Циклы поршневых ДВС. Двигатель Дизеля. Показатели цикла.

Цикл Дизеля

Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя. Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо. Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу. Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива. И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе "Л.Нобеля" показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД. Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя тепловых двигателей.

Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму). Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме. В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении. Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения. Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (поэтапным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает удаляться от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным. Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).

Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива. Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.

Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением экономичности двигателя. Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое ра Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Однако индикаторные и экологические показатели дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей. Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ - Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия. В настоящее время двигатели, работающие по "чистому" циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.спыливание посредством топливных насосов высокого давления и форсунок.

22. Циклы поршневых ДВС. Двигатель Отто. Показатели цикла.

Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия - в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике. В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой). Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме. После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи), после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя). Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре. Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.

Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня). В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра). На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов. Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает "превращаться" в дизель. Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %. Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т. п.

21. Схема и цикл АЭС с реакторами типа ВТГР.

а, б — выработка только электроэнергии турбинами на СКП (а) и ДКП (б); в — выработка электроэнергии и отпуск низкопотенциальной теплоты; г — выработка электроэнергии и отпуск высокопотенциальной теплоты; д — выработка электроэнергии и отпуск низкопотенциальной и высокопотснциальной теплоты; е — отпуск низкопотенциальной и высокопотенциальной теплоты без выработки электроэнергии;

1 — реактор; 2 — парогенератор; 3 — газодувка; 4 — паровая турбина; 5 — конденсатор; 6 — питательный насос; 7 — низкопотснциальный теплообменник; 8 — высокопотенциальный теплообменник

20. Схема и цикл АЭС с реакторами типа ВВЭР.

19. Особенности выбора циклов АЭС. Особенности атомных реакторов. Критерии оценки совершенства АЭС.

Атомная электростанция (АЭС) это электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую.

Генератором энергии на АЭС является атомный (ядерный) реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основном 233U, 235U. 239Pu). При делении 1 г изотопов урана или плутония высвобождается 22 500 кВт ч, что эквивалентно энергии, содержащейся в 2800 кг условного топлива.

Принципиальная схема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение, приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема работы атомной электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе.

1. Реактор

2. Циркуляционный насос

3. Теплообменник (парогенератор)

4. Турбина

5. Генератор электроэнергии

 

Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора 1, отбирается водой (теплоносителем) 1-го контура, которая прокачивается через реактор циркуляционным насосом 2. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе, воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образующийся пар поступает в турбину 4. Наиболее часто на АЭС применяются 4 типа реакторов на тепловых нейтронах:

1. водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя;

2. графито-водные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем;

3. тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя;

4. графито-газовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.

Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным образом накопленным опытом в реакторостроении, а также наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запасов и т. д. В СССР строят главным образом графито-водные и водо-водяные реакторы. На АЭС США наибольшее распространение получили водо-водяные реакторы. Графито-газовые реакторы применяются в Англии. В атомной энергетике Канады преобладают АЭС с тяжеловодными реакторами. В зависимости от вида и агрегатного состояния теплоносителя создаётся тот или иной термодинамический цикл АЭС. Выбор верхней температурной границы термодинамического цикла определяется максимально допустимой температурой оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), содержащих ядерное горючее, допустимой температурой собственно ядерного горючего, а также свойствами теплоносителя, принятого для данного типа реактора. На АЭС, тепловой реактор которой охлаждается водой, обычно пользуются низкотемпературными паровыми циклами. Реакторы с газовым теплоносителем позволяют применять относительно более экономичные циклы водяного пара с повышенными начальными давлением и температурой. Тепловая схема АЭС в этих двух случаях выполняется 2-контурной: в 1-м контуре циркулирует теплоноситель, 2-й контур - пароводяной. При реакторах с кипящим водяным или высокотемпературным газовым теплоносителем возможна одноконтурная тепловая АЭС. В кипящих реакторах вода кипит в активной зоне, полученная пароводяная смесь сепарируется, и насыщенный пар направляется или непосредственно в турбину, или предварительно возвращается в активную зону для перегрева. В высокотемпературных графито-газовых реакторах возможно применение обычного газотурбинного цикла. Реактор в этом случае выполняет роль камеры сгорания.

18. Парогазовая установка со сбросом отработавших газов ГТУ в котел-утилизатор.

а — ПГУ с парогенератором утилизационного типа; б — ПГУ со сбросом газов в топку котла (НПГ); в — ПГУ на парогазовой смеси; 1 — воздух из атмосферы; 2 — топливо; 3 — отработавшие в турбине газы; 4 — уходящие газы; 5 — вода из сети на охлаждение; 6 — отвод охлаждающей воды; 7 — свежий пар; 8 — питательная вода; 9 – промежуточный перегрев пара; 10 — регенеративные отбросы пара; 11 — пар, поступающий после турбины в камеру сгорания. К — компрессор; Т — турбина; ПТ — паровая турбина; ГВ, ГН — газоводяные подогреватели высокого и низкого давления; ПВД, ПНД — регенеративные подогреватели питательной воды высокого и низкого давления; НПГ, УПГ — низконапорный, утилизационный парогенераторы; КС — камера сгорания.

17. Парогазовая установка с впрыском в ГТУ пара (со смешением рабочих тел).

. Парогазовые установки с впрыском пара

Принципиальная схема и теоретический цикл простейшей ПГУ с впрыском пара представлены на рисунке 4.1 и 4.2. Атмосферный воздух сжимается компрессором и подается в камеру сгорания, в которой происходит сгорание природного газа или распыленного жидкого газотурбинного топлива. Обессоленная вода под давлением, превышающим давление в газовом потоке, подается через поверхности нагрева экономайзера, использующие теплоту уходящих после турбины газов, на впрыск в газовый поток. Впрыскиваемый пар подается непосредственно в камеру сгорания. В результате смешения потоков газа и пара объем рабочего тела, проходящего через газопаровую турбину, увеличивается, что приводит к увеличению мощности турбины. Единый цикл парогазовой смеси можно условно разделить на газовый и паровой, как это показано на рисунке 4.2. Конфигурация этих двух циклов не выявляет очевидных термодинамических преимуществ такого комбинирования, тем более что пароводяной цикл, в котором пар поступает на выхлоп, характеризуется, как известно, низким КПД. Эффективность установки может быть оценена в результате расчета реальных процессов.

Очень привлекательной особенностью схемы является ее крайняя простота, а недостатком - необходимость подачи значительного количества обессоленной воды, которая выбрасывается в атмосферу в виде пара вместе с продуктами сгорания топлива. Конденсация и использование образующейся воды и скрытой теплоты парообразования в простой схеме невозможны. Это может быть связано со значительными трудностями. Однако, последние исследования показывают возможность и перспективность таких решений.

Тепловой расчет рассматриваемой схемы отличается существенными особенностями. Рабочими телами здесь являются воздух, продукты сгорания топлива, вода и образующийся из нее насыщенный, а затем перегретый пар, который смешивается с продуктами сгорания. Образовавшаяся парогазовая смесь совершает работу в турбине, поступает в хвостовую часть установки и далее выбрасывается в атмосферу. В частях установки, где происходит подогрев воды, парообразование и перегрев пара для определения количества теплоты энтальпии пара должны определяться по таблицам воды и водяного пара. Вследствие сравнительно высоких температур парогазовой смеси и низких парциальных давлений водяного пара в проточной части турбины и других элементах схемы процессы, происходящие с водяным паром в газовом потоке, не заходят в область насыщения, а находятся далеко за ее пределами. Поэтому их можно рассчитывать по уравнениям для идеальных газов. Процессы в теплообменных аппаратах протекают практически при постоянных давлениях. Поэтому количество передаваемой в них теплоты можно определять по изменению энтальпии, а последнюю - по средней теплоемкости при постоянном давлении от 0 до t°C. Теплоемкости и энтальпии могут определяться по данным для соответствующих газов и по зависимостям для их смесей.

- компрессор; 2 - камера сгорания; 3-4 - газовая турбина; 5 - регенератор-парогенератор; 6 - электрогенератор; 7 - водяной насос. В-воздух, Т - топливо, УГ - уходящие газы, W- вода, ПП - перегретый пар.

Рисунок 4.1. Схема ПГУ с впрыском пара перед газовой турбиной

16. Общие принципы комбинирования циклов. Бинарные и составные циклы.

Бинарные циклы

На основании проведенного рассмотрения циклов теплосиловых установок

можно сформулировать требования к свойствам наиболее удобного (с термодина-

мической и эксплуатационной точек зрения) рабочего тела. Эти требования таковы:

1. Рабочее тело должно обеспечивать возможно более высокий коэффициент

заполнения цикла. Для этого рабочее тело должно иметь возможно меньшую

изобарную теплоемкость в жидком состоянии [в этом случае изобары в T, s-диа-

грамме, наклон которых определяется величиной , будут идти

достаточно круто, приближаясь к вертикали]. Желательно также, чтобы рабочее

тело обладало возможно более высокими критическими параметрами: при

одной и той же температуре насыщенного пара больший коэффициент заполне-

ния имеет цикл, осуществляемый с рабочим веществом с более высокими кри-

тическими параметрами.

2. Свойства рабочего тела должны быть такими, чтобы высокая верхняя тем-

пература при достаточно высоком коэффициенте заполнения цикла обеспечива-

лась при не слишком высоком давлении пара, т.е. чтобы высокий термический

КПД достигался без перехода к чрезмерно высоким давлениям, которые приво-

дят к большому усложнению установки. Вместе с тем рабочее тело должно быть

таким, чтобы его давление насыщения при низшей температуре цикла (т.е. тем-

пературе, близкой к температуре окружающей среды) было не слишком низким;

слишком низкое давление насыщения потребует применения глубокого вакуума

в конденсаторе, что сопряжено с большими техническими сложностями.

3. Рабочее тело должно быть недорогим; оно не должно быть агрессивным

в отношении конструкционных материалов, из которых выполняется теплоси-

ловая установка; оно не должно причинять вреда обслуживающему персоналу

(т.е. не должно быть токсичным).

К сожалению, в настоящее время рабочие тела, в должной мере удовлетворяю-

щие всем этим условиям, неизвестны. Самое распространенное рабочее тело в

современной теплоэнергетике — вода — не удовлетворяет условию достаточно

низкой теплоемкости в жидкой фазе, но удовлетворяет условию не слишком низ-

кого значения давления в конденсаторе; вода является вполне подходящим рабо-

чим телом для низкотемпературной части цикла. Однако достижение высоких

коэффициентов заполнения пароводяного цикла сопряжено с необходимостью

перехода к высоким давлениям; при этом вследствие сравнительно невысокой

критической температуры длина изобарно-изотермического участка двухфазной

области уменьшается, что снижает темп роста коэффициента заполнения цикла

при переходе к высоким давлениям. Именно вследствие этого средняя темпера-

тура подвода теплоты в пароводяном цикле сравнительно невысока, что, как

показано в § 11.3, приводит к значительным потерям работоспособности.

Другим рабочим телам присущи иные недостатки. Так, например, ртуть

имеет невысокое давление насыщения при высоких температурах и высокие

критические параметры pкр = 151 МПа, Tкр = 1490 °С, а при температуре, напри-

мер, 550 °С давление насыщения составляет всего лишь 1420 кПа; это позволяет

осуществить цикл Ренкина на насыщенном ртутном паре без перегрева с доста-

точно высоким термическим КПД. Однако при температурах, близких к темпе-

ратуре окружающей среды, давление насыщения ртути слишком мало: при Т =

= 30 °С ps

= 0,36 Па, давлению же, обычно применяемому в конденсаторах паро-

вых турбин (ps ≈ 4 кПа), соответствует слишком большая температура насыщения

ртути Ts

= 217,1 °С. Термический КПД цикла со столь высокой нижней температурой был бы невелик. Таким образом, ртуть как рабочее тело хороша для верх-

ней (высокотемпературной) части цикла и неудовлетворительна для нижней.

Так как в настоящее время нет рабочих тел, удовлетворяющих перечислен-

ным требованиям во всем температурном интервале цикла, то можно осущест-

вить цикл, используя комбинацию двух рабочих тел, применяя каждое из них

в той области

15. Работа сжатия в компрессоре ГТУ и пути ее уменьшения. Многоступенчатое сжатие.

При одноступенчатом сжатии работа по повышению давления от доосуществлялась бы по кривой 1-8, а работа, затраченная на сжатие была бы равна площадиа-1-2-8-d-a - диаграмма(а).

Промежуточное охлаждение приводит так же к уменьшению температуры в конце сжатия. На диаграмме (б)количество теплоты отведенной от газа после сжатия в первой ступени равна заштрихованнойпл. 2-3-f-e-2, а после второй ступенипл. 4-5-h-g-4.

В результате промежуточного охлаждения в компрессоре процесс сжатия приближается к изотермическому. При бесконечно большом числе промежуточных охладителей процесс сжатия будет изотермическим (а) линия 1-3-5-7.

Степень повышения давления в каждой ступени при общем числе определяется соотношением:

В конечном итоге целесообразность использования многоступенчатого сжатия определяется технико-экономическим обоснованием.

Достижение этих целей возможно за счёт

1. Повышения параметров рабочего цикла (температурой перед турбиной, степени сжатия ОК, что в свою очередь возможно использовать жаропрочные материалы для лопаток ГТ, покрытие лопаток или за счёт специальных конструкций лопаток обеспечивающих их охлаждение).

2. Разработка ГТУ по схеме с многоступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха в ОК.

3. Утилизация тепла отходящих газов (применение регенеративных циклов, парогазового цикла, использование утилизационных аппаратов).

4. Применение схем ГТУ (впрыск воды в КС ГТУ).

5. Создание автоматизированных систем контроля технического состояния ГТУ, диагностики и прогнозирования дефектов на ранних стадиях их развития.

6. Совершенствование камеры сгорания для оптимизации процессов горения и обеспечение равномерного температурного поля перед ГТ.

 

Повышение эффективности использования продуктов сгорания.

 

КПД ГТУ, применяемых в газовой промышленности, колеблется от 20 до 32%. Большая часть теплоты теряется с выхлопными газами. Использование теплоты продуктов сгорания возможно в следующих направлениях:

- подогрев циклового воздуха сжатого в ОК до подачи в КС (регенерация)

- нагрев воды в системе теплоснабжения и горячего водоснабжения (утилизация)

- нагрев воды до состояния перегретого пара в котле–утилизаторе для совершения им механической работы на паровой турбине (парогазовой установки)

- регенерация тепла в ГТУ повышает КПД на 3-4%

14 Простейший регенеративный цикл ГТУ. Степень регенерации.

Использование тепла уходящих газов (регенерация)

 

Регенерация тепла в ГТУ повышает КПД ГТУ на 3-4%. В качестве теплообменных аппаратов используются воздухоподогреватели (регенераторы) пластинчатого или трубчатого типа.

Теплообменная поверхность воздухонагревателя I типа выполнена из профилированных листов, II типа из пучков трубок.

Степень регенерации характеризует полноту отдачи тепла цикловому воздуху отходящими газами 0,7-0,85.

Рис. 97. Степень регенерации

T₁– атмосферная

T₂– после осевого компрессора

T₃– перед турбиной

T₄– выхлопные газы

T₅– перед камерой сгорания

 

1. Увеличение степени регенерации возможно за счёт увеличения поверхности теплопередачи, что приведёт к значительной металлоёмкости и массы воздуха подогревателя.

2. Нагрев воды систем и водоснабжения и тепло – выходящими газами широко применяются на КС.

 

Влияние впрыска воды на ГТД с регенерацией тепла.

 

При вводе жидкости в тракт высокого давления ГТД с регенерацией тепла (между компрессором и выходом из камеры сгорания) возрастает удельная мощность и снижается удельный расход топлива при поддержании и степени регенерации цикла. При вводе 3% воды в сечении за компрессором передаваемое тепло возрастет на 8%, а при впрыске 4,46% жидкости на 12%. При вводе воды в камеру сгорания необходимое увеличение передаваемого тепла ещё больше: соответственно на 12% и 17%.

При подаче за компрессор 4,46% воды габариты теплообменника можно уменьшить на 3,8% или получить степень регенерации 0,828 и удельный расход 0,22 кг/кВ·ч, что на 9,5% ниже варианта без добавки жидкости.

2. 1.1. Степень регенерации

Рис. 2.1. Схема ГТУ с регенерацией; 1 – регенератор.

Одним из способов повышения к. п. д. ГТУ является при­менение регенеративного подогрева воздуха перед его поступ­лением в камеру сгорания. Повышение температуры воздуха осуществляется в специальном теплообменнике — регенера­торе (рис. 2.1) за счет теплоты газов, покидающих ГТУ. Ко­личество теплоты, передаваемой воздуху в регенераторе, ха­рактеризуется степенью (коэффициентом) регенерации r, ко­торая определяется как отношение действительной величины повышения энтальпии воздуха в регенераторек максимальной величине, при которой температура воздуха за регенератором становится равной температуре газа турбиной T₄, т. е.

где энтальпия воздуха i_4вопределяется по температуре T₄. Если пренебречь изменением теплоемкостис_рт, то

(2.1)

При T₆=Т₂ степень регенерацииr= 0, что соответствует ГТУ простой тепловой схемы. В предельном случае T₅=приr = 1, что может иметь место в идеальном регенераторе с бесконечной поверхностью нагрева. Таким образом, в ГТУ может применяться регенеративный подогрев воздуха, ха­рактеризуемый степенью регенерации в диапазоне от 0 до 1 (0 <r < 1).

13. Простейший цикл и схема гту с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Брайтона). Оптимальная степень повышения давления.

Термодинамический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты на P\/- и TS-диаграммах. Рассуждая аналогично, получаем выражение  для термического к.п.д. рассматриваемого цикла:         Из этой формулы следует, что с увеличением степени повышения давления и в отношения абсолютных температур конца и начала подвода теплоты термический к.п.д цикла ГТУ с изохорным подводом теплоты увеличивается. Зависимость при K = const (К = 1,4) показана на рис. 10.Термический к.п.д. цикла можно определить, если воспользоваться изображением цикла ни TS-диаграмме, в виде отношения площади 34123 (внутри цикла) к площади под процессом 4-1.

12. Особенности циклов теплофикационных ПТУ (ТЭЦ).

Термодинамический выигрыш от применения теплофикации можно пояснить следующим

образом. Альтернативой еѐ является раздельная выработка электроэнергии (работы) на

конденсационной электростанции (КЭС) и теплоты в отдельной котельной. В этом случае в

котельной теплота от газообразных продуктов сгорания топлива передается тепловому

потребителю при очень большой разности их температур (рис. 7.41). Этот процесс

характеризуется очень большой степенью необратимости и, следовательно, большой потерей

эксергии газов. Если же на пути передачи теплоты встроить цикл для получения работы (рис.

7.40), то эксергия газов будет использована намного полнее.

Рис. 7.41

У теплофикационной установки, имеющей турбину с противодавлением (рис. 7.39),

выработка электроэнергии жестко связана с отпуском теплоты тепловому потребителю, так как

расход пара через турбину может быть только таким, какой нужен для выработки теплоты в

количестве, заданном тепловым потребителем. Поэтому такие установки применяются там, где

тепловая нагрузка достаточно постоянна (промышленный потребитель). Если же тепловое

потребление значительно изменяется в зависимости от времени года (системы отопления) или

других факторов, то используют теплофикационные турбины с регулируемым отбором пара.

Схема такой установки показана на рис. 7.42. Из парового котла ПК пар в количестве D поступает

в турбину Т, в которой адиабатно расширяется до давления рТ. При этом давлении часть пара DТ

отбирается в сетевой подогреватель СП воды, циркулирующей в отопительной сети теплового

потребителя ТП, где от него отводится теплота QT, используемая для нужд теплофикации.

Оставшийся пар продолжает адиабатное расширение в турбине до давления р2, поддерживаемого

в конденсаторе К. Конденсат пара теплофикационного отбора DT состояния 4 (рис. 7.43)

смешивается с конденсатом, поступающим из конденсатора. Получившийся поток состояния 5

сжимается насосом Н до начального давления р1 (тч. 6 на рис. 7.43) и направляется в котел.

11 Оптимальное давление промежуточного перегрева пара. Циклы с промежуточным перегревом пара

Схема и цикл такой установки представлены на рис. 9.16, 9.17.

Промежуточный перегрев пара (процесс а-1¢) применяют при давлениях параp₁> 130 бар с целью повышения степени сухости в конце процесса расширения (x₂>x_b). Допустимая степень сухости составляет 0,88 – 0,92. В ПТУ, работающих при сверхкритических давлениях, применяется два промежуточных перегрева пара.

Для обратимого цикла с промежуточным перегревом (см. рис. 9.17) имеем

Обозначения: ПК – паровой котел; П – пароперегреватель; ПП – промежуточный пароперегреватель; СВД, СНД – ступени высокого и низкого давлений турбины; К – конденсатор; ЭГ – электрогенератор; Н – насос. Цифры на схеме соответствуют узловым точкам обратимого цикла (рис. 9.17)

 

Применение промежуточного перегрева дает увеличение средней термодинамической температуры подвода теплоты (Т¢) за счет высокотемпературного процесса подвода теплоты в промежуточном пароперегревателе и в конечном итоге увеличение термического КПД цикла в среднем на 2–3 %.

Давление пара перед промежуточным перегревом обычно выбирают равным 0,2 – 0,3 давления свежего пара.

10. Регенеративные циклы ПТУ. Оптимальная и предельная температуры регенеративного подогрева питательной воды.

При прохождении через турбину пар по мере расширения увлажняется. Снижение сухости пара вызывает ухудшение гидродинамического режима в проточной части турбины, сопровождающееся с уменьшением относительного КПД турбины. Одним из способов повышения сухости пара является промежуточный перегрев пара.

Циклы с промежуточным перегревом пара

И регенеративным отбором пара

Циклы ПТУ с промежуточным перегревом

Промежуточный (вторичный) перегрев пара. Причины применения промежуточного перегрева пара. Принципиальная схема установки с промежуточным перегревом. Цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара. Циклы ПТУ со сверхкритическими параметрами водяного пара. Циклы ПТУ с двумя промежуточными перегревами пара.

Регенеративные циклы. Регенеративный подогрев питательной воды. Предельная регенерация. Схема установки с регенеративными отборами пара. Смешивающие и поверхностные подогреватели питательной воды. Изображение регенеративных циклов в координатах T, s. Термический КПД регенеративного цикла. Влияние числа отборов на КПД регенеративного цикла.

По теме выполняется контрольная работа (зад. № 13, 15) и лабораторная работа (№ 5) только для очно-заочной формы обучения.

После изучения теоретического материала следует ответить на вопросы для самопроверки по этой теме. Ответы можно найти в учебниках [1,3].

Принципиальная схема ПТУ с промежуточным перегревом представлена на рис. 4.6.

После того как поток пара, совершая работу в турбине (в ступенях высокого давления ПТ–1), расширяется до некоторого давления р_пр (р₁>р_пр >р₂),он выводится из турбины и направляется в промежуточный пароперегреватель (ППП), где его температура повышается до величиныt₁. После ППП пар вновь поступает в турбину (в ступени низкого давления ПТ–2), где расширяется до давленияр₂и после выхода из турбины попадает в конденсатор К.

Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара представлен на Ts - иhs – диаграммах (см. рис. 4.7).