Процессы изменения состояния водяного пара

В термодинамических процессах водяного пара, так же как для идеального газа, необходимо определить неизвестные параметры в начале и конце процесса, изменения его внутренней энергии, работу и теплоту, участвующую в процессе.

По двум известным начальным параметрам находят на диаграмме начальную точку 1. Из начальной точки наносят заданный термодинамический процесс (по соответствующей изолинии) до конечного значения известного параметра – получают конечную точку 2.

Изохорный процесс: из точки 1 проводится линия -const до конечного заданного значения параметра (рисунок 2).

Характеристики процесса:

а) изменение внутренней энергии:

Δu=u₂-u₁=(i₂ - p₂)-(i₁ - p₁)=(i₂-i₁)-(p₂-p₁), кДж/кг (1)

б) работа процесса:

l=0, т.к. -const; (2)

в) теплота процесса:

q=Δu, кДж/кг (3)

Изобарный процесс: из точки 1 проводится линия p-const до конечного заданного значения параметра (рисунок 3).

Характеристики процесса:

а) изменение внутренней энергии

Δu=u₂-u₁=(i₂ - p₂)-(i₁ - p₁)=(i₂-i₁)-p(₂-₁), кДж/кг (4)

Рисунок 2 – Изохорный процесс

б) работа процесса

l=р(₂-₁), кДж/кг (5)

в) теплота процесса

q=Δi, кДж/кг (6)

Рисунок 3 – Изобарный процесс

Изотермический процесс: из точки 1 проводится линия t-const до конечного заданного значения параметра (рисунок 4).

Характеристики процесса:

а) изменение внутренней энергии

Δu=u₂-u₁=(i₂ - i₁)-( p₂₂- p₁₁), кДж/кг (7)

б) работа процессов

l=q - Δu, кДж/кг (8)

в) теплота процесса

q=T(s₂-s₁), кДж/кг (9)

Рисунок 4 - Изотермический процесс

Адиабатный процесс: из точки 1 проводится линия s-const до конечного заданного значения параметра (рисунок 5).

Характеристики процесса:

а) изменение внутренней энергии

Δu=u₂-u₁=(i₂ - i₁)-( p₂₂- p₁₁), кДж/кг (10)

б) работа процесса

, кДж/кг (11)

в) теплота процесса

q=0 .

Рисунок 5 – Адиабатный процесс

Паросиловая установка, работающая по циклу Ренкина

Паросиловая установка ПСУ (рис.6а) предназначена для преобразования теплоты пара в механическую работу, а затем обычно в электроэнергию в электрогенераторе. За основной цикл изменения параметров рабочего тела в ПСУ принят идеальный цикл Ренкина (рис. 6б). В котле 1 при подводе теплоты происходит нагрев воды (процесс 1-2) и парообразование (процесс 2-3). Из котла сухой насыщенный пар поступает в пароперегреватель 2, где при подводе теплоты пар перегревается (процесс 3-4). Процесс подвода теплоты 1-2-3-4 – изобарный процесс р₁-const. Перегретый пар поступает в паровую турбину 3, где адиабатно расширяется (процесс 4-5). Механическая работа пара затрачивается на получение электроэнергии, при этом давление снижается от давления р₁ до давления р₂. Влажный насыщенный пар из турбины поступает в конденсатор 4, где при отводе теплоты пар конденсируется при р₂-const (процесс 5-6). Образовавшаяся жидкость (конденсат) насосом 5 подается в котел (процесс 6-1).

Рисунок 6 – Идеальный цикл паросиловой установки: а) принци-пиальная схема ПСУ; б) изображение цикла ПСУ в i-s диаграмме

Термический КПД цикла

, (13)

Теплота q₁, подводимая в процессе при постоянном давлении от точки 1 до 4, может быть определена, как разность энтальпий в конце и начале процесса

, кДж/кг (14)

Количество теплоты, необходимое для нагрева воды,

, кДж/кг (15)

Количество теплоты, пошедшее на парообразование

, кДж/кг (16)

Количество теплоты, пошедшее на нагрев пара

, кДж/кг , (17)

где и – энтальпия соответственно насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара при соответствующем давлении р₁р₂.

Теплота , отводимая в процессе 5-6 при постоянном давлении, может быть также определена, как разность энтальпий в начале и конце процесса:

, кДж/кг (18)

Если пренебречь работой, затраченной в насосе, величина которой незначительна, то работа цикла равна работе турбины

, (19)

Так как , то

, кДж/кг (20)

Тогда термический КПД цикла определяется по формуле (21):

,

где – энтальпия перегретого пара, поступающего в турбину;

– энтальпия влажного пара, выходящего из турбины;

– энтальпия насыщенной жидкости при р₂.

Энтальпия насыщенной жидкости при р₂ может быть найдена или из таблиц, или через температуру насыщения, найденную по диаграмме при р₂ (ф-ла 22)

i₁=c_pжt_s, (22)

где с_рж – изобарная массовая теплоемкость жидкости (для воды с_р=4,19кДж/кгК).

Таблица 1- Результаты теплового расчета цикла паросиловой

установки, работающей по циклу Ренкина

Точки	Параметры состояния
	р, МПа	t, oC	, м3/кг	i, кДж/кг	s, кДж/кгК	x
1
1табл
2
2 табл
3
3 табл
4
5
6