Лекція 20. Ідеальні цикли паросилових установок

У сучасній теплоенергетиці в основному використовуються паросилові установки. Теплосилові установки, в яких у якості робочого тіла застосовується пара, мають ряд особливостей і переваг, що істотно відрізняють їх від теплосилових установок з газоподібним робочим тілом.

20.1. Цикл Карно з вологою парою у якості робочого тіла

Використання робочого тіла, що змінює свій агрегатний стан, дозволяє здійснити на практиці цикл Карно.

Схема паросилової установки, у якій здійснюється цикл Карно з вологим паром у якості робочого тіла, представлена на мал. 2.30. У паровий котел 1 надходить вологга водяна пара малого ступеня сухості х. За рахунок згоряння в топці казана палива (мазут, вугілля, природний газ та ін.) до вологої пари підводиться тепло, і ступінь сухості пари підвищується до значень х, близьких до одиниці. Процес підведення тепла в котлі відбувається при постійному тиску р₁ і при постійній температурі Т₁.

Рис. 2.30. Схема ПСУ, що працює по циклу Карно

З котла пара надходить у парову турбіну 2. При розширенні в соплах турбіни потік пари здобуває значну кінетичну енергію. На лопатках робочого колеса турбіни ця енергія перетворюється в механічну енергію обертання робочого колеса й потім в електроенергію за допомогою електрогенератора 3, що обертається турбіною. На виході з турбіни волога пара має тиск р2 і відповідну цьому тиску температуру Т2. Далі пара надходить у конденсатор 4 − теплообмінник, у якому за допомогою охолоджувальної води від пари відводиться тепло, віна конденсується й, отже, ступінь сухості пари зменшується.

Процес відводу тепла від пари в конденсаторі здійснюється при постійному тиску. Після конденсатора волога пара надходить у компресор 5, у якому він адіабатно стискується до тиску р₁. Потім волога пара знову надходить у котел, і цикл замикається.

Описаний цикл зображений в v-p і s-T діаграмах на мал. 2.31, 2.32.

Підведення тепла q₁ до пари в котлі здійснюється по ізобарі-ізотермі 4-1, процес розширення в паровій турбіні - по адіабаті 1-2, відвід тепла q₂ у конденсаторі − по ізобарі - ізотермі 2-3, стиск пари в компресорі - по адіабаті 3-4. При розширенні по адіабаті від стану поблизу верхньої пограничної кривої ступінь сухості пари зменшується. Відвід тепла в конденсаторі повинен здійснюватися доти, поки волога пара не досягне стану, що визначається наступною умовою: при стисненні по адіабаті від стану 3 з тиском р₂ до тиску р₁ кінцевий стан робочого тіла не повинен опинитися за межами області насичення.

Рис. 2.31. Цикл Карно з вологою Рис. 2.32. Цикл Карно з вологою

парою на v-p діаграмі парою в s-T діаграмі

Термодинамічний ККД оборотного циклу Карно, здійснюваного з вологою парою у якості робочого тіла, як і циклу Карно з будь-яким іншим робочим тілом, визначається рівнянням:

Величина термодинамічного ККД виявляється в цьому випадку досить значною. Проте з урахуванням умов роботи теплосилового устаткування практичне здійснення цього циклу недоцільно, тому що при роботі на вологій парі, що являє собою потік сухої насиченої пари зі зваженими в ньому крапельками води, умови роботи проточних частин турбіни й компресорів виявляються важкими, течія виявляється газодинамічно недосконалою і внутрішній відносний ККД цієї машин знижується.

Важливо й те, що компресор для стисненні вологої пари являє собою досить громіздкий, незручний в експлуатації пристрій, на привід якого затрачається надмірно велика енергія.

Із цих причин цикл Карно з вологою парою у якості робочого тіла не знайшов практичного застосування.