Techninė termodinamika

1. Kombinuota šilumos ir elektros gamyba yra sistemingas būdas padidinti elektros energijos gamybos įrenginių efektyvumą. Paprasčiausios garo turbinų kombinuotų šilumos ir elektrinių schemos. Energetinės charakteristikos CHP.

2. Kombinuota šilumos ir elektros gamyba yra sistemingas būdas padidinti elektros energijos gamybos įrenginių efektyvumą. Paprasčiausios kombinuotų šilumos ir elektros jėgainių, pagrįstų dujiniais varikliais, schemos vidaus degimas. Šiluminių elektrinių energetinės charakteristikos.

3. Garo jėgainės (SPS): tarpinis garo perkaitinimas, naudojimo priežastys, diagramos, teoriniai ir faktiniai ciklai, SPS efektyvumas ir galia.

4. Garo jėgainės (SPU): regeneravimo schemos su ištraukimu, regeneraciniai ciklai Ts-, hs-diagramose. Regeneracinių ciklų efektyvumas. Ištraukimo garo perkaitinimo šilumos ir kondensato peršalimo šilumos panaudojimas regeneraciniuose šildytuvuose.

5. Srauto termodinamika: būdingi adiabatinio srauto greičiai ir parametrai Garso greitis, Laplaso lygtis. Didžiausias ir kritinis greitis, pagrindiniai bedimensiniai skaičiai. Srauto greičio perėjimo per garso greitį sąlygos. Išorinių poveikių apsisukimo principas.

6. Srauto termodinamika: statiniai ir stabdymo parametrai. Statinių parametrų ir stabdymo parametrų ryšys.

7. Srauto termodinamika: dujų ir garų nutekėjimas iš purkštukų.

8. Pagrindiniai procesai su tikromis dujomis, kaip pavyzdį naudojant vandens garus ir jų apskaičiavimas naudojant lenteles ir diagramas: izobarinis procesas (kondensatorius, kondensato aušintuvas, perkaitinimo aušintuvas).

9. Pagrindiniai procesai su tikromis dujomis, kaip pavyzdį naudojant vandens garus ir jų apskaičiavimas naudojant lenteles ir diagramas: izobarinis procesas (garintuvas, perkaitintuvas, ekonomaizeris).

10. Pagrindiniai procesai su tikromis dujomis naudojant vandens garų pavyzdį ir jų apskaičiavimas naudojant lenteles ir diagramas: adiabatinis procesas (turbina ir plėtiklis, siurblys, ventiliatorius).

11. Drėgnas oras: pagrindinės drėgno oro sąvokos ir savybės. Apskaičiuotos drėgno oro dujų konstantos, tariamosios molinės masės, tankio, šiluminės talpos, entalpijos priklausomybės.

12. Drėgnas oras. HD drėgno oro diagrama. Pagrindiniai drėgno oro procesai.

13. Tikros medžiagos. Kritinės būklės. Būsenos fazių diagramos: рv-, Ts-, hs-. Termodinaminės vandens savybės. Termodinamikos lentelės, diagramos ir vandens būsenos lygtys.

14. Termodinaminių sistemų pusiausvyros ir stabilumo sąlygos: Bendros sąvokos stabili vienfazės sistemos pusiausvyra. Dviejų fazių sistemos su plokščia ir lenkta fazės sąsaja pusiausvyra.

15. Termodinaminių sistemų pusiausvyros ir stabilumo sąlygos: trifazės sistemos pusiausvyra. Gibso fazės taisyklė. 1 eilės fazių perėjimai. Clapeyron-Clausius lygtis. Būsenos fazinė diagrama.

16. pT būsenos fazių diagrama. Būsenos fazių diagramos: рv-, Ts-, hs-

17. GTU. Bendra informacija. Idealizuotas paprasčiausio dujų turbinos bloko su izobariniu šilumos tiekimu ciklas.

18. GTU. Bendra informacija. Idealizuotas paprasčiausio dujų turbinos bloko ciklas su izochoriniu šilumos tiekimu.

19. GTU. Bendra informacija. Paprasčiausio dujų turbinos bloko ciklas su izobariniu šilumos tiekimu ir negrįžtamais darbinio skysčio suspaudimo ir išsiplėtimo procesais.

20. GTU. Bendra informacija. Regeneracija dujų turbinos bloke.

21. Varikliai su dujiniu darbiniu skysčiu. Bendra informacija. Stūmokliniai vidaus degimo varikliai ir jų mechaniniai ciklai. Idealus Otto ciklas: (pradiniai duomenys, charakteristikų taškų skaičiavimas, ciklo įvesties ir išėjimo šiluma, ciklo darbas, šiluminis efektyvumas, vidutinis indikatoriaus slėgis).

22. Varikliai su dujiniu darbiniu skysčiu. Bendra informacija. Stūmokliniai vidaus degimo varikliai ir jų mechaniniai ciklai. Idealus dyzelino ciklas: (pradiniai duomenys, charakteristikų taškų skaičiavimas, ciklo įvesties ir išėjimo šiluma, ciklo darbas, šiluminis efektyvumas, vidutinis indikatoriaus slėgis).

23. Varikliai su dujiniu darbiniu skysčiu. Bendra informacija. Idealus Trinklerio ciklas: (pradiniai duomenys, charakteristikų taškų skaičiavimas, ciklo įvesties ir išėjimo šiluma, ciklo darbas, šiluminis efektyvumas, vidutinis indikatoriaus slėgis).

24. Kompresorius. Bendra informacija. Tikro kompresoriaus indikacinė diagrama. Idealus vienos pakopos kompresorius. Kompresoriaus veikimas, proceso pobūdžio įtaka kompresoriaus darbui.

25. Kompresorius. Bendra informacija. Negrįžtamas suspaudimas kompresoriuje, adiabatinis ir izoterminis kompresoriaus efektyvumas. Kenksmingos erdvės įtaka kompresoriaus darbui. Kompresoriaus tūrinis efektyvumas.

26. Kompresorius. Bendra informacija. Daugiapakopis kompresorius. Naudojimo priežastys, diagrama, proceso diagramos, slėgio pasiskirstymas per suspaudimo etapus, tarpiniuose šilumokaičiuose pašalinama šiluma.

27. Idealiųjų dujų termodinaminiai procesai. Pagrindinių procesų tyrimo metodika. Apdorokite grupes pv ir Ts diagramose. Vidutinė integruota proceso šilumos tiekimo temperatūra.

28. Idealiųjų dujų termodinamika. Idealių dujų mišiniai. Bendrosios nuostatos. Daltono dėsnis. Mišinio nustatymo metodai. Dujų konstanta, tariama molinė masė, tankis, šiluminė talpa, vidinė energija, entalpija, dujų mišinio entropija. Maišymo entropija.

29. Pirmasis termodinamikos dėsnis. Energijos rūšys. Šiluma ir darbas yra energijos perdavimo formos. Energijos ir šilumos balansai techninę sistemą. Techninės sistemos absoliutinės ir santykinės charakteristikos, pagrįstos 1-ojo dėsnio balansinėmis lygtimis.

30. Antrasis termodinamikos dėsnis. Formulės ir jų santykis vienas su kitu. Grįžtamumo sąvokos reikšmė. Išorinis ir vidinis negrįžtamumas. Entropija. Entropijos pokytis grįžtamuose ir negrįžtamuose procesuose. Antrojo termodinamikos dėsnio analitinė išraiška. Vieninga termodinamikos lygtis (tapatybė), skirta uždaros sistemos

Kombinuota šilumos ir elektros gamyba yra sistemingas būdas padidinti elektros energijos gamybos įrenginių efektyvumą. Paprasčiausios garo turbinų kombinuotų šilumos ir elektrinių schemos. Šiluminių elektrinių energetinės charakteristikos.

Kombinuota generacija šiluminės ir elektros energija vadinamas šildymu. Jei atsižvelgsime į tai, kad šiluminių elektrinių šiluminės galios panaudojimas laikui bėgant labai vėluoja, tai pastaraisiais metais plačiai paplitęs didžiųjų rajoninių katilinių naudojimas tampa suprantamas.

Kogeneracinės elektrinės, statomos dideliuose miestuose ar pramonės rajonuose, yra skirtos kombinuotai šilumos ir elektros energijos gamybai.

Kombinuotame šilumos ir elektros energijos gamyboje, kuri yra pagrindinė centralizuoto šildymo ypatybė, naudojama šiluma, išsiskirianti šildytuvuose kondensuojantis garui, kuri anksčiau praeina per turbiną. Ši šiluma kondensacinėse elektrinėse, kaip jau minėta, prarandama su aušinimo vandeniu

Kombinuotai gaminant šiluminę ir elektros energiją, garas vartotojui tiekiamas iš (Tarpinis pasirinkimas. Nuo 1 kg šviežio garo vartotojas gauna (/ - fk shd) kcal / kg šilumos, kur / k yra garo šilumos kiekis prie išėjimo iš beslėgių katilų ir / kondensatas - iš vartotojo grąžinamas kondensatas; iš 1 kg garų iš turbinos ištraukimo vartotojas gauna (/ otb - / k.

Kombinuota šilumos ir elektros energijos gamyba turi didelių privalumų. Tais atvejais, kai kartu su elektros vartotojais yra ir šiluminės energijos vartotojai (šildymui, technologiniams tikslams), galima panaudoti garo turbinos išmetamųjų garų šilumą. Tačiau tuo pačiu metu išmetamųjų garų slėgis arba, kaip paprastai vadinamas, priešslėgis, yra visiškai nulemtas garo parametrų, būtinų šiluminiams vartotojams. Taigi, pavyzdžiui, naudojant garą plaktukams ir presams, reikalingas slėgis yra 10–12 ata. technologiniai procesai naudojamas 5–6 ata garų slėgis. Šildymo tikslais, kai reikia pašildyti vandenį iki 90 - 100 C, galima naudoti 1 1 - 1 2 atm slėgio garus.

a-pramoninė šiluminė elektrinė;
b- šildymas CHP;
1 - katilas (garų generatorius);
2 - kuras;
3 - garo turbina;
4 - elektros generatorius;
5 - turbinos išmetamųjų dujų garo kondensatorius;
6 - kondensato siurblys;
7- regeneracinis šildytuvas;
8 - padavimo siurblys garo katilas;
7 surinkimo kondensato bakas ( Geriau ten įdėti deaeratorių)
9- šilumos vartotojas;
10- šildytuvas tinklo vanduo;
11 tinklų siurblys;
12 kondensato siurblys tinklo šildytuvui

Paprastai charakterizuojamas CHP veikimo efektyvumas šilumos panaudojimo koeficientas:

Elektros ir šiluminės energijos kiekis, atitinkamai suteiktas vartotojui per laiko vienetą

B – degalų sąnaudos tiek pat laiko

Mažesnė kuro šiluminė vertė

2 Kombinuota šilumos ir elektros gamyba yra sistemingas būdas padidinti elektros energijos gamybos įrenginių efektyvumą. Paprasčiausios kombinuotų šilumos ir elektrinių schemos, pagrįstos dujiniais vidaus degimo varikliais. Šiluminių elektrinių energetinės charakteristikos.

1 dalis klausimu Nr. 1 ( Kombinuota šilumos ir elektros gamyba yra sistemingas būdas padidinti elektrinių efektyvumą.)

Kombinuota šilumos ir elektros gamyba – tai bendra (kombinuota) integruota 2 produktų: šilumos ir elektros energijos gamyba. Schema Paprasčiausia šiluminė elektrinė, pagrįsta dujų turbina (CCGT), parodyta paveikslėlyje:

Technologijos aprašymas:

Paprasčiausias dujų turbinos blokas (GTU) susideda iš degimo kameros (1), dujų turbinos (2) ir oro kompresorius(3). Dujų turbina čia naudojama sinchroniniam generatoriui (4) ir kompresoriui varyti. CCGT veikimo principas paprastas: kompresoriumi suspaustas oras priverčiamas į degimo kamerą, į kurią tiekiamas dujinis arba skystasis kuras. Susidarę degimo produktai siunčiami į turbiną, kuriai jie yra darbinis skystis. Turbinoje išmetamos dujos neišleidžiamos į atmosferą kaip paprastame dujų turbininiame bloke, o patenka į atliekinės šilumos katilą (8), kur jų šiluma panaudojama garui gaminti ir pagal įprastą schemą užtikrinti termodinaminį ciklą. Garas patenka į garo turbiną (5), iš kur tiekiamas vartotojui.

Šioje schemoje darbui ir šilumai gaminti naudojama šildymo turbina. 2 garo ištraukimai iš garo turbinos. 11 yra kondensatorius.

CHP darbo efektyvumą apibūdina šilumos panaudojimo koeficientas:

Vartotojui atiduoto darbo ir šilumos kiekio ir kuro deginimo metu išsiskiriančios šilumos santykis

Qнр - mažesnis kaloringumas;

B – degimo šiluma;

Mes ir Qtp – vartotojui atiduodamas elektros (kiekvienas generatorius turi savo) ir šiluminės energijos kiekis

PSU: generavimo schema su ištraukimu, regeneraciniai ciklai T-s ir w-s diagramose, regeneracinis efektyvumas. ciklai, naudojimas ekstrahavimo garų perkaitimo šiluma ir kondensato peršalimo šiluma regeneraciniuose šildytuvuose.

Garo jėgainė (SPU) yra šilumos variklis, kuriame darbinis skystis patiria fazių transformacijas. PSU plačiai naudojami šilumoje elektrinės(TPP) elektros energijos gamybai. PSU taip pat naudojami vandens ir geležinkelio transporte. Kaip transporto variklis, PSU yra nejautrus perkrovoms ir yra ekonomiškas bet kokiu režimu. Jis išsiskiria savo konstrukcijos paprastumu ir patikimumu, mažesne tarša, palyginti su vidaus degimo varikliu. aplinką. Tam tikrame technologijų vystymosi etape, kai aplinkos taršos klausimas nebuvo toks aktualus, o ugniakuras su atvira liepsna atrodė pavojingas, dujinius variklius transporte pakeitė dujiniai varikliai. Šiuo metu garo variklis laikomas perspektyviu tiek ekonomiškai, tiek aplinkosaugos požiūriu.

PSU tiek stūmoklinis cilindras, tiek garo turbina gali būti naudojami kaip mazgas, kuris pašalina naudingą darbą iš darbinio skysčio. Kadangi dabar turbinos naudojamos plačiau, ateityje svarstysime tik garo turbinų įrenginius. Įvairios medžiagos gali būti naudojamos kaip darbinis skystis PSU, tačiau pagrindinis darbinis skystis yra (ir artimiausioje ateityje išliks) vanduo. Tai paaiškinama daugeliu veiksnių, įskaitant jo termodinamines savybes. Todėl ateityje PSU su vandeniu laikysime darbiniu skysčiu. Schema Paprasčiausias PSU parodyta paveikslėlyje

Garo katile 1 vanduo pagal parametrus virsta perkaitintais garais p 1, t 1, i 1, kuris patenka į turbiną 2 per garo liniją, kur vyksta adiabatinis išsiplėtimas iki slėgio p2 su komisija techninis darbas, kuris įjungia elektros generatoriaus rotorių 3. Tada garai patenka į kondensatorių 4, kuris yra vamzdinis šilumokaitis. Kondensatoriaus vamzdžių vidinis paviršius aušinamas cirkuliuojančiu vandeniu.

Kondensatoriuje aušinimo vandens pagalba iš garų pašalinama garavimo šiluma ir garai praeina esant pastoviam slėgiui 2 p ir temperatūra t 2į skystį, kuris tiekiamas į garo katilą 1 naudojant siurblį 5. Tada ciklas kartojamas.

Būdingos savybės PSU yra:

Fazių transformacijų buvimas katilo bloke ir kondensatoriuje;

Kuro degimo produktai tiesiogiai nedalyvauja

ciklo, bet yra tik šilumos šaltinis, perduodamas q1

darbinio skysčio sienelė;

Ciklas uždaromas ir šiluma q2 per šilumos mainų paviršių perduodama į aplinką;

Visa šiluma pašalinama esant minimaliai ciklo temperatūrai, kuri nesikeičia dėl izobarinio fazinio virsmo;

PSU iš esmės įgyvendinsime Carnot ciklą.

1.2. Garo jėgainių šiluminio efektyvumo didinimas, remiantis regeneracinio ciklo naudojimu

Nepaisant to, kad šiuo metu masiškai tobulinami aukšti ir itin aukšti garo parametrai (= 23...30 MPa;
= 570...600°C) ir didelis vakuumas kondensatoriuje (97 proc. arba p 2 = 0,003 MPa), Rankine ciklo šiluminis efektyvumas neviršija 50%. Realiuose įrenginiuose naudingai panaudotos šilumos dalis yra dar mažesnė dėl nuostolių, susijusių su vidiniu procesų negrįžtamumu. Šiuo atžvilgiu buvo pasiūlyti ir kiti garo jėgainių šiluminio efektyvumo didinimo būdai. Visų pirma, tiekiamo vandens pašildymas naudojant išmetamuosius garus (regeneracinis ciklas). Pažvelkime į šį ciklą.

Šio ciklo ypatumas yra tas, kad kondensatas, kurio temperatūra po kondensatoriaus yra 28...30 °C, specialiuose šilumokaičiuose P1-PZ (8 pav., a) kaitinamas garais, paimtais iš tarpinių pakopų. turbiną prieš įeinant į katilą. Atliekant laipsnišką vandens šildymą dėl laipsniško garo šilumos ištraukimo jo plėtimosi metu, galima įgyvendinti regeneracinio Carnot ciklo idėją, kaip parodyta 1 pav. 8, b ciklo sekcijai sočiųjų garų srityje.

Ryžiai. 8. Schema p.s. u. a) ir regeneracinio ciklo vaizdas (b)

Padidinus pasirinkimų skaičių iki begalybės (galiausiai regeneracinis ciklas), plėtimosi procesą galima priartinti prie punktyrinės kreivės, kuri bus vienodu atstumu nuo šildymo proceso kreivės. 4 – 4". Tačiau tai techniškai neįmanoma įgyvendinti, o nuo penkių iki aštuonių šildymo pakopų naudojimas yra praktiškai ekonomiškai pagrįstas. Dviratis p.s.u. Griežtai kalbant, regeneracija negali būti pavaizduota T-s diagramoje, nes ji sukurta pastoviam (1 kg) medžiagos kiekiui, tuo tarpu cikle su regeneracija garų kiekis kinta per visą turbinos ilgį. Todėl ciklas, parodytas Fig. 8, b, yra šiek tiek sąlyginis. Ištraukiant garą kondensato šildymui, viena vertus, sumažėja šilumos suvartojimas garui gaminti, tačiau, kita vertus, kartu sumažėja ir garo darbas turbinoje. Nepaisant priešingo šių poveikių pobūdžio, pasirinkimas visada didėja. Tai paaiškinama tuo, kad šildant tiekiamą vandenį dėl pasirinktų garų kondensacijos šilumos, 4 - 4" sekcijoje pašalinamas šilumos tiekimas iš išorinio šaltinio, taigi ir vidutinė tiekiamo šilumos iš vandens temperatūra. Padidėja išorinis šaltinis regeneraciniame cikle (išorės šilumos tiekimas q 1 vykdomas tik 4" – 5 – 6 – 7 srityje).

Be to, regeneruojantis tiekiamo vandens šildymas sumažina šilumos perdavimo iš dujų į vandenį proceso negrįžtamumą rajone. 4" – 5, nes mažėja temperatūrų skirtumas tarp dujų ir pašildyto vandens.

Su regeneracinio ciklo įgyvendinimu susijusias problemas patogu spręsti naudojant diagramą. Norėdami tai padaryti, apsvarstykite p.s.u. grandinę ir regeneracinį ciklą. su vienu pasirinkimu (9 pav.). Plėtimo adiabatinės 1 – 2 (9 pav.,b) susikirtimas su atrankos izobaru suteikia tašką 0, kuris apibūdina garų būseną atrankoje.

Ryžiai. 9. Schema p.s. u. su vienu regeneraciniu garų ištraukimu

(a) ir procesų vaizdas i – s diagrama (b)

Iš pav. 9, aišku, kad nuo 1 kg garo, patekusio į turbiną, kg garo išsiplečia tik iki ištraukimo slėgio, gamindamas naudingą darbą ir () kilogramas išsiplečia turbinoje iki galutinio slėgio. Naudingas šio garų srauto darbas. Bendras darbas 1 kg garų regeneraciniame cikle:

Šilumos kiekis, sunaudojamas 1 kg garų pagaminti: (10)

Regeneracinio ciklo terminis efektyvumas:. (vienuolika)

Procesai regeneraciniuose šildytuvuose laikomi izobariniais ir daroma prielaida, kad vanduo iš šildytuvo išeina prisotintas esant garų slėgiui atitinkamoje pasirinkime (tt).

Paimamo garo kiekis nustatomas pagal maišymo šildytuvo šilumos balanso lygtį:

nuo: , (13)

kur yra skysčio entalpija esant ekstrahavimo slėgiui; – iš turbinos paimtų garų entalpija; – iš kondensatoriaus išeinančio kondensato entalpija. Panašiai galite nustatyti garų suvartojimą bet kokio pasirinkimo vietose.

Maitinimo vandens regeneracinio šildymo naudojimas padidina p.s. ciklo šiluminį efektyvumą. u. 8...12 proc.

Vykdymo tikslas savarankiškas darbas yra įsisavinti garo turbinos elektrinės regeneracinio ciklo skaičiavimo metodiką ir nustatyti pagrindinius tiriamo ciklo termodinaminius rodiklius, įskaitant šiluminį naudingumą, įvertinant ekserginius nuostolius pagrindiniuose elementuose. garo elektrinė.

Srauto termodinamika: būdingi adiabatinio srauto greičiai ir parametrai Garso greitis, Laplaso lygtis. Didžiausias ir kritinis greitis, pagrindiniai bedimensiniai skaičiai. Srauto greičio perėjimo per garso greitį sąlygos. Išorinių poveikių apsisukimo principas.

Garso greičio sąvoka yra svarbi srauto termodinamikai, nes ikigarsiniai ir viršgarsiniai terpės srautai turi kokybinius skirtumus: bet kokia įtaka duoda priešingus rezultatus ikigarsiniuose ir viršgarsiniuose srautuose; Visi srauto parametrai ikigarsiniame sraute nuolat kinta, o viršgarsiniame sraute parametrai gali staigiai keistis, nutraukdami srauto tęstinumą.

Garso greitis (a, m/s) – tai garso bangų sklidimo greitis. Bangos – tai terpėje sklindantys tam tikro fizikinio dydžio trikdžiai, apibūdinantys šios terpės būseną. Garso bangos yra silpni trikdžiai, sklindantys elastingoje terpėje – mechaniniai mažos amplitudės virpesiai.

Pavyzdžiui, tam tikru momentu išorinis kūnas, vadinamas garso šaltiniu, sukelia silpnus mechaninius trikdžius. Rezultatas yra slėgio padidėjimas dp. Šio pliūpsnio sklidimo greitis yra garso greitis, žymimas „a“.

Garso trikdžių sklidimo procesas yra adiabatinis procesas, aprašytas Laplaso lygtimi

Jai galioja idealių dujų adiabatinio proceso lygtis (7.19), kurią pavaizduojame forma

r/ r k = konst

Taigi garso greitis priklauso nuo terpės pobūdžio (kR) ir terpės temperatūros.

Kadangi terpės temperatūra (10 5) sraute kinta kintant x koordinatei, tai judant iš vienos atkarpos į kitą keičiasi ir garso greitis.. Šiuo atžvilgiu aiškus vietinio garso greičio sampratos poreikis. .

Vietinis garso greitis yra garso sklidimo greitis tam tikrame srauto taške.

Didžiausias ir kritinis srautas

Srauto greitį galima nustatyti pagal srauto energijos lygtį

Tuo atveju, kai pradinio srauto greičio galima nepaisyti (W| = 0), paskutinis ryšys įgauna formą

Formulėse (10.29), (10.30) entalpija pakeičiama tik J/kg, tada greitis turės m/s matmenį. Jei entalpija apibrėžiama kJ/kg, santykis (10.30) atitinkamai pasikeičia

Dabartinis greitis pasiekia maksimali vertė w MaKc ruože, kur srauto entalpija pasiekia nulinę reikšmę h = 0, tai atsiranda tekant į tuštumą (p = 0) ir pagal parametrų ryšį adiabatinio plėtimosi procese (7.21) T = 0. Kai srautas pasiekia didžiausią greitį, visa chaotiško (šiluminio) molekulių judėjimo energija virsta nukreipto, tvarkingo judėjimo energija.

Aukščiau pateikta analizė leidžia mums nustatyti, kad srautas gali būti 0...Wmax ribose

Iš impulso lygties (10.12) matyti ryšys tarp slėgio pokyčio ir srauto greičio pokyčio: srauto pagreitį (dw > 0) lydi slėgio kritimas (dp).< 0) и наоборот. Возвращаясь к соотношению параметров в адиабатном процессе расширения, устанавливаем неизбежное уменьшение температуры ускоряющегося адиабатного потока и, согласно (10.28), падение величины скорости звука. Изменение параметров адиабатного ускоряющеюся потока, установленное выше, иллюстрирует рис. 10.5.

Grafikas rodo, kad yra srauto skerspjūvis, kuriame jo greitis pagal dydį sutampa su vietiniu garso greičiu. Ji vadinama kritine srauto atkarpa, nes atskiria ikigarsines ir viršgarsines srauto dalis, kurios kokybiškai skiriasi viena nuo kitos. Kritiniai srauto parametrai yra parametrai kanalo atkarpoje, kur srauto greitis lygus vietiniam garso greičiui.

Srauto greitis šiuo atveju vadinamas kritiniu srautu.

Kritinis slėgio santykis (P cr) yra dujų srauto slėgio kritinės vertės (p cr) ir jo slėgio (p ()) santykis kanalo įleidimo dalyje, kai pradinis greitis lygus nuliui.

∏cr = Pcr/Ro- (10,32)

Srauto skaičiavimuose ir analizėje patogu naudoti ne absoliučias greičio vertes, o santykines charakteristikas:

skaičius M - srauto greičio tam tikroje atkarpoje santykis su vietiniu garso greičiu

M = w/a.; (10.33)

~ skaičius λ - srauto greičio santykis duotoje

skerspjūvis iki kritinio srauto greičio

λ = w/acr; (10.34)

~ skaičius ƹ – srauto greičio tam tikroje atkarpoje ir garso greičio sustingusiame sraute santykis

skaičius A – srauto greičio tam tikroje atkarpoje ir didžiausio srauto greičio santykis: A = w/wmax

Bendra informacija

Beveik iki XX amžiaus aštuntojo dešimtmečio vienintelis pramonėje naudojamas šilumos variklis buvo stūmoklinis garo variklis, kuris buvo neefektyvus ir veikė prisotintu žemo slėgio garu. Pirmąjį nuolatinį šilumos variklį (garo mašiną) sukūrė I.I. Polzunovas. Pirmasis automobilis buvo natūralaus įsiurbimo. Prijungus vieną iš stūmoklio ertmių prie katilo, stūmoklis, veikiamas garo slėgio, pakilo į viršų, o po to pasisuko garo paskirstymo vožtuvas ir nupjovė postūmoklio ertmę nuo katilo. Per vamzdelį buvo įpurškiamas vanduo, garai kondensavosi ir po stūmokliu susidarė vakuumas. Esant įtakai Atmosferos slėgis stūmoklis nukrito ir atliko naudingą darbą.

Iki devintojo dešimtmečio vidaus degimo variklių darbo ciklas (Otto ciklas) buvo praktiškai įvaldytas, tačiau iš esmės šis ciklas atspindi daugelio kitų išradėjų principus, o ypač Beau de Rocha principą.

Idealus tokio variklio ciklas, vadinamas vidaus degimo variklių ciklu, kai šiluma tiekiama į dujas pastoviu tūriu, apima adiabatinį darbinių dujų suspaudimą, izochorinį šilumos tiekimą dujoms, adiabatinį darbinio skysčio išplėtimą ir izochorinį perdavimą. šilumos į darbinį skystį.

Nikolaus August Otto šilumos variklis neleido didelio suspaudimo, todėl jo efektyvumas buvo mažas. Stengdamiesi sukurti modernesnį vidaus degimo variklį su didelis efektyvumas, vokiečių inžinierius R. Dieselis sukūrė kitokį veikimo principą, kuris skyrėsi nuo Otto variklio veikimo principo.

Pirmasis bandymas atsikratyti kompresoriaus priklauso mūsų tautiečiui prof. G.V. Trinkleris, kuris 1904 m. sukonstravo nekompresinį variklį. Trinkler variklis nebuvo pradėtas gaminti masiškai, nors buvo gaminamas vienoje iš Vokietijos gamyklų (Kerting gamykla). Bekompresoriniuose dyzeliniuose varikliuose įdiegtas naujas trečiasis darbo ciklas. Idealus šio variklio ciklas, vadinamas mišriu šilumos įvedimo ciklu, susideda iš adiabatinio oro suspaudimo, izochorinio, o paskui izobarinio šilumos įvedimo, adiabatinio dujų išsiplėtimo ir izochorinio šilumos perdavimo.

Šilumos varikliai, kuriuose dujiniai degimo produktai taip pat yra darbinis skystis, vadinami vidaus degimo varikliais. Vidaus degimo varikliai yra stūmokliniai varikliai, dujų turbinos 1 ir reaktyviniai varikliai.

Šilumos varikliai (garo varikliai), kuriuose degimo produktai yra tik šildytuvas (šilumos siųstuvas), o darbinio skysčio funkcijas atlieka skysčio ir plunksnos fazės, vadinami išorinio degimo varikliais. Išorinio degimo varikliai – garo jėgainės: garo varikliai, garo turbinos, atominės elektrinės.

Tobulas Otto ciklas

Adiabatinis ir izoterminis efektyvumas

Iš tikrųjų kompresoriaus darbui įtakos turi ne tik žalingo tūrio įtaka, bet ir dujų trintis bei dujų slėgio pokyčiai jį įsiurbiant ir išimant iš cilindro.

1.85 paveiksle parodyta tikroji indikatoriaus diagrama. Siurbimo linijoje dėl netolygaus stūmoklio judėjimo, spyruoklės ir vožtuvo inercijos dujų slėgis cilindre svyruoja ir yra mažesnis už pradinį dujų slėgį p1. Dėl tų pačių priežasčių linijoje, kurioje dujos išstumiamos iš baliono, dujų slėgis pasirodo didesnis už galutinį slėgį p2. Politropinis suspaudimas, įgyvendintas šaldomuose kompresoriuose, lyginamas su grįžtamuoju izoterminiu suspaudimu, naudojant izoterminį efektyvumą. ηiz = liz/lkp.

Adiabatinis negrįžtamas suspaudimas, įgyvendintas neaušintuose kompresoriuose, lyginamas su adiabatiniu grįžtamuoju suspaudimu, naudojant adiabatinį efektyvumą. ηad = vaikinas/lka.

Įvairių kompresorių izoterminio naudingumo vertė kinta intervale ηiz = 0,6÷0,76; adiabatinio naudingumo reikšmė - ηad = 0,75÷0,85.

Maišymo entropija.

∆s cm = – R cm ∑ r i ln r i - maišymosi entropija 2 dujų mišiniui.

Kuo jis didesnis, tuo maišymo procesas negrįžtamas.

Priklauso nuo mišinio sudėties, nepriklauso nuo temperatūros ir slėgio.

∆s cm /R cm priklauso nuo kiekybinių mišinio komponentų proporcijų ir nepriklauso nuo jų pobūdžio.

Pirmasis termodinamikos dėsnis. Energijos rūšys. Šiluma ir darbas yra energijos perdavimo formos. Techninės sistemos energijos ir šilumos balansai. Techninės sistemos absoliutinės ir santykinės charakteristikos, pagrįstos 1-ojo dėsnio balansinėmis lygtimis.

Pirmasis termodinamikos dėsnis– termodinaminių sistemų ir procesų energijos tvermės ir transformacijos dėsnis

Analitiškai tai galima parašyti W = const, arba

W 1 – W 2 = 0,

kur W 1, W 2 yra nagrinėjamos izoliuotos transporto priemonės energija atitinkamai pradinėje ir galutinėje būsenose.

Iš to, kas išdėstyta pirmiau, išplaukia pirmasis termodinamikos dėsnis: naikinimas ir energijos kūrimas yra neįmanomi.

Uždarai, adiabatinei transporto priemonei sistemos energijos pokytį lemia darbo kiekis L, kuriuo ji keičiasi su aplinka tam tikrame termodinaminiame būsenos kitimo procese.

W 1 – W 2 = L.

Uždaroje transporto priemonėje, kuri gali keistis energija su aplinka tik šilumos Q pavidalu, galima nustatyti energijos pokytį tam tikro termodinaminio proceso metu.

W 1 – W 2 = – Q.

Uždarai transporto priemonei, kuri keičia savo būseną 1–2 procese, bendruoju atveju galioja toks ryšys:

W 1 – W 2 = L – Q. (1,29)

Šiluma ir darbas yra vienintelės galimos energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą formos. dar viena pirmojo termodinamikos dėsnio formuluotė uždaroms transporto priemonėms.

Jei uždaroje transporto priemonėje vyksta apvalus termodinaminis procesas, tada jam pasibaigus visi sistemos parametrai įgauna pradinę reikšmę, leidžiančią į formą įrašyti paskutinę lygybę

Iš to seka populiariausia pirmojo termodinamikos dėsnio formuluotė: pirmos rūšies amžinasis variklis yra neįmanomas.

Energijos rūšys: vidinis (U), cheminis, branduolinis, kinetinis. Kai kuriais atvejais yra patogu skirstyti energiją remiantis kiekybiniu vienos energijos rūšies pavertimu kitomis. Energija, kurią galima visiškai paversti iš vienos rūšies į bet kurią kitą, priklauso vadinamajam pirmajam tipui. Jei dėl vienokių ar kitokių priežasčių transformacija į bet kokią kitą energijos rūšį visiškai neįmanoma, ji priskiriama vadinamajam antrajam tipui.

Bendru atveju galima nustatyti transporto priemonės energiją

W = W prakaitas + W kin + U

Energijos matavimo vienetas SI fizikinių vienetų sistemoje yra 1 J (džaulis). Naudojant kitas sistemas, tenka susidurti su kitais energijos matavimo vienetais: kalorija, erg, kilogramo matuokliu ir kt.

Antrasis termodinamikos dėsnis. Formulės ir jų santykis vienas su kitu. Grįžtamumo sąvokos reikšmė. Išorinis ir vidinis negrįžtamumas. Entropija. Entropijos pokytis grįžtamuose ir negrįžtamuose procesuose. Antrojo termodinamikos dėsnio analitinė išraiška. Vieninga uždarų sistemų termodinamikos lygtis (tapatybė).

Antrasis termodinamikos dėsnis.

Antrasis dėsnis, kaip ir pirmasis, yra apibendrintas eksperimentiniais duomenimis ir jokiu būdu negali būti įrodytas. Tai reiškia pusiausvyros būsenos sistemą, sistemos perėjimo iš vienos pusiausvyros būsenos į kitą procesą. Jis svarsto gamtos procesų kryptį ir taip sako Skirtingos rūšys energijos yra nevienodos.

Visi procesai gamtoje vyksta varomosios jėgos (temperatūros, slėgio, koncentracijos gradiento) nykimo kryptimi. Remiantis nurodytais faktais viena iš įstatymo formuluočių: šiluma negali pereiti nuo mažiau įkaitinto kūno. Išvada iš 2-ojo dėsnio: nustato šilumos ir darbo nelygybę, o jei paverčiant darbą šiluma galima apsiriboti vieno šilumos imtuvo būsenos keitimu, tai paverčiant šilumą darbu, būtina kompensuoti.

Kita Įstatymo teiginys: 2-osios rūšies amžinasis variklis yra neįmanomas ty neįmanoma sukurti mašinos, kurios vienintelis rezultatas būtų šiluminio rezervuaro aušinimas.

Grįžtamumo samprata.

Grąžinamumo sąvoka yra pagrindinė:

1) tai takoskyra tarp fenomenologinės termodinamikos ir statinės fizikos;

2) grįžtamumo samprata leidžia gauti atskaitos tašką termodinaminei proceso tobulybei įvertinti.

Grįžtamasis procesas – tai termodinaminis procesas, po kurio sistema ir su ja sąveikaujančios sistemos (OS) gali grįžti į pradinę būseną be jokių liekamųjų sistemos ir OS pokyčių.

Negrįžtamas procesas – tai termodinaminis procesas, po kurio sistema ir su ja sąveikaujančios sistemos (OS) negali grįžti į pradinę būseną, nesukeldamos liekamųjų sistemos ar OS pokyčių.

Yra daug vidinių ir išoriniai veiksniai, kurios sukuria procesų negrįžtamumą.

Vidinis negrįžtamumas Dėl molekulinių jėgų ir turbulencijos sukelia vidinę trintį tarp skysčių molekulių.

Išorinis negrįžtamumas išplaukia iš išorinių sistemos veiksnių. Vienas is labiausiai bendrų priežasčių išorinis negrįžtamumas – mechaninė trintis. Trintis yra visuose procesuose, kai kūno ar medžiagos paviršius trinasi į kitą paviršių. Kita išorinio negrįžtamumo priežastis – šilumos perdavimo procesas. Pagal savo pobūdį šilumos perdavimas vyksta tik viena kryptimi: iš šiltesnės vietos į šaltesnę. Vadinasi, procesas negali būti visiškai apverstas, nes šiluma neperduodama iš šaltesnių regionų į šiltesnius be darbo.

Entropija.

Entropija yra termodinaminės sistemos būsenos funkcija, kurią lemia tai, kad jos diferencialas (dS) elementarios pusiausvyros (grįžtamo) proceso, vykstančio šioje sistemoje, yra lygus be galo mažo šilumos kiekio (dQ) santykiui. sistemos termodinaminę temperatūrą (T).

Entropijos įvedimas suteikia mums dar vieną lygtį, skirtą proceso šilumai apskaičiuoti, kurią naudoti patogiau nei gerai žinomą lygtį pagal šiluminę talpą. Plotas po proceso grafiku T(S) – skalės diagrama vaizduoja proceso šilumą.

Entropijos pokytis grįžtamuose ir negrįžtamuose procesuose.

Rankine ciklo efektyvumas net ir įrenginiuose su aukštais garo parametrais neviršija 50%. Realiuose įrenginiuose dėl vidinių nuostolių turbinoje efektyvumo vertė yra dar mažesnė.

Į (9) išraišką įtrauktų entalpijų reikšmes įtakoja trys darbinio skysčio parametrai – pradinis slėgis. R 1 ir pradinė temperatūra T 1 perkaitintas garas turbinos įleidimo angoje ir galutinis slėgis R 2 prie turbinos išleidimo angos. Dėl to padidėja šilumos perdavimas ir dėl to padidėja specifinio darbo bei ciklo efektyvumas.

Be garo parametrų keitimo, garo jėgainių efektyvumą galima padidinti apsunkinant paties įrenginio grandinę.

Remiantis tuo, kas išdėstyta pirmiau, nustatomi šie šilumos efektyvumo didinimo būdai.

1. Didėjantis pradinis slėgis p 1 su nepakeistais parametrais T 1 ir R 2 (15 pav., A). Diagrama rodo Rankine ciklus esant maksimaliam slėgiui R 1 ir R 1a > R 1 . Palyginus šiuos ciklus matyti, kad didėjant slėgiui iki R 1Ašilumos pokytis yra didesnis nei , o tiekiamos šilumos kiekis mažėja. Šis ciklo energijos komponentų pokytis didėjant slėgiui R 1 padidina šiluminį efektyvumą.Šis metodas leidžia žymiai padidinti ciklo efektyvumą, tačiau dėl to padidėja R 1 (slėgis garo elektrinėse gali siekti iki 30 ata), padidėja iš turbinos išeinančio garo drėgnumas, dėl ko atsiranda priešlaikinė turbinos menčių korozija.

2. Pradinės temperatūros padidėjimas T 1 su nepakeistais parametrais R 1 ir R 2 (15 pav., b). Ciklų palyginimas diagramoje esant temperatūroms T 1 ir T 1a > T 1 matote, kad entalpijos skirtumas padidėja daugiau nei skirtumas, nes izobaras teka stačiau nei izobaras. Esant tokiam entalpijos skirtumo pokyčiui didėjant maksimali temperatūra ciklo šiluminis efektyvumas didėja. Šio metodo trūkumas yra tas, kad perkaitintuvui reikalingas karščiui atsparus metalas, perkaitinto garo temperatūra gali siekti iki 650 °C.

3. Kartu didėjantis slėgis p 1 ir temperatūra T 1 esant pastoviam slėgiui R 2. Reklama kaip R 1 ir T 1 padidina šiluminį efektyvumą. Jų poveikis garų drėgnumui plėtimosi pabaigoje yra priešingas, didėja R 1 jis didėja, o didėjant T 1 – mažėja. Galiausiai garų būsena bus nustatoma pagal kiekių kitimo laipsnį R 1 ir T 1 .

4. Slėgio sumažėjimas p 2 esant pastoviems parametrams T 1 ir R 1 (15 pav., V). Su sumažėjimu R 2 didėja garų plėtimosi laipsnis turbinoje ir padidėja techninis darbas ∆ l = l a – l. Šiuo atveju pašalinamos šilumos kiekis mažiau nei (izobaras esant mažesniam slėgiui yra plokštesnis), o šilumos kiekis padidėja . Dėl to ciklo šiluminis efektyvumas didėja. Slėgio mažinimas R 2, galima pasiekti temperatūrą prie išėjimo iš kondensatoriaus, lygią aplinkos temperatūrai, tačiau tokiu atveju kondensacijos įrenginyje turės būti sukurtas vakuumas, nes temperatūra atitinka slėgį R 2 = 0,04 ata.

5. Antrinio (tarpinio) perkaitinimo garais naudojimas(15 pav., G). Diagrama rodo tiesią liniją 1 –2 parodo garo išsiplėtimą iki tam tikro slėgio R 1A pirmame variklio cilindre, linija 2–1 a–– antrinis garų perkaitinimas esant slėgiui R 1A ir tiesiai 1 a–2 a–– adiabatinis garų išsiplėtimas antrajame cilindre iki galutinio slėgio R 2 .

Tokio ciklo šiluminis efektyvumas nustatomas pagal išraišką

Naudojant antrinį garų perkaitinimą, sumažėja garo drėgmė turbinos išėjimo angoje ir šiek tiek padaugėja techninio darbo. Padidėjęs efektyvumas šiame cikle yra nereikšmingas, tik 2–3%, o tokia schema reikalauja sudėtingesnės garo turbinos konstrukcijos.

6. Regeneracinio ciklo taikymas. Regeneraciniame cikle maitinti vandeniu po siurblio teka per vieną ar kelis regeneratorius, kur šildomas garais, iš dalies nuimamas po jo išsiplėtimo kai kuriose turbinos pakopose (16 pav.).

Ryžiai. 15. Šilumos efektyvumo didinimo būdai Rankine ciklas

Ryžiai. 16. Veikiančios garo elektrinės diagrama

pagal regeneracinį ciklą:

1 –– boileris; 2 –– garų perkaitintuvas; 3 -- garo turbina; 4 –– elektros generatorius; 5 –– aušintuvas-kondensatorius; 6 –– siurblys; 7 –– regeneratorius; α yra garų ištraukimo dalis

Paimamo garo kiekis bus nustatytas pagal regeneratoriaus šilumos balanso lygtį

kur yra kondensato entalpija esant baigtiniam garų slėgiui R 2 ; –– iš turbinos paimtų garų entalpija; –– kondensato entalpija esant garų ištraukimo slėgiui.

Naudingas 1 kg garo darbas turbinoje bus nustatomas pagal formulę:

Šilumos kiekis, sunaudojamas 1 kg garų, yra

Tada šiluminis efektyvumas regeneraciniame cikle bus rasta

.

Išsamus regeneracinio ciklo tyrimas rodo, kad jo šiluminis efektyvumas yra visada didesnis nei šiluminis efektyvumas. Rankine ciklas su tais pačiais pradiniais ir galutiniais parametrais. Padidėjęs efektyvumas naudojant regeneraciją yra 10–15% ir didėja didėjant garų ištraukimo kiekiui.

7. Šildymo ciklo taikymas. Šildymo ciklas naudoja šilumą, kurią garai atiduoda į aušinimo vandenį, kuris paprastai naudojamas šildymo sistemos, karšto vandens tiekimo sistemose ir kitiems tikslams. Tokiu atveju šiluma q 1, tiekiama į darbinį skystį, gali būti įvairiu laipsniu perskirstyta techniniam darbui ir šilumos tiekimui gauti. Šildymo cikle (17 pav.) dalis elektros energijos neapdorojama, nes dalį iš turbinos paimamų garų šilumos suvartoja vartotojas.

Ryžiai. 17. Veikiančios garo elektrinės diagrama

šildymo ciklas:

1 –– boileris; 2 –– garų perkaitintuvas; 3 -- garo turbina; 4 –– elektros generatorius; 5 –– aušintuvas-kondensatorius; 6 –– siurblys; 7 –– šilumos vartotojas

Darbinio skysčio gaunamas šilumos kiekis iš dalies paverčiamas naudingu turbinos menčių darbu, o iš dalies išnaudojamas vartotojų aprūpinimui šiluma. Kadangi abu darbai naudingi, šiluminis efektyvumas praranda prasmę.

Efektyvumas bus nustatytas šildymo ciklas

.

Kadangi šildymo cikle gaminami dviejų rūšių produktai (elektra ir šiluma), būtina atskirti vidinį šilumos gamybos naudingumo koeficientą nuo elektros ir šilumos gamybos efektyvumo svertinio vidurkio. Kiekvienas iš jų lygus vienam, nes cikle nėra nuostolių.

Iš tikrųjų efektyvumas šildymo ciklas negali būti lygus vienetui, nes visada yra mechaninių nuostolių turbinoje ir hidraulinių nuostolių šilumos tiekimo sistemose.

Šiluminio ciklo efektyvumas

Jei neatsižvelgsime į nereikšmingą temperatūros padidėjimą adiabatinio vandens suspaudimo siurblyje metu, tada

kur yra verdančio vandens entalpija esant slėgiui R 2.

8.9 pav. Rankine ciklas perkaitintuose garuose:

A– V p, v- diagrama; b– V T, s- diagrama

8.10 pav. – Rankino ciklas h,s- diagrama

Iš formulės aišku, kad idealaus Rankine ciklo efektyvumą lemia garo entalpijos prieš ir po turbinos bei vandens entalpija , esančios virimo taške. Savo ruožtu šias reikšmes lemia trys ciklo parametrai: garo slėgis ir temperatūra priešais turbiną bei slėgis R 2 už turbinos, t.y. kondensatoriuje.

Tiesą sakant, žinant ir lengva rasti taško padėtį 1 V h, s-diagramą ir raskite entalpiją. Adiabatinės linijos, nubrėžtos iš taško, sankirta 1 , su izobaru nustato taško padėtį 2, y. entalpija. Galiausiai, esant slėgiui verdančio vandens entalpija 2 p., priklauso tik nuo šio slėgio.

Garų perkaitimas padidina vidutinę šilumos tiekimo temperatūrą cikle nekeičiant šilumos šalinimo temperatūros. Todėl garo jėgainės šiluminis efektyvumas didėja didėjant garo temperatūrai priešais variklį. Pavyzdžiui, žemiau yra priklausomybė nuo esant absoliučiam slėgiui = 9,8 MPa ir R 2 = 3,9 kPa:

Padidėjus garų slėgiui priešais turbiną esant pastoviam ir R 2, didėja ciklo naudingas darbas, t.y. . Tuo pačiu metu per ciklą tiekiamos šilumos kiekis šiek tiek sumažėja dėl perkaitinto garo entalpijos sumažėjimo. . Todėl kuo didesnis slėgis, tuo didesnis idealaus Rankine ciklo efektyvumas.

8.11 pav. Perkaitinto garo slėgio įtaka Rankine ciklo parametrams

8.11 paveiksle parodyta, kad didesnis slėgis prieš turbiną atitinka daugiau didelė drėgmė iš jo sklinda garai. Kai iš turbinos išeina perkaitinti garai; kai jis pasirodo šiek tiek drėgnas ir kai jo sausumo laipsnis yra žymiai mažesnis nei vienas. Vandens lašelių kiekis garuose padidina trinties nuostolius turbinos srauto dalyje. Todėl kartu su garo slėgio padidėjimu už garo katilo būtina padidinti jo perkaitimo temperatūrą, kad iš turbinos išeinančio garo drėgmė būtų palaikoma nurodytose ribose.

Tuo pačiu tikslu turbinoje iš dalies išsiplėtę garai grąžinami į katilą ir vėl perkaitinami (esant mažesniam slėgiui), atliekant vadinamąjį antrinį (o kartais ir tretinį) šildymą. Kartu tai padidina ciklo šiluminį efektyvumą.

Atominių elektrinių turbinos, veikiančios prisotintu garu, turi specialią konstrukciją, leidžiančią pašalinti kondensacijos metu išsiskiriantį vandenį.

Garo parametrų padidėjimą lemia metalurgijos išsivystymo lygis, paliekant metalus katilams ir turbinoms. 535-565 °C temperatūros garo gamyba tapo įmanoma tik naudojant mažai legiruotą plieną, iš kurio gaminami perkaitintuvai ir karštos turbinų dalys. Pereinant prie aukštesnių parametrų (580-650 °C) reikia naudoti brangų labai legiruotą (austenitinį) plieną.

Kai slėgis sumažėja 2 p garai už turbinos, vidutinė šilumos šalinimo cikle temperatūra mažėja, o vidutinė šilumos tiekimo temperatūra kinta mažai. Todėl kuo mažesnis garo slėgis už turbinos, tuo didesnis garo jėgainės efektyvumas.

Slėgis už turbinos, lygus garo slėgiui kondensatoriuje, nustatomas pagal aušinimo vandens temperatūrą. Jei vidutinė metinė aušinimo vandens temperatūra prie kondensatoriaus įleidimo angos yra apie 10-15 °C, tai jis išeina iš kondensatoriaus įkaitintas iki 20-25 °C. Garai gali kondensuotis tik pašalinus susidariusią šilumą, o tam būtina, kad garų temperatūra kondensatoriuje būtų bent 5-10°C aukštesnė už aušinimo vandens temperatūrą. Todėl sočiųjų garų temperatūra kondensatoriuje paprastai yra 25-35 ° C, o absoliutus šių garų slėgis 2 p atitinkamai 3-5 kPa. Ciklo efektyvumo didinimas toliau mažinant 2 p beveik neįmanoma, nes trūksta natūralių aušintuvų su žemesne temperatūra.

Centralizuotas šildymas. Tačiau galima padidinti garo jėgainės efektyvumą didinant, o ne mažinant slėgį ir temperatūrą už turbinos iki tokios vertės, kad perteklinė šiluma (kuri sudaro daugiau nei pusę visos elektrinėje sunaudojamos šilumos). ciklas) gali būti naudojamas šildymui, karšto vandens tiekimui ir įvairiems technologiniams procesams (6.12 pav.). Tam tikslui aušinamas vanduo, šildomas kondensatoriuje Į, nėra išmetamas į rezervuarą, kaip grynai kondensacijos cikle, o pervažiuojamas šildymo prietaisaišilumos vartotojas TP ir juose vėsdamas išskiria kondensatoriuje gautą šilumą. Dėl to pagal šią schemą dirbanti stotis vienu metu gamina ir elektros energiją, ir šilumą. Tokia stotis vadinama kombinuota šilumos ir elektros jėgaine (CHP).

8.12 pav. Bendrai šilumos ir elektros energijos generavimo įrengimo schema: PC.- garo katilas; T- garo turbina; KAM- kondensatorius-šildytuvas; N- siurblys; TP- šilumos vartotojas. Skaičiai atitinka ciklo taškus T, s diagrama

Aušinamasis vanduo šildymui gali būti naudojamas tik tada, kai jo temperatūra ne žemesnė kaip 70-100 °C. Garų temperatūra kondensatoriuje (šildytuve) KAM turėtų būti bent 10-15 °C aukštesnė. Daugeliu atvejų jis yra didesnis nei 100 ° C, o sočiųjų garų slėgis šioje temperatūroje yra didesnis nei atmosferos. Todėl pagal šią schemą veikiančios turbinos vadinamos priešslėgio turbinomis.

Taigi, slėgis už priešslėgio turbinos paprastai yra ne mažesnis kaip 0,1-0,15 MPa, o ne apie 4 kPa už kondensacinės turbinos, o tai, žinoma, sumažina garo darbą turbinoje ir atitinkamai padidina jo kiekį. atliekų šilumos. Tai galima pamatyti pav. , kur naudojama naudingoji šiluma2"-3"-4"-5-6, o su priešslėgiu – sritis 1-2-3-4-5-6. Kvadratas 2-2"-3"-4 suteikia naudingo darbo sumažėjimą dėl slėgio padidėjimo už turbinos su 1 p prieš r 2.

Priešslėgio įrenginio šiluminis efektyvumas yra mažesnis nei kondensacinio, t. y. mažiau kuro šilumos paverčiama elektros energija. Tačiau bendras šios šilumos panaudojimo laipsnis tampa daug didesnis nei kondensaciniame įrenginyje. Esant idealiam priešslėgio ciklui, katilo bloke išleidžiama šiluma garui gaminti (plotas 1-7-8-4-5-6), pilnai naudojamas vartotojų. Dalis jos (plotas 1-2-4-5-6) paverčiama mechanine arba elektros energija, o dalis (plotas 2-7-8-4) atiduodama šilumos vartotojui garų arba karšto vandens šilumos pavidalu.

Montuojant priešslėgio turbiną, kiekvienas garo kilogramas atlieka naudingą darbą ir perduoda šilumos kiekį šilumos vartotojui . Elektros gamybos pajėgumai ir jo šiluminė galia proporcingas garų srautui D y., standžiai sujungti. Praktiškai tai nepatogu, nes elektros ir šilumos paklausos grafikai beveik niekada nesutampa.

Norėdami atsikratyti tokio standaus jungties, turbinos su kontroliuojama tarpinė atranka pora. Tokia turbina susideda iš dviejų dalių: aukšto slėgio dalies (HPP), kurioje garai plečiasi nuo slėgio iki slėgio p nuo 6, būtina šilumos vartotojui, ir žemo slėgio dalis (LPP), kurioje garai plečiasi iki slėgio R 2 kondensatoriuje. Visas katilo agregato gaminamas garas praeina per aukšto slėgio siurblį. Dalis jos (esant slėgiui r nuo 6) parenkamas ir tiekiamas šilumos vartotojui. Likusi garo dalis per žemo slėgio siurblį patenka į kondensatorių KAM. Koreguojant ryšius tarp ir galima savarankiškai keisti tiek šilumines, tiek elektrines turbinos su tarpiniu ištraukimu apkrovas, kas paaiškina jų platų panaudojimą šiluminėse elektrinėse. Jei reikia, pateikiami du ar daugiau reguliuojamų ištraukimų su skirtingais garo parametrais. Kartu su reguliuojamomis, kiekviena turbina turi dar keletą nereguliuojamos atrankos garai, naudojami regeneraciniam tiekimo vandens šildymui, o tai žymiai padidina ciklo šiluminį efektyvumą.

Savotiškas „šildymas“ gali būti atliekamas net grynai kondensacinėse stotyse, kur aušinamasis kondensatorių vanduo naudojamas, pavyzdžiui, baseinams ar rezervuarams, kuriuose dirbtinai auginamos žuvys, šildyti. Atliekine šiluma galima šildyti šiltnamius, šiltnamius ir kt. Žinoma, šiluminės elektrinės teritorijoje šiems tikslams reikalingas šilumos kiekis yra žymiai mažesnis nei bendras atliekinės šilumos kiekis, tačiau, nepaisant to, jos naudojimas yra neatliekų technologijos elementas – ateities technologija.

8.13 pav. – Šildymo ciklas T, s- diagrama

8.14 pav. – Turbinos su valdomu garo ištraukimu įrengimas

Nepaisant didelių eksergijos nuostolių perduodant šilumą iš degimo produktų į garą, garo jėgainių efektyvumas yra vidutiniškai didesnis nei dujų turbininių variklių efektyvumas ir artimas vidaus degimo variklių efektyvumui, visų pirma dėl gero naudojimo turima garo eksergija. (Kaip minėta aukščiau, jo temperatūra kondensacinės turbinos išėjimo angoje yra 28–30 °C.) Kita vertus, didelis turimos šilumos kritimas turbinoje ir su tuo susijęs santykinai mažas savitasis garo suvartojimas generuojant 1 kW sukurti kolosalias galias turinčias garo turbinas – iki 1200 MW viename bloke! Todėl tiek šiluminėse, tiek atominėse elektrinėse karaliauja garo jėgainės. Garo turbinos taip pat naudojamos turbininiams orapūtėms varyti (ypač aukštakrosnių gamyboje). Garo turbinų trūkumas yra didelis metalo suvartojimas, pirmiausia susijęs su didele katilo bloko mase. Todėl jie praktiškai nenaudojami transporte ir nėra gaminami mažos galios.

Kaip žinoma, šilumos variklis, veikiantis pagal Carnot ciklą, pasižymi didžiausiu energijos konversijos efektyvumu, t.y. jo šiluminis naudingumas yra didžiausias įmanomas. Karno ciklo šiluminis efektyvumas priklauso tik nuo šilumos kriauklės Ti ir šilumnešio T2 temperatūrų ir visiškai nepriklauso nuo darbinio skysčio pobūdžio. Todėl šį ciklą galima laikyti idealiu ciklu garo jėgainei. Kaip žinoma, Carnot ciklas apima šiuos procesus:

Izoterminio plėtimosi procesas kartu tiekiant šiluminę energiją Qi;

Adiabatinis plėtimosi procesas;

Izoterminis suspaudimo procesas kartu pašalinant šiluminę energiją Q2]

Adiabatinis suspaudimo procesas.

Fig. 11.3 paveiksle pavaizduota pagal Carnot ciklą veikiančios garo jėgainės ciklo indikatorinė diagrama. Vanduo, kurio slėgis pi ir temperatūra T8 1 atvyksta (taškas 0 ). Garų sausumo laipsnis taške 0 lygus X= 0. Taškas 0 yra ant skysčio ribinės kreivės. Vykdoma 0-1 esant pastoviam slėgiui R\ = Idem(izobarinis procesas) energija tiekiama vandeniui Qišiluminėje formoje. Linija 0-1 reiškia ir izobarą, ir izotermą. 1 taške izobarinis-izoterminis šiluminės energijos tiekimo procesas baigiasi, kai garai tampa sausai prisotinti. Garų sausumo laipsnis 1 taške yra x = 1. 1 taškas yra garų ribinėje kreivėje. Taigi procesas 0-1 šilumos energijos tiekimas yra izoterminis, kaip ir Carnot cikle.

Procesas 1-2 atspindi adiabatinį (be šilumos mainų su aplinka) darbinio skysčio plėtimąsi garo variklyje (variklyje). Čia taip pat tenkinama Karno ciklo (adiabatinio išsiplėtimo) sąlyga. Adiabatiniame procese 1-2 garų slėgis sumažėja nuo pi iki pėdų.

Po garo mašinos garai patenka į kondensatorių (taškas 2). Kondensatorius pašalina energiją K2 iš darbinio skysčio (aušinimo) esant pastoviam slėgiui P2 -Idem(izobarinis procesas 2-3). Isobaras 2-3 Tuo pačiu metu ji taip pat yra izoterma skysčio virimo taške T9 2 atitinka slėgį p2 = Idem. Atvėsus savitasis vandens garų tūris mažėja. 3 taške baigiasi izobarinis-izoterminis šiluminės energijos pašalinimo iš darbinio skysčio procesas. 3 taškas (proceso pabaiga) parenkamas taip, kad šlapio garo adiabatinio suspaudimo procese procesas baigtųsi taške 0, atitinkančiame pradinę darbinio skysčio būseną cikle.

Taigi, parodyta fig. 11.3 ciklas 0-1-2-3-0 susideda iš dviejų izotermų ( 0-1 Ir 2-3) ir du adiabatai ( 1-2 Ir 3-0).

Ant rns. 11.3 aišku, kad taškas 3 yra drėgnų sočiųjų garų srityje. Tai reiškia, kad procese 2-3 Iš šilumos variklio į kondensatorių patenkantys vandens garai nevisiškai kondensuojasi. Vadinasi, kondensatoriuje (KH) susidaro garų ir skysčio (vandens) mišinys (11.1 pav.). Išėjus iš kondensatoriaus, šis mišinys siunčiamas į kompresorių, kur dėl slėgio padidėjimo nuo P2D0 px temperatūra taip pat pakyla nuo Ta2 prieš T8 1, ir darbinis skystis grįžta į pradinę būseną (taškas 0). Fig. 11.4 paveiksle parodyta Carnot garo galios ciklo šiluminė (entropijos) diagrama.

Jei šiluminės energijos tiekimas skysčiui baigiamas taške 1′ (11.3 ir 11.4 pav.), tai garai netaps sausai prisotinti (liks drėgni prisotinti). Tada garų plėtimasis šilumos variklyje vyks adiabatiniu keliu V-2\ ir visas ciklas bus pavaizduotas linijomis 0-1′-2′-3-0.

Rm3 ▼ Taip2

Norint įgyvendinti Carnot ciklą garo elektrinėje, turi būti įvykdyta viena sąlyga: visas ciklas turi vykti sočiųjų garų srityje (negalite eiti į dešinę už linijos x = 1). Regionas, esantis dešinėje nuo linijos x = 1, yra perkaitinto garo sritis. Jei perkaitintų garų srityje (dešinėje eilutės x = 1) šiluminė energija tiekiama darbiniam skysčiui nuolatinis slėgis (pi = Idem), tada padidės darbinio skysčio temperatūra. Toks procesas bus izobarinis, bet ne izoterminis, kaip turėtų būti Carnot cikle. Toks ciklas neatitiks Karno ciklo sąlygų.

Remdamiesi priklausomybe (8.50) nuo nagrinėjamo garo galios ciklo, rašome:

W Gi -g 2 G1-G2 (ll AL

TOC \o "1-3" \h \z % = - = -- = -7р- (I-4)

Iš išraiškos (11.4) gauname:

Tg-T2

^ = (I.5)

Kur W - konkretus darbas, atliekamas garu garo mašinoje (variklyje).

Katile skysčio temperatūra lygi virimo temperatūrai Ta 1 atitinka slėgį pi. Tai reiškia, kad visa šiluminė energija, tiekiama skysčiui katile, išleidžiama tik garų kiekiui padidinti nuo x = 0 (skysčio ribinė kreivė) iki x = 1 (garo ribinė kreivė). Todėl procese 0-1 (11.3 pav.) garinimui reikės tokio energijos kiekio šiluminėje formoje:

9i = xm, (11,6)

Kur X- garų sausumo laipsnis, nustatytas pagal (6.1) formulę; g – savitoji garavimo šiluma.

Skysčio ribos kreivėje garų sausumo laipsnis yra lygus nuliui (x = 0). Ribinėje kreivėje pora x = 1, todėl išraiška (12.6) šiuo atveju yra tokia:

Sujungę išraiškas (11,5) ir (11,6"), gauname:

Ti-T2 GkJT §ll

Kartu su šiluminiu efektyvumu t^ svarbi garo galios ciklo charakteristika yra specifinis garo suvartojimas DQ, nustatoma pagal formulę:

Daryk = H = X^ Rfr— T,) * (1L8)

Iš (11.7) ir (11.8) lygčių aišku, kad savitasis garo suvartojimas garo galios cikle, vykdomame pagal Karno ciklą esant pastovioms temperatūroms 7\ ir T2, priklauso tik nuo garų kiekio X\. Kuo didesnis garų kiekis Xi, tuo didesnis specifinis darbas W gamina garą garo variklyje tam tikromis sąlygomis, ir tuo mažesnės specifinės garo sąnaudos DQ. Aukščiausios konkretaus darbo vertės W ir mažiausias specifinio garo suvartojimo vertes DQįvyks x = 1.

Idealioje garo elektrinėje leiskite sausam prisotintam garui, kurio slėgis yra 1 MPa, atlikti Carnot ciklą. Būtina nustatyti specifinį garo darbą cikle ir šiluminį naudingumą, jei slėgis kondensatoriuje yra 10 kPa.

Norėdami išspręsti problemą, turėtumėte naudoti duomenis, pateiktus 1 priede. „Sočiųjų vandens garų parametrų priklausomybė nuo slėgio“. Esant 1 MPa slėgiui, skystis užverda temperatūroje, lygioje T 8 1 = 179,88°С, o esant slėgiui YukPa -ie2 = 45,84°С. Tada pagal išraišką (11.4) galime parašyti:

^ _ (1,1+ +273,15) _0 Я6| M11 29,6%.

Iš 1 priedo matome, kad esant pi = 1 MPa, g = 2015 kJ/kg. Iš išraiškos (11.7) turime:

Gx-Gz GkJ]

W = x1-rT^ = Xr-r-rit J.

Kadangi sausi garai yra prisotinti, tada X\ = 1, todėl paskutinė išraiška yra tokia:

W = R R) T = 2015 0,296 « 596 .

Iš to, kas pasakyta, išplaukia, kad Carnot ciklo įgyvendinimas garo elektrinėje, kai darbinis skystis yra šlapias garas, yra visiškai įmanomas. Kadangi kritinė vandens temperatūra yra santykinai žema (374°C), tai atitinka tašką KAM pav. 11.3, tada temperatūros diapazonas, kuriame Karno ciklą galima atlikti garo elektrinėje, taip pat yra mažas. Jeigu žemesnė temperatūra yra 25°C, o viršutinė ne aukštesnė kaip 340...350°C, tai maksimali Carnot ciklo šiluminio naudingumo vertė šiuo atveju bus lygi:

Įdiegus Carnot ciklą garo elektrinėje, maksimali šlapio garo temperatūra negali būti pasirinkta savavališkai, nes viršutinė riba ribojama iki 7\ = 374°C (taškas TO; ryžių. 11.3). Kai artėjame prie kritinio taško KAM(11.3 pav.) izobarinės-izoterminės atkarpos ilgis 0-1 mažėja, o taške KAM jis visiškai dingsta.

Kuo aukštesnė darbinio skysčio temperatūra cikle, tuo didesnis šio ciklo efektyvumas. Bet garo elektrinėje, veikiančioje pagal Karno ciklą, darbinio skysčio temperatūros pakelti aukščiau 340...350°C negalima, o tai riboja tokios gamyklos efektyvumą.

Nors garo jėgainės, veikiančios pagal Karno ciklą, šiluminis naudingumo koeficientas yra gana didelis, atsižvelgiant į šiluminės energetikos įrenginių darbo sąlygas, jis praktiškai nebuvo realizuotas. Taip yra dėl to, kad dirbant su šlapiu garu, kuris yra sausų sočiųjų garų srautas su jame pakibusiais vandens lašeliais, garo turbinų (stūmoklinių garo variklių) ir kompresorių srauto dalių darbo sąlygos yra sunkios, srautas. pasirodo esantis dujų dinamiškai netobulas ir vidinis santykinis šių mašinų efektyvumas t ^ sumažėja.

Dėl to vidinis absoliutus ciklo efektyvumas

Rii = VfVoi (119)

Pasirodo, palyginti mažas.

Taip pat svarbu, kad kompresorius šlapiam garui suspausti žemu slėgiu ir dideliais specifiniais kiekiais yra labai stambi konstrukcija, kuri nėra patogi eksploatuoti. Tokiu atveju kompresoriui valdyti sunaudojama daug energijos. Beveik 55% mechaninės energijos, gautos garo galios cikle, sunaudojama kompresoriui valdyti.

Garo elektrinė(PSU) yra energijos įrangos kompleksas, kuriame kaip darbinis skystis naudojami vandens garai. Yra žinomi įvairūs PSU ciklai, įskaitant Carnot ciklą, kuris, kaip parodyta sk. 4, didžiausias šiluminis efektyvumas iš visų galimų ciklų tam tikrame temperatūros diapazone. Vandens garų privalumas yra būtent tai, kad garinimo proceso metu šiluma gali būti tiekiama į jį pagal izotermą, o šiluma taip pat gali būti pašalinta išilgai izotermos kondensacijos metu. Jei šilumos tiekimo procesai nėra susiję su fazinėmis transformacijomis, techniškai labai sunku juos atlikti griežtai esant pastoviai temperatūrai. Galima teigti, kad techniškai Carnot ciklas įmanomas tik drėgnų garų regione.

Tam prisotintą skystį (7 t., 8.1 pav.) reikia nusiųsti į garo generatorių, kuriame jam tiekiama šiluma, pavyzdžiui, iš organinio kuro degimo produktų. arba išsiskiria branduolinės reakcijos metu. Drėgno garo srityje izoterma ir izobaras sutampa, todėl iš esmės izobarinis virimo procesas garų generatoriuje taip pat vyksta esant pastoviai temperatūrai. Iš garų generatoriaus išleiskite sausus sočius garus (t. 2) išsiųstas adiabatiniam plėtimuisi iki kondensatoriaus slėgio

Ryžiai. 8.1.

(T. 3 ) garo mašinoje - stūmoklinė garo mašina arba garo turbina. Kondensatoriuje esant pastoviam slėgiui ir pastoviai temperatūrai iš išmetamųjų garų pašalinama šiluma ir garai kondensuojasi, bet ne visiškai (t. 4). Kondensatorius - Tai šilumokaitis, kuriame daugybe mažo skersmens vamzdžių juda vadinamasis cirkuliacinis vanduo, pašalindamas šilumą, kuri susidaro dėl garų kondensacijos ant išorinio vamzdžių paviršiaus. Drėgnas garas po to, kai kondensatorius patenka į garo stūmoklį arba mentės kompresorių ir yra adiabatiškai suspaudžiamas iki prisotinto vandens būsenos, įskaitant. 1.

Karno ciklo šiluminis efektyvumas šlapių garų srityje

Šis efektyvumas yra didžiausia galima vertė bet kokiems ciklams, atliekamiems temperatūros diapazone T (_2 ir G 3_4.

Deja, santykio savavališkai sumažinti negalima

būdu, siekiant padidinti efektyvumą. Natūrali vandens garų riba T (_2 yra T cr = 647 K, o kondensacijos temperatūrai apatinė riba yra aplinkos, į kurią turi būti pašalinta šiluma, temperatūra - G 3 _ 4 > 300 K. Taigi,

Tikrasis efektyvus nagrinėjamo ciklo efektyvumas bus žymiai mažesnis, nes šlapio garo išsiplėtimas ir ypač suspaudimas yra susiję su dideliais energijos nuostoliais. Be to, šlapio garo adiabatinio suspaudimo mašina, kuri pirmiausia turi veikti kaip kompresorius, suspaudžiantis garą su santykinai dideliu sausumo laipsniu, o vėliau kaip siurblys, turi būti pernelyg sudėtingos konstrukcijos ir negali būti patikimas bei pigus.

Reikėtų pažymėti, kad temperatūra yra 7\_ 2 arti T kr, sumažina naudingą darbą, pagamintą 1 kg garų per ciklą. Norėdami tai patikrinti, pakanka palyginti sritis 1-2-3-4i G-2"-3"-4" pav. 8.1.

Pastebėti Carnot ciklo trūkumai yra jam būdingi ir neleidžia praktiškai jį naudoti. Tuo pačiu metu nedideli aptariamo ciklo patobulinimai, kuriuos pasiūlė Williamas Johnas McQuarne'as Rankine'as (1820-1872), paverčia jį ciklu, per kurį daugiau nei 80% visos Žemėje pagamintos elektros energijos pagaminama šiluminėse ir atominėse elektrinėse.