Før vi går videre til beskrivelsen av termodynamiske metoder og teknikker for å øke effektiviteten, introduserer vi et hjelpekonsept. Behovet for denne introduksjonen er som følger. Faktum er at η t, per definisjon, er forholdet mellom "nytte" og "kostnader". Nesten alle metoder for å øke effektiviteten endrer samtidig både telleren og nevneren til brøken η t . Og derfor er det usikkerhet i oppførselen til hele brøkdelen.

På den annen side eksisterer ikke denne usikkerheten hvis vi har å gjøre med Carnot-syklusen, siden en endring i temperaturen på varmekilden T 1 og kjøleribben T 2 ganske entydig indikerer en endring i η t k. I tillegg vil alle termodynamiske metoder og teknikker for å øke effektiviteten til dampkraftverk endrer ikke verdien av T 2 , siden det er praktisk talt vanskelig å endre den.

Så varmetilførselen i Rankine-syklusen skjer langs en viss brutt kurve (se fig. 6.4 og T - s-diagrammet, prosess 4 - 5 - 1, p 1 \u003d const).

Definisjon:den gjennomsnittlige integrerte temperaturen til prosessen med varmetilførsel i dampkraftsyklusen kalles

≡ (6.6)

Med andre ord,<Т 1 >i matematikk kalles det gjennomsnittlig integralverdi av en funksjon på et eller annet intervall av argumentendringen. Deretter for enhver syklus av dampkraftverket tilsvarende Carnot-syklusen vil ha en effektivitet lik:

η t k \u003d 1 - T 2 / . (6.7)

Ethvert forslag om å øke eller endre η t til et dampkraftverk vil bli evaluert ved å endre .

3.1. Øke temperaturen på arbeidsvæsken foran turbinen.

På fig. 6.6 er en illustrasjon av denne metoden for å øke den termiske effektiviteten.

Vær oppmerksom på at størrelsen på "ytelse", dvs. arbeid per syklus økte med økning i T 1, men samtidig økte varmetapene i kondensatoren, og varmekostnadene per syklus økte. Her ser man tydelig at både telleren og nevneren til brøken η t har økt, og resultatet er ubestemt (se (6.5)). Men det er tydelig synlig at en økning i T 1 til T 1 ΄ øker . Derfor øker η t med økende T 1 .

Ris. 6.6. Illustrasjon av metoden for å øke η t med

øke temperaturen T 1 damp foran turbinen.

Kommentar. Ved å øke T 1 endret vi bevisst ikke alle andre parametere i Rankine-syklusen. Du kan ikke endre alt på en gang for å avsløre et slags mønster.

3.2. Øke trykket på arbeidsvæsken foran turbinen.

På fig. 6.7 er en illustrasjon av denne metoden for å øke η t .

Ris. 6.7. Illustrasjon av metoden for å øke η t ved å øke

damptrykk foran turbinen.

Etter fig. 6.7 er det vanskelig å avgjøre om arbeidet per syklus har økt eller redusert, men varmetapet i kondensatoren har klart redusert. Hvis vi bruker konseptet , så fra fig. 6.7 følger det at med en økning i p 1 verdien økte også, men temperaturen T 2 endret seg ikke. Derfor kan det tydelig konkluderes med at en økning i damptrykket foran turbinen øker den termiske effektiviteten η t .

Kommentar.Å øke damptemperaturen T 1 foran turbinen er lite effektivt, siden isobarene p = const går ganske bratt opp i området med overopphetet vanndamp. Slik er naturen til dette stoffet.

Kommentar. Begge metodene for å øke η t vist ovenfor er "velsignet" av termodynamikk. Og i praksis er økningen i temperatur og trykk av vanndamp foran turbinen begrenset av et sett med varmebestandige og spesielt holdbare materialer for fremstilling av både kjeleenheten og turbinen. Her, i all sin formidable vekst, stiger vitenskapen om «Material Science».

Termisk sykluseffektivitet

Hvis vi ikke tar hensyn til den ubetydelige økningen i temperatur under den adiabatiske komprimeringen av vann i pumpen, så

hvor er entalpien til kokende vann under trykk R 2.

Figur 8.9 - Rankine-syklus på overopphetet damp:

en- inn p,v- diagram; b- inn T,s-diagram

Figur 8.10 - Rankine-syklus inn h,s-diagram

Det kan sees fra formelen at effektiviteten til den ideelle Rankine-syklusen bestemmes av verdiene til entalpiene til damp før og etter turbinen og entalpien til vann , ved koketemperaturen. Disse verdiene bestemmes i sin tur av tre syklusparametere: trykk og temperatur på dampen foran turbinen og trykk R 2 bak turbinen, dvs. i kondensatoren.

Faktisk, å vite og enkelt finne posisjonen til punktet 1 i h, s-diagram og finn entalpien. Skjæringspunktet mellom en adiabat tegnet fra et punkt 1 , med isobar definerer posisjonen til et punkt 2, dvs. entalpi. Til slutt, entalpien til vann som koker under trykk p 2, avhenger av dette trykket.

Dampoveroppheting øker den gjennomsnittlige varmetilførselstemperaturen i syklusen uten å endre varmefjerningstemperaturen. Derfor øker den termiske effektiviteten til et dampkraftverk med økende damptemperatur foran motoren. For eksempel, nedenfor er avhengigheten av ved absolutte trykk = 9,8 MPa og R 2 = 3,9 kPa:

Med en økning i damptrykket foran turbinen ved konstant og R 2 nyttig arbeid av syklusen øker, dvs. . Samtidig reduseres mengden varme som tilføres per syklus noe på grunn av en reduksjon i entalpien til overopphetet damp . Derfor, jo høyere trykk, desto større er effektiviteten til den ideelle Rankine-syklusen.

Figur 8.11 - Påvirkning av overopphetet damptrykk på parametrene til Rankine-syklusen

Figur 8.11 viser det mer press foran turbinen tilsvarer mer høy luftfuktighet det kommer damp ut av det. Når overopphetet damp forlater turbinen; når det viser seg å være allerede litt vått, og når tørrhetsgraden er betydelig mindre enn én. Innholdet av vanndråper i damp øker friksjonstapene i turbinens strømningsvei. Derfor, samtidig med en økning i damptrykket bak dampkjelen, er det nødvendig å øke temperaturen på dens overoppheting for å opprettholde fuktigheten til dampen som forlater turbinen innenfor de angitte grensene.

For samme formål blir dampen, delvis ekspandert i turbinen, returnert til kjelen og overopphetet igjen (allerede ved et lavere trykk), og utfører den såkalte sekundære (og noen ganger tertiære) oppvarmingen. Samtidig øker dette den termiske effektiviteten til syklusen.

Turbiner atomkraftverk, som opererer på mettet damp, har en spesiell design som lar deg avlede vann som slippes ut under kondens.

Økningen i dampparametere bestemmes av nivået på utviklingen av metallurgi, og etterlater metaller til kjeler og turbiner. Å skaffe damp med en temperatur på 535-565 ° C ble bare mulig på grunn av bruken av lavlegerte stål, hvorfra overhetere og varme deler av turbiner er laget. Overgangen til høyere parametere (580-650 °C) krever bruk av dyre høylegerte (austenittiske) stål.

Når trykket synker s 2 damp etter turbinen synker den gjennomsnittlige varmefjerningstemperaturen i syklusen, og den gjennomsnittlige varmetilførselstemperaturen endres lite. Derfor, jo lavere damptrykket bak turbinen er, jo høyere effektivitet har dampkraftverket.

Trykket bak turbinen, lik damptrykket i kondensatoren, bestemmes av temperaturen på kjølevannet. Hvis den gjennomsnittlige årlige temperaturen på kjølevannet ved innløpet til kondensatoren er ca. 10-15 °C, etterlater den kondensatoren oppvarmet til 20-25 °C. Damp kan kun kondensere hvis fjerning av den frigjorte varmen er sikret, og for dette er det nødvendig at temperaturen på dampen i kondensatoren er minst 5-10 ° C høyere enn temperaturen på kjølevannet. Derfor er temperaturen på mettet damp i kondensatoren vanligvis 25-35 ° C, og det absolutte trykket til denne dampen s 2 henholdsvis 3-5 kPa. Effektivitetsøkning syklus ved å redusere ytterligere s 2 praktisk talt umulig på grunn av mangelen på naturlige kjølere med lavere temperatur.

Varmetilførsel. Det er imidlertid mulig å forbedre effektiviteten til et dampkraftverk ved å øke, snarere enn å redusere, trykket og temperaturen nedstrøms for turbinen i en slik grad at spillvarmen (som er mer enn halvparten av den totale varmen som forbrukes i syklusen) kan brukes til oppvarming, varmtvannsforsyning og ulike teknologiske prosesser (fig. 6.12). For dette formålet oppvarmes kjølevannet i kondensatoren TIL, blir ikke kastet inn i reservoaret, som i en ren kondenseringssyklus, men drives gjennom varmeapparater varmeforbruker TP og avkjøling i dem avgir varmen mottatt i kondensatoren. Som et resultat genererer en stasjon som opererer i henhold til en slik ordning samtidig både elektrisk energi og varme. Et slikt anlegg kalles et kraftvarmeverk (CHP).

Figur 8.12 - Opplegg av en installasjon for felles generering av varme og elektrisk energi: PC.- dampkoker; T- damp turbin; Til- kondensator-varmer; H- pumpe; TP- varmeforbruker. Tallene tilsvarer sykluspunktene i T,s diagram

Kjølevann kan kun brukes til oppvarming hvis temperaturen ikke er lavere enn 70-100 °C. Damptemperatur i kondensatoren (varmeren) Til bør være minst 10-15 °C høyere. I de fleste tilfeller viser det seg å være mer enn 100 ° C, og metningsdamptrykket ved denne temperaturen er over atmosfærisk. Derfor kalles turbiner som opererer i henhold til denne ordningen mottrykksturbiner.

Så trykket bak turbinen med mottrykk er vanligvis ikke mindre enn 0,1-0,15 MPa i stedet for omtrent 4 kPa bak kondensturbinen, noe som selvfølgelig fører til en reduksjon i damparbeid i turbinen og en tilsvarende økning i mengden av spillvarme. Dette er sett i fig. , der nyttevarme brukes2"-3"-4"-5-6, og med mottrykk - areal 1-2-3-4-5-6. Torget 2-2"-3"-4 gir nedgang i nyttearbeid på grunn av trykkøkning bak turbinen med s 1 før r 2.

Den termiske virkningsgraden til en installasjon med mottrykk er lavere enn for en kondenserende installasjon, det vil si at en mindre del av brenselvarmen omdannes til elektrisitet. På den annen side blir den totale utnyttelsesgraden av denne varmen mye større enn i en kondenseringsenhet. I en ideell syklus med mottrykk ble varmen brukt i kjeleenheten for å produsere damp (areal 1-7-8-4-5-6), fullt utnyttet av forbrukerne. En del av det (område 1-2-4-5-6) omdannes til mekanisk eller elektrisk energi, og en del (areal 2-7-8-4) gis til varmeforbrukeren i form av varme fra damp eller varmtvann.

Når du installerer en mottrykksturbin, gjør hvert kilo damp nyttig arbeid. og gir varmeforbrukeren mengden varme . Kraftproduksjonsanleggets kapasitet og dens termiske kraft proporsjonal med dampforbruk D dvs. tett koblet. Dette er upraktisk i praksis, fordi etterspørselskurvene for strøm og varme nesten aldri faller sammen.

For å bli kvitt en slik stiv forbindelse, turbiner med kontrollert mellomvalg par. En slik turbin består av to deler: en høytrykksdel (HPP), der dampen ekspanderer fra trykk til trykk p fra 6, nødvendig for varmeforbrukeren, og lavtrykksdelen (LPP), hvor dampen utvider seg til trykk R 2 i kondensatoren. All damp som produseres av kjelen passerer gjennom CVP. En del av det (under press p fra 6) tas og leveres til varmeforbrukeren. Resten av dampen i mengde passerer gjennom LPC til kondensatoren TIL. Ved å justere forholdene mellom og , er det mulig å uavhengig endre både de termiske og elektriske belastningene til turbinen med mellomuttak, noe som forklarer deres utbredte bruk ved termiske kraftverk. Om nødvendig leveres to eller flere kontrollerte ekstraksjoner med forskjellige dampparametere. Sammen med justerbare har hver turbin flere uregulerte valg damp brukt til regenerativ oppvarming av matevann, noe som øker syklusens termiske effektivitet betydelig.

En slags "kogenerering" kan utføres selv på rene kondensstasjoner, hvor kjølevann fra kondensatorer brukes for eksempel til å varme opp svømmebassenger eller reservoarer hvor fisk dyrkes kunstig. Spillvarme kan brukes til å varme opp drivhus, drivhus osv. Selvsagt er mengden varme som kreves i CHPP-området for disse formålene mye mindre enn den totale mengden spillvarme, men ikke desto mindre er slik bruk av det et element av avfallsfri teknologi - fremtidens teknologi.

Figur 8.13 - Oppvarmingssyklus inn T,s-diagram

Figur 8.14 - Installasjon av variabel dampekstraksjonsturbin

Til tross for de store eksergitapene ved overføring av varme fra forbrenningsprodukter til damp, er effektiviteten til dampkraftverk i gjennomsnitt høyere enn for gassturbiner og er nær effektiviteten til forbrenningsmotorer, først og fremst på grunn av god bruk av tilgjengelige dampeksergi. (Som antydet ovenfor er temperaturen ved utløpet av kondensturbinen 28-30 °C.) På den annen side gjør det store tilgjengelige varmefallet i turbinen og det tilhørende relativt lave spesifikt dampforbruket for å generere 1 kW det mulig å lage dampturbiner for kolossal kraft - opptil 1200 MW i en enhet! Derfor regjerer dampkraftverk både i termiske og kjernekraftverk. Dampturbiner brukes også til å drive turboblåsere (spesielt i masovnsproduksjon). Ulempen med dampturbinanlegg er de høye metallkostnadene knyttet først og fremst til kjelens store masse. Derfor brukes de praktisk talt ikke i transport, og de er ikke laget med lav effekt.

Energibalansen til et dampkraftverk med turbin er vist i fig. 519. Han er eksemplarisk; Effektiviteten til et dampkraftverk kan være enda høyere (opptil 27%). Energitapene som oppstår under driften av et dampkraftverk kan deles i to deler. En del av tapene skyldes ufullkommenhet i designet og kan reduseres uten å endre temperaturen i kjelen og i kondensatoren. For eksempel ved å tilrettelegge en mer perfekt termisk isolasjon av kjelen, er det mulig å redusere varmetapene i fyrrommet. Den andre, mye større delen - tapet av varme som overføres til vannet som kjøler kondensatoren, viser seg å være helt uunngåelig ved gitte temperaturer i kjelen og i kondensatoren. Vi har allerede påpekt (§ 314) at betingelsen for drift av en varmemotor ikke bare er mottak av en viss mengde varme fra varmeren, men også overføring av en del av denne varmen til kjøleskapet.

Omfattende vitenskapelig og teknisk erfaring i design av varmemotorer og dype teoretiske studier angående driftsforholdene til varmemotorer har vist at effektiviteten til en varmemotor avhenger av temperaturforskjellen mellom varmeren og kjøleskapet. Jo større denne forskjellen er, jo større er effektiviteten til et dampkraftverk (selvfølgelig forutsatt at alle tekniske designfeil nevnt ovenfor er eliminert). Men hvis denne forskjellen er liten, så kan ikke selv den mest teknisk perfekte maskinen gi en betydelig virkningsgrad.Den teoretiske beregningen viser at hvis den termodynamiske temperaturen på varmeren er , og kjøleskapet er , så kan ikke virkningsgraden være mer enn

Ris. 519. Omtrentlig energibalanse for et dampkraftverk med en turbin

Så, for eksempel, i en dampmaskin, damp som har en temperatur på 100 (eller 373 ) i kjelen, og 25 (eller 298 ) i kjøleskapet, kan effektiviteten ikke være mer , dvs. 20% (praktisk talt, på grunn av enhetens ufullkommenhet, vil effektiviteten til en slik installasjon være mye lavere). For å forbedre effektiviteten til varmemotorer er det derfor nødvendig å gå til høyere temperaturer i kjelen, og følgelig til høyere damptrykk. I motsetning til tidligere stasjoner som opererte med et trykk på 12-15 atm (som tilsvarer en damptemperatur på 200), begynte moderne dampkraftverk å installere kjeler på 130 atm eller mer (temperatur ca. 500).

I stedet for å øke temperaturen i kjelen, vil det være mulig å senke temperaturen i kondensatoren. Dette viste seg imidlertid å være praktisk talt umulig. Ved svært lave trykk er damptettheten svært lav, og med en stor mengde damp som passeres i løpet av ett sekund av en kraftig turbin, måtte volumet til turbinen og kondensatoren med denne være uoverkommelig stort.

I tillegg til å øke effektiviteten til en varmemotor, kan man gå veien om å bruke «termisk avfall», det vil si varmen som fjernes av vann som avkjøler kondensatoren.

Ris. 520. Omtrentlig energibalanse av CHP

I stedet for å drenere det kondensatoroppvarmede vannet i en elv eller innsjø, kan du sende det gjennom varmtvannsvarmerør eller bruke det til industrielle formål i kjemisk eller tekstilindustri. Det er også mulig å utvide damp i turbiner kun opp til et trykk på 5-6 atm. Samtidig kommer det veldig varm damp ut av turbinen, som kan tjene til en rekke industrielle formål.

En stasjon som bruker varmeavfall forsyner forbrukerne ikke bare med elektrisk energi hentet gjennom mekanisk arbeid, men også med varme. Det kalles et kombinert varme- og kraftverk (CHP). Omtrentlig energibalanse for CHPP er vist i fig. 520.

Hensikt: konvertere varme til arbeid.

Termodynamikk forbyr ikke en slik transformasjon, siden i henhold til termodynamikkens første lov

du = dq – dw → dw = dq – du. (6.1)

Derfor kan arbeid dw > 0 oppnås enten/og ved å tilføre varme dq > 0 eller/og ved å redusere den indre energien du< 0.

Innen kjemisk teknologi og kraftteknikk brukes termiske kraftverk som energikilder for kompressorer, vakuumpumper, vifter og gassblåsere, pumper for flytting av væsker, for å drive knusere og andre kverner. I energisektoren brukes termiske kraftverk til å produsere elektrisitet og varme til oppvarming.

1. Forbrenningsmotorer.

Disse motorene kjennetegnes av typen drivstoff til bensin og diesel. På fig. 6.1 viser indikatordiagrammet for bensinmotorsyklusen.

Ris. 6.1. Indikatordiagram av en bensinforbrenningsmotor.

A1 - prosessen med å suge damp-luftblandingen inn i volumet av sylinderen;

1 - 2 - komprimering av denne blandingen; ved punkt 2, eksitasjon av gnisten til tenningsanordningen (stearinlys);

2 - 3 - flash (eksplosjon) av bensindamper blandet med atmosfærisk oksygen;

3 - 4 - prosessen med polytropisk utvidelse av røykgasser;

ved punkt 4 - åpningen av eksosventilen;

4 - 1 prosess med avgasser til atmosfæren.

På fig. 6.2 viser indikatordiagrammet for en dieselforbrenningsmotor.

Ris. 6.2. Indikatordiagram av en dieselforbrenningsmotor.

A1 - prosessen med å suge ren luft fra atmosfæren inn i motorsylinderen;

1 - 2 - prosessen med luftkompresjon; ved punkt 2 - injeksjon av diesel i sylinderen;

2 - 3 - drivstoffforbrenning; 3 - 4 - prosessen med polytropisk ekspansjon;

v. 4 - åpning av eksosventilen; 4 - 1 - røykgasser kommer ut i atmosfæren.

Det kan vises at den termiske effektiviteten η t til forbrenningsmotorer er sterkt avhengig av kompresjonsforholdet p 1 / p 2 (se fig. 6.1 og 6.2): ​​jo større denne graden, jo større η t. For en bensinmotor er kompresjonsforholdet begrenset av det spontane flammepunktet til bensindamp blandet med atmosfærisk oksygen. Derfor må damp-luftblandingen komprimeres til en temperatur under flammepunktet, og selve forbrenningen (eksplosiv type) startes ved hjelp av en gnist i en glødeplugg.

Dieselmotorer komprimerer ren luft, kompresjonsforholdet i slike motorer er bare begrenset av styrkeegenskapene til materialer for produksjon av motorer. Derfor er kompresjonsforholdet i en dieselmotor mye større enn kompresjonsforholdet i en bensinmotor, og følgelig er η t det også.

For bensinmotorer η ≈ 25 % - 30 %, for dieselmotorer η ≈ 40 % - 45 %. Det betyr at av 10 liter bensin i tanken vil kun 2,5 liter brukes til selve bevegelsen av bilen, og resten går til oppvarming av atmosfæren og miljøforurensning. Men for en dieselmotor vil litt mindre enn halvparten av drivstoffet bli brukt med fordel, og resten vil være tap.

2. Dampkraftverk.

På fig. 6.3 viser det teknologiske opplegget til et dampkraftverk for produksjon av elektrisitet.

Damp med høyt trykk og temperatur (se v. 1) mates inn i turbindysene (se forelesning 5), hvor den potensielle energien til dampen omdannes til den kinetiske energien til dampstrømmen (strømningshastigheten er supersonisk). Den kinetiske energien til den supersoniske strømmen omdannes på turbinbladene til den kinetiske energien til turbinhjulets rotasjon og til arbeidet med å generere elektrisitet.

På fig. 6.3 viser én turbin, faktisk har turbinen flere dampekspansjonstrinn.

Etter turbinen (se t. 2) sendes dampen til kondensatoren. Dette er en konvensjonell varmeveksler, kjølevann passerer inne i rørene, utenfor - vanndamp, som kondenserer, vannet blir flytende (se v.3).

Ris. 6.3. Skjematisk diagram av et dampkraftverk.

Dette vannet kommer inn i matepumpen, hvor trykket øker til nominell (design) verdi (se t. 4).

Videre sendes vann med høyt trykk til kjeleenheten (i fig. 6.3 er den omringet med en stiplet linje). I denne enheten varmes vann først opp til kokepunktet fra røykgasser fra kjeleovnen, deretter går det inn i kjelerørene, hvor det skjer en fasetransformasjon opp til tilstanden tørr mettet damp (se punkt 5 i fig. 6.3).

Til slutt går tørr mettet damp til en overheter oppvarmet av røykgasser fra ovnen. Tilstanden til dampen ved utløpet av overheteren er preget av punkt 1. Dette lukker syklusen (se forelesning 4). Denne syklusen til et dampkraftverk ble foreslått av den tyske ingeniøren Rankin, og derfor ble den kalt Rankine-syklusen.

Betrakt Rankine-syklusen på tre termodynamiske diagrammer p - v, T - s, h - s (se fig. 6.4).

Ris. 6.4. Rankine-syklus på termodynamiske diagrammer.

Nummereringen av punktene sammenfaller med nummereringen i fig. 6.3.

Prosess 1 - 2 - dampekspansjon i turbindysene;

2 - 3 - prosessen med dampkondensering; 3 - 4 - prosess i matepumpen;

4 - 5 - prosessen med å varme opp vann og koke det; 5 - 1 - dampoveropphetingsprosess.

Disse områdene i diagrammene er skyggelagt, hvis areal er numerisk lik arbeidet og varmen per syklus, og q c = w c.

Fra det teknologiske opplegget i fig. 6.3 og diagrammer T - s i fig. 6.4 følger det at varme tilføres arbeidsfluidet i prosesser 4 - 5 - 1, hvor ds > 0. Og disse prosessene er karakterisert ved den invariante p 1 = const. Derfor er varmen som tilføres i Rankine-syklusen q subv lik:

q subv \u003d h 1 - h 4 .J. (6.2)

Varme fjernes fra arbeidsvæsken i prosessen 2 – 3 (ds< 0) и этот процесс тоже p 2 = const. Поэтому

q resp \u003d h 2 - h 3. J. (6,3)

Forskjellen mellom den tilførte varmen og den fjernede varmen er varmen fra syklusen q c, omdannet til arbeid w c (se forelesning 4):

w c \u003d q c \u003d (h 1 - h 4) - (h 2 - h 3) \u003d (h 1 - h 2) - (h 4 - h 3).

Forskjellen mellom entalpien til vann før matepumpen (punkt 3) og etter (punkt 4) er ubetydelig. Angående

w c \u003d q c \u003d h 1 - h 2. (6.4)

Den termiske effektiviteten til Rankine-syklusen (og dette er forholdet mellom "nytte", dvs. w c, og "kostnader", dvs. q sub) er lik

η t \u003d (h 1 - t 2) / (h 1 - t 4). (6,5)

Eksempel. Dampkraftverket opererer i henhold til Rankine-syklusen med de innledende dampparametrene p 1 = 20 bar og t 1 = 300 0 C. Trykket i kondensatoren p 2 = 0,05 bar. Finn den termiske virkningsgraden η t .

Løsning. Som følger av den generelle metoden for å løse problemer der en reell arbeidsvæske dukker opp, er det først og fremst nødvendig å finne ut tilstanden til vannet på det første punktet av syklusen (se fig. 6.4) for å vite hvilke tabeller for vanndamp bør brukes for å finne de nødvendige parameterne.

I følge tabellene over mettede damper for H 2 O, ved å bruke verdien p 1 \u003d 20 bar, finner vi metningstemperaturen (koketemperaturen): t n \u003d 212 0 C. Sammenlign denne verdien med t 1 \u003d 300 0 C. Siden t 1\u003e t n, gjør vi konklusjon: ved punkt 1 er vanndampen i en overopphetet tilstand, og derfor er det nødvendig å bruke tabellen for overopphetet vanndamp. Ser man på (6.5), kan man se at entalpien i punkt 1 er nødvendig for å løse problemet fra tabellen: h 1 = 3019 kJ/kg.

Deretter fortsetter vi med å bestemme parametrene for tilstanden til damp ved punkt 2. Vi vet om dette punktet at p 2 = 0,05 bar og at s 2 = s 1 = 6,757 kJ / kgK (her tegnet vi mentalt en isentrope fra punkt 1 til isobaren p 2 = const, siden prosess 1 - 2 er prosessen med damputstrømning i turbindysene).

Igjen, vi vender oss tradisjonelt til tabellen over mettet vanndamp etter trykk og ser at ved p 2 \u003d 0,05 bar, entropien s΄ \u003d 0,4761 kJ / kgK for kokende vann og entropien s ”\u003d 8,393 kJ / kgK for tørr mettet damp. Ved å sammenligne verdiene til entropiene s΄, s" og s 2, kan det sees at punkt 2 er i området med våt (mettet) damp, og derfor må vi bruke tabeller med våt damp.

Ser man på (6.5), er det klart at for å løse problemet er det nødvendig å bestemme entalpiverdien ved punkt 2. For å gjøre dette må vi først finne tørrhetsgraden til vanndamp ved punkt 2, og først da vil vi bestemme h 2 .

s 2 \u003d s 1 \u003d s΄ + xr / T n → x \u003d (s 1 - s΄) T n / r.

Faseovergangsvarmen til vann ved et trykk p 2 = 0,05 bar er funnet fra de samme tabellene over mettet vanndamp: r = 2423 KJ / kg. Her finner vi damptemperaturen ved punkt 2: t 2 \u003d t n \u003d 32,88 0 C. Deretter

x \u003d (6,757 - 0,476) (32,88 + 273) / 2423 \u003d 0,793.

h 2 \u003d h΄ + xr → h 2 \u003d 137,83 + 0,793 * 2423 \u003d 2059 kJ / kg.

Verdien av entalpien til kokende vann h΄ \u003d 137,83 kJ / kg \u003d h 4 er igjen funnet fra de samme tabellene med mettet vanndamp.

Til slutt:

η t = (se (6,5)) = (3019 – 2059)/(3019 – 137,83) = 0,333.

Svar:η t = 0,333 = 33,3 %.

Kommentar. Denne verdien av termisk effektivitet betyr i hovedsak følgende. Av de 100 vognene med kull som ble brent i ovnen til en kjeleenhet, utvunnet et sted i Kuzbass av hardt og farlig arbeid fra gruvearbeidere, brakte, for eksempel, til Kolahalvøya til byen Kirovsk med jernbane, bare 34 vogner med kull vil bli «gjort om» til elektrisitet, og de resterende 66 vognene skal brukes til å varme opp atmosfæren. Hvilket avfall!

Varmt vann fra kondensatorene til noen termiske kraftverk på bredden av elven. Moskva blir dumpet i elven. Villender vil ikke fly til Afrika om vinteren, de og varmekraftverket har det fint, men for oss er det ruin.

Kommentar. La oss finne den termiske effektiviteten til Carnot-syklusen i samme temperaturområde som i det betraktede eksemplet. Temperaturen på vannet i kondensatoren er allerede bestemt fra tabellen over mettet vanndamp ved p 2 \u003d 0,05 bar: t n \u003d 32,88 0 C.

η til t \u003d 1 - T 2 / T 1 \u003d 1 - (32,88 + 273) / (300 + 273) \u003d 0,466 \u003d 46,6 %

Med andre ord, den mest perfekte syklusen, dvs. Carnot-syklusen, har en effektivitet under betingelsene for problemet i eksemplet under vurdering, litt mindre enn halvparten (av 100 kullbiler vil halvparten bli brukt på oppvarming av atmosfæren). Og her nytter det ikke å argumentere med termodynamikk.

Ris. 6.5 viser årsaken til den lave effektiviteten til Rankine-syklusen sammenlignet med Carnot-syklusen.

Ris. 6.5. Illustrasjon av årsaken til den lave effektiviteten til Rankine-syklusen

sammenlignet med Carnot-syklusen. Jobstap er det skraverte området.

Nummereringen av punktene sammenfaller med nummereringen i fig. 6.3 og 6.4.

Kommentar. Perfeksjonen til et dampkraftverk bestemmes ikke bare av den termiske effektiviteten til syklusen, men også av effektiviteten til kjeleenheten. Sistnevnte er forholdet mellom varmen som tilføres arbeidsfluidet og drivstoffets kjemiske energi. Til ære for innenlandske varmekraftingeniører, utviklere av kjeleenheter, er effektiviteten til et moderne kjeleanlegg 99,5%. Dette betyr at av 100 vogner med kull, vil 99,5 vogner med kull bli "konvertert" til entalpien av overopphetet damp (punkt 1 i fig. 6.3, 6.4 og 6.5) og bare 0,5 vogner med kull vil bli brukt til å varme opp atmosfæren . Følgelig har den lave effektiviteten til hele dampkraftverket som opererer på Rankine-syklusen dype termodynamiske (genetiske) grunner.

Essensen av disse grunnene er at vannets natur, dets fysiske og kjemiske egenskaper er slik at Rankine-syklusen svakt fyller området inne i Carnot-syklusen (se fig. 6.5).

Vann ble gjort til en arbeidsvæske i dampkraftverk rent historisk for ganske lenge siden. Og grunnen til dette er at vann er det vanligste stoffet på jorden, det pleide å være mye vann, det var uvurderlig. I dag har de lave prisene på vann blitt en myte: For det første har det blitt knapt med vann, russisk industri har lenge sittet på en sultrasjon; for det andre, vann fra en elv, innsjø, reservoar eller artesisk brønn viste seg å være rett og slett uegnet, det inneholder mange urenheter, hardhetssalter, oppløste gasser, alt dette reduserer påliteligheten til både kjeleenheten og turbinen. Moderne vannbehandling for et dampkraftverk gjør det svært dyrt. Selv vannet for avkjøling av kondensatoren må renses nøye for alger, amøber, flageller, mikroorganismer, da de lever perfekt og aktivt formerer seg i varmeveksleren, noe som bringer hele installasjonen i en tilstand av feil.

La oss oppsummere de foreløpige resultatene: Effektiviteten til både forbrenningsmotorer og dampkraftverk er sløsende liten. Følgelig er det nødvendig og/eller utvikle tiltak for å øke effektiviteten og/eller engasjere seg i energisparing.

Dampkraftverk(PSU) er et kompleks av kraftutstyr der vanndamp brukes som arbeidsvæske. Ulike PSU-sykluser er kjent, inkludert Carnot-syklusen, som, som vist i kap. 4, den høyeste termiske effektiviteten av alle mulige sykluser i et gitt temperaturområde. Fordelen med vanndamp ligger nettopp i det faktum at under fordampningsprosessen kan varme tilføres den langs isotermen og varme kan også fjernes langs isotermen under kondensering. Hvis prosessene for varmeforsyning ikke er forbundet med fasetransformasjoner, er det teknisk svært vanskelig å utføre dem strengt ved konstante temperaturer. Det kan hevdes at Carnot-syklusen teknisk sett bare er mulig i området med våt damp.

For å gjøre dette bør væsken, som er i en tilstand av metning (punkt 7, fig. 8.1), sendes til dampgeneratoren, der varme tilføres den, for eksempel fra forbrenningsproduktene av organisk brensel eller frigjøres under en kjernefysisk reaksjon. I området med våt damp faller isotermen og isobaren sammen, så den hovedsakelig isobariske kokeprosessen i dampgeneratoren skjer ved en konstant temperatur. Fra dampgeneratoren, tørr mettet damp (dvs. 2) sendes for adiabatisk ekspansjon til kondensatortrykk

Ris. 8.1.

(t. 3 ) inn i en dampmaskin - en frem- og tilbakegående dampmaskin eller en dampturbin. I kondensatoren fjernes varme fra eksosdampen ved konstant trykk og temperatur, og dampen kondenserer, men ikke fullstendig (dvs. fire). Kondensator - dette er en varmeveksler der det såkalte sirkulerende vannet beveger seg gjennom mange rør med liten diameter, som fjerner varmen som frigjøres av damp under kondensering på den ytre overflaten av rørene. Våt damp etter at kondensatoren kommer inn i damp- eller vingekompressoren og komprimeres adiabatisk til tilstanden mettet vann i den såkalte. 1.

Termisk effektivitet av Carnot-syklusen i det våte dampområdet

Denne effektiviteten har høyest mulig verdi for alle sykluser som utføres i temperaturområdet T ( _ 2 og G3_4.

Dessverre kan forholdet ikke reduseres ved vilkårlig

måte å øke effektiviteten på. For vanndamp er den naturlige grensen for T ( _ 2 er T cr = 647 K, og for kondenseringstemperaturen er den nedre grensen omgivelsestemperaturen som varme må fjernes i, - G 3 _ 4\u003e 300 K. Dermed,

Den faktiske effektive effektiviteten til den betraktede syklusen vil vise seg å være betydelig mindre, siden utvidelse og spesielt kompresjon av våt damp er ledsaget av store energitap. Dessuten må en maskin for adiabatisk komprimering av våt damp, som først må fungere som en kompressor, komprimere damp med en relativt høy grad av tørrhet, og deretter som en pumpe, være for komplisert og kan ikke være pålitelig og billig.

Det skal bemerkes at bruken av temperaturer 7\_ 2 nær T kr, fører til en reduksjon i det nyttige arbeidet som produseres av 1 kg damp i syklusen. For å bekrefte dette er det nok å sammenligne områdene 1-2-3-4 og G-2"-3"-4" i fig. 8.1.

De bemerkede manglene ved Carnot-syklusen er organisk iboende i den og hindrer den praktiske bruken. Samtidig gjør små forbedringer av den vurderte syklusen, foreslått av William John McWorn Rankine (1820-1872), den til en syklus ved hjelp av hvilken mer enn 80 % av all elektrisitet produsert på jorden genereres ved termisk og kjernefysisk kraft. kraftverk.