Атомные паротурбинные установки

На рис. 9.24 приведена схема двухконтурной атомной паротурбинной установки.

Атомный реактор представляет собой металлический кожух, заполненный стержнями с ядерным горючим (природный уран ²³⁸U в смеси с ураном ²³⁵U). При делении ядер урана выделяется теплота.

В первом контуре (I) циркулирует теплоноситель (вода под давлением, жидкие металлы, органические жидкости, газы), прокачиваемый насосами через атомный реактор и нагреваемый за счет теплоты, выделяющейся в результате реакции деления ядерного топлива.

Обозначения: АР - атомный реактор; ПГ - парогенератор; Т - турбина; К - конденсатор; Н - насос; БЗ - биологическая защита

Во втором контуре (II) циркулирует рабочее тело (вода и водяной пар). Теплота от теплоносителя к рабочему телу передается в теплообменнике -парогенераторе.

Биологическая защита - стена из баррибетона, отделяющая оборудование второго контура, которое обслуживается людьми, от оборудования первого контура.

При одноконтурной схеме рабочее тело из реактора направляется в турбину. В этом случае все оборудование работает в радиоактивных условиях. Это усложняет эксплуатацию. Преимуществом является лишь простота конструкции.

На рис. 9.25 представлен обратимый цикл в T-s-диаграмме первой в мире атомной паротурбинной установки (1954 г.).

Установка - двухконтурная. Теплоноситель - вода при давлении 100 бар, нагреваемая в атомном реакторе от 190 °С до 270 °С.

Электрическая мощность установки N_Э=5 МВт, электрический КПД

где Q_T = G_Т(h″ _T-h′ _T), Вт – тепловая мощность атомного реактора;

G_T, кг/с -расход теплоносителя;

h'_T, h″ _T - энтальпия теплоносителя на входе и на выходе атомного реактора.

Развитие и совершенствование оборудования атомных электростанций позволило повысить параметры пара до Р₁ = 30 - 80 бар, температуру перегрева до t₁ = 500 – 515 °С, электрический КПД до = 35 %, единичную мощность энергоблоков довести до 1000 МВт и более.

Для атомных паротурбинных установок приходится решать много проблем: обеспечение максимального теплосъема в атомном реакторе, осуществление теплообмена в парогенераторе с наименьшей степенью необратимости, проведение процесса расширения пара в турбине при допустимой влажности пара х₂≥ х = 0, 88 - 0, 92.

Достоинством атомных электростанций является независимость от источников сырья. Для выработки 1 млн. кВтч электроэнергии требуется 200 г урана или 400 т угля. Экологическая чистота АЭС много выше, чем ТЭС, работающей на органическом топливе. Атомная энергетика - это энергетика будущего.

Методические указания

При изучении темы" Циклы газотурбинных двигателей и установок" необходимо:

• понимать принцип работы ГТД и ГТУ;

• знать схемы установок и уметь анализировать их работу, используя
р- v- и T-s- диаграммы;

• понимать смысл коэффициентов полезного действия, характеризующих различные виды потерь в ГТУ;

• уметь рассчитать составляющие уравнения теплового баланса;

• знать способы повышения тепловой экономичности ГТУ.

Паротурбинные установки являются основой теплоэнергетики, поэтому особое внимание следует: уделить средствам повышения эффективности циклов паротурбинных установок. Понимать возможности и особенности применения для оценки эффективности метода КПД и эксергетического метода. Знать способы увеличения КПД паротурбинных установок: увеличение параметров пара перед турбиной, снижение давления в конденсаторе, применение промежуточного перегрева пара, регенеративного подогрева конденсата. Разобраться с особенностями работы и расчета теплофикационных и атомных установок.

Задачи

1. Для газотурбинного двигателя с циклом Брайтона (. 9.4) дано:

• параметры воздуха на входе в компрессор p₁= 1 бар, t₁= 20 °С;

• степень повышения давления в компрессоре β = p₂/p₁=6;

• внутренние относительные КПД турбины и компрессора
= 0, 85, = 0, 8;

• механические КПД турбины и компрессора = 0, 98, ⁼ 0, 97;

• КПД камеры.сгорания η _KC =0, 96.

• Рассчитать:

• температуры t₂, t₄, термический КПД (η _t) обратимого цикла 1 -2-3-4;

• эффективный КПД ГТД (η _e);

• составляющие уравнения теплового баланса, проверить тождество,
сделать выводы.

Принять, что рабочее тело обладает свойствами воздуха. Теплоемкость воздуха считать постоянной (μ c_v= 20, 8 кДж/кмоль °С).

Решение

Для воздуха (двухатомный газ) при постоянной теплоемкости показатель адиабаты k = 1, 4, изобарная теплоемкость

Температуры Т₂ и Т₄ рассчитываются по связям между параметрами в обратимых адиабатных процессах 1-2 и 3-4:

Термический КПД обратимого цикла 1-2-3-4 при постоянной теплоемкости:

Рассчитываются конечные температуры действительных процессов сжатия и расширения Т и по уравнениям (9.3) и (9.4). При постоянной теплоемкости имеем:

Рассчитываются q', I_e, η _e:

Рассчитываются потери:

•тепла в камере сгорания

= 557, 4-1-(1073-537, 9) = 22, 3 кДж/кг;

•тепла с отработавшими газами

=1· (707, 6-293)=414, 6 кДж/кг;

· механические потери в компрессоре

= 1 -(537, 9-293)(1 /0, 97-1) = 7, 6 кДж/кг;

•механические потери в турбине

= 1 • (1073 - 707, 6)(1 - 0, 98) = 7, 3 кДж / кг

. Подстановка численных значений в уравнение теплового баланса

дает тождество

557, 4 =105, 6 + 22, 3 + 414, 6 + 7, 6 + 7, 3= 557, 4 кДж/кг.

Вывод. Максимальное количество тепла в газотурбинном двигателе теряется с отработавшими газами.

2. Сравнить термические КПД трех циклов с давлением в паровом котле р₁= 98 бар, в конденсаторе -р₂ = 0, 04 бар:

а) цикла Ренкина на насыщенном паре (x_l =1);

б) цикла Карно;

в) цикла Ренкина на перегретом паре c t₁₌ 540 °С.
Затратой работы на насос пренебречь.

Как изменится термический КПД цикла Ренкина на перегретом паре с параметрами р₁= 98 бар, t₁= 540 °С, p₂= 0, 04 бар, если:

г) ввести промежуточный перегрев пара при давлении р'= 10 бар до
первоначальной температуры?

д) ввести регенеративный подогрев конденсата в одном смешивающем
подогревателе при давлении р₀ = 7 бар?

Сопоставить полученные результаты и сделать выводы.

9.7. Ответы:

ЦИКЛЫ ТЕПЛОТРАНСФОРМАТОРОВ

Теплотрансформаторами называются устройства, в которых теплота передается от холодного тела к горячему (холодильная установка, тепловой насос, комбинированная установка для выработки искусственного холода и тепла). Такой процесс передачи теплоты не может происходить самопроизвольно, он требует затраты энергии любого вида: электрической, механической, энергии потока газа или пара и т.д.

Циклы теплотрансформаторов - обратные (против часовой стрелки) в отличие от циклов тепловых двигателей.

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 9 10 111213 14 Следующая ⇒