Изображение на Т,s диаграмме основных процессов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 14Следующая ⇒

Термодинамические процессы часто изображаются на графиках состояния, где по осям отложены параметры состояния. Точки, на плоскости такого графика, соответствуют определенному состоянию системы, линии на графике соответствуют термодинамическим процессам, переводящим систему из одного состояния в другое.

Рассмотрим термодинамическую систему, состоящую из одного тела – какого либо газа в сосуде с поршнем, причем сосуд и поршень в данном случае является внешней средой. Пусть, для примера, происходит нагрев газа в сосуде, возможны два случая: если поршень зафиксирован и объем не меняется, то произойдет повышение давления в сосуде. Такой процесс называется изохорным (v=const), идущий при постоянном объеме.

Рисунок 1. Изохорные процессы в P – T координатах (v₃> v₂> v₁). (обратно к содержанию)

eсли поршень свободен то нагреваемый газ будет расширятся при постоянном давлении такой процесс называется изобарным (P=const), идущим при постоянном давлении.;

Рисунок 2. Изобарные процессы в v – T координатах P₁> P₂> P₃ (обратно к содержанию)

Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако можно охлаждая сосуд при сжатии газа и нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т=const).

Рисунок 3. Изотермические процессы в P – v координатах T₃> T₂> T₁ (обратно к содержанию)

Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным, при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q=const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. Однако часто происходят процессы при которых теплообменном с окружающей средой очень мал, например быстрое сжатие газа в сосуде поршнем, когда тепло не успевает отводится за счет нагрева поршня и сосуда.

Рисунок 4. Примерный график адиабатного процесса в P – v координатах (обратно к содержанию)

Определение: Круговой процесс (Цикл) это совокупность любого числа отдельных процессов, возвращающих систему в первоначальное состояние.

Понятие кругового процесса является для нас ключевым в термодинамике, поскольку работа АЭС основана на паро–водяном цикле, другими словами мы можем рассматривать испарение воды а активной зоне (АЗ), вращение паром ротора турбины, конденсацию пара и поступление воды в АЗ как некий замкнутый термодинамический процесс или цикл. (обратно к содержанию)

Цикл, схема, терм кпд ГТУ

ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.

На рис.7.6 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянномдавлении. Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3.

На рис.7.7 и рис7.8 представлены идеальный цикл ГТУ на PV и TS диаграммах.

1-2 - адиабатное сжатие до давления Р₂;

2-3 – подвод теплоты q₁ при постоянном давлении Р₂ (сгорание топлива);

3-4 – адиабатное расширение до первоначального давления Р₁;

4-1 – охлаждение рабочего тела при постоянном давлении Р₁ (отвод теплоты q₂);

Характеристиками цикла являются:

степень повышения давления -  = Р₂/ Р₁;

степень изобарного расширения -  =  ₃ / ₂.

Работа турбины:

l_т= h₃ – h₄. (7.10)

Работа компрессора:

l_н= h₂ – h₁. (7.11)

Полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора:

L_ГТУ = l_т – l_к. (7.12)

Термический к.п.д. цикла ГТУ имеет вид:

 _t = 1 – 1/  ^{( -1)/}. (7.13)

Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ):

N_т = l_т·D/3600 = (h₃ – h₄)·D/3600, (7.14)

N_к = l_к·D/3600 = (h₂ – h₁)·D/3600, (7.15)

N_ГТУ = l_ГТУ·D/3600 = [(h₃ – h₄) (h₂ – h₁) ]·D/3600. (7.16)

Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреообразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и расширение рабочего тела и пр.

9. Схема паротурбинной установки (ПТУ)
Н

а рис. 9.8, 9.9, 9.10 представлены схемы паротурбинной установки (ПТУ) и обратимый цикл в p-v- и T-s-диаграммах (цикл Ренкина).

Обозначения: ПК – паровой котел; ПП – пароперегреватель; ЭТ – экранные (испарительные) трубы парового котла; ВЭ – водяной экономайзер; Т – паровая турбина; К – конденсатор, охлаждаемый водой; Н – насос;
ЭГ – генератор электрического тока (потребитель). Цифры на схеме
соответствуют узловым точкам обратимого цикла, представленного
в p-v- и T-s-диаграммах

Теплота, подводимая к воде и водяному пару в паровом котле (в процессах: 3-4 – нагрев воды до кипения, 4-5 – испарение воды, 5-1 – перегрев пара),

Отводится теплота от водяного пара в процессе его конденсации (2-2¢ ):

Работа, получаемая в турбине, является внешней работой адиабатного процесса расширения 1-2:

Работа, затрачиваемая на сжатие конденсата в насосе, с учетом того, что процесс сжатия является адиабатным (dq = 0) и одновременно изохорным
(v = const) вследствие несжимаемости жидкости,

Полезная работа обратимого цикла (площадь цикла в p-v- и T-s- диаграммах)

Термический КПД обратимого цикла Ренкина вычисляется по формулам

,	(9.9)
.	(9.10)

В практических расчетах зачастую можно пренебречь работой насоса, которая, вследствие несжимаемости жидкости, ничтожна по сравнению с работой турбины. В этом случае состояние 3 на диаграммах не изображают (рис. 9.11), т. к. точка 3 совпадает с точкой 2¢ :

,
,	(9.11)
.	(9.12)

Анализ формул (9.9) – (9.12) показывает, что термический КПД зависит от трех параметров (p₁, t₁, p₂), он увеличивается с повышением давления p₁в паровом котле, с увеличением температуры перегрева пара t₁ и с уменьшением давления p₂в конденсаторе.

В современных мощных паротурбинных установках применяются параметры пара p₁= 235...240 бар, t₁ = 535...565 ^оС, p₂ = 0, 03...0, 05 бар
(t_s = 25...35 ^оС). Переход на более высокие параметры p₁ и t₁ определяется уровнем развития металлургии, т. к. требуются дорогостоящие высоколегированные стали. Использование более низких давлений p₂ ограничено температурой воды, охлаждающей конденсатор, которая в летнее время равна 18…20 ^оС.

В паротурбинной установке можно было бы осуществить цикл Карно a-4-5-b (рис. 9.12): 4-5 – испарение; 5-b – расширение пара в турбине; b-a – неполная конденсация пара; a-4 – сжатие мокрого пара в компрессоре.

На практике этот цикл не осуществляется прежде всего потому, что в реальном цикле, вследствие потерь на привод компрессора, затрачивалась бы большая часть мощности, вырабатываемой турбиной. Экономичнее конденсировать пар полностью, а затем насосом увеличить давление воды от p₂ до p₁ в процессе 2¢ -3. Кроме того, процесс расширения сухого насыщенного пара в турбине (5-b) связан с большими потерями на трение, вследствие существенного уменьшения степени сухости в процессе расширения, т. е. увеличения содержания воды в паре. Поэтому в паротурбинных установках применяют перегрев пара в трубах пароперегревателя парового котла. В этом случае процесс расширения 1-2 сдвигается в область перегретого пара, уменьшаются потери на трение при течении пара в проточной части турбины.

9 .3.2. Система коэффициентов полезного действия
для оценки эффективности ПТУ. Тепловой баланс ПТУ

На рис. 9.13 представлен действительный цикл Ренкина 1-2д-2¢ (без учета затраты работы на насос):

1-2д – необратимый адиабатный процесс расширения пара в турбине (s_2д > s₁);

1-2 – обратимый адиабатный процесс расширения (s₂ = s₁).

Термический КПД характеризует термодинамическое совершенство обратимого цикла 1-2-2¢:

где ^ N – мощность обратимого цикла, Вт; G – расход пара, кг/с; Q₁ – тепловая мощность парового котла, Вт.

Относительное термодинамическое совершенство действительного цикла по сравнению с обратимым характеризует внутренний относительный КПДцикла

(9.13)

где N_i = l_iG – внутренняя мощность (мощность действительного цикла).

Потери тепла в паровом котле (от химического и механического недожога топлива, от теплообмена с окружающей средой, с уходящими газами и др.) характеризуются КПД парового котла

(9.14)

где q¢ – теплота, выделившаяся при сгорании топлива, отнесенная к 1 кг пара, Дж/кг; – тепловой эффект реакции горения топлива, Вт;
B – расход топлива, кг/с; – теплотворная способность топлива, Дж/кг.

Механические потери (потери на трение между деталями, затрата энергии на привод масляного насоса, осуществляющего смазку) характеризуютсямеханическим КПД

(9.15)

где N_e = l_eG – эффективная мощность (на валу турбины); l_e – эффективная работа.

Все потери в ПТУ (без учета потребителя энергии) характеризуются эффективным КПД

,	(9.16)
.	(9.17)

Справедливость (9.17) легко проверить, если подставить значения всех КПД.

Механические и электрические потери в генераторе электрического тока учитываются КПД генератора

(9.18)

где l_э, N_э= l_э^.G – соответственно электрическая работа и электрическая мощность.

Все потери в энергетической паротурбинной установке, вырабатывающей электрическую энергию, учитываются электрическим КПД

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒