Реферат по теплоэнергетике и теплотехнике на тему «Теоретические основы теплотехники», ЮУрГУ

ВВЕДЕНИЕ Использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла агрегатное состояние (как, например, вода – самое доступное и дешевое рабочее тело), позволяет осуществить на практике цикл Карно в теплосиловых паровых установках. Так, возможно осуществить подвод и отвод теплоты изобарным процессом, близким к изотермическому. Однако, с учетом условий работы теплосилового оборудования этот цикл практически нецелесообразен, так как работа на влажном паре ведет к тяжелым условиям работы проточных частей турбин и компрессоров, течение в которых становится газодинамически несовершенным, что снижает внутренний относительный КПД машин, заставляет прибегнуть к использованию громоздких и неудобных в эксплуатации устройств с большой тратой энергии на привод. Цикл, лежащий в основе работы ТЭС – цикл Ренкина. Недостатки цикла Карно для ПСУ могут быть частично устранены, если отвод теплоты от влажного пара в конденсаторе производить до тех пор, пока весь пар не сконденсируется полностью. Так, вместо компрессоров будут использоваться компактные, потребляющие мало энергии на привод насосы для перемещения воды из конденсатора. Термический КПД Ренкина невысокий, менее выгодный, чем Карно. Но сам цикл Ренкина с учетом условий своего осуществления более экономичен, позволяет существенно снизить траты на сооружение ПСУ. А для увеличения КПД цикла Ренкина предложены другие циклы паросиловых установок (регенеративный цикл, цикл со вторичным перегревом пара). Очень эффективным способом повышения КПД паросиловых установок служит регенерация. В цикле с регенеративным подогревом питательной воды не весь пар, поступающий в турбину, расширяется до конечного давления, а часть его отбирается при некотором промежуточном давлении и направляется в подогреватель, куда одновременно подаётся питательная вода. В регенеративных подогревателях питательной воды конденсат, поступающий после конденсатора турбины, подогревается за счёт теплоты пара, отбираемого из отборов паровой турбины. Пар в этих подогревателях конденсируется и греет воду. Увеличение числа ступеней регенеративного подогрева воды приводит к повышению термического КПД цикла Ренкина. Однако каждая последующая ступень будет регенеративного подогрева вносит все меньший вклад в рост КПД. В мощных современных установках высоких параметров число ступеней регенеративного подогрева достигает десяти. Вопрос о выборе точек отбора пара из турбины в регенеративные смешивающие подогреватели (т.е. о выборе температуры, до которой подогревается вода в каждой из ступеней) является предметом специального анализа. Критерием выбора того или иного распределения регенеративного подогрева по ступеням является обеспечение максимальной экономичности установки, которая в большинстве случаев достигается повышением термического КПД цикла. Число ступеней конечно, КПД цикла следовательно будет различным в зависимости от того, как распределены температуры подогрева между отдельными ступенями. Повышение начального давления пара с целью увеличения термического КПД цикла Ренкина приводит к увеличению влажности пара в последних ступенях паровой турбины, а следовательно и внутренний относительный КПД турбины. Так как это обстоятельство сопряжено с вредными последствиями для работы паровых турбин и ухудшает гидродинамический режим их проточных частей, то для снижения влажности пара в конце расширения применяют так называемый вторичный или промежуточный перегрев пара. В цикле со вторичным перегревом пара весь пар после ЦВД снова направляется в котёл, там перегревается за счёт теплоты топлива, затем поступает в следующий цилиндр турбины. В результате этого влажность в последних ступенях турбины резко уменьшается. При правильно выбранных параметрах вторичного перегрева происходит увеличение термического КПД цикла. В современных паросиловых установках обычно применяется не только однократный, но и двукратный промежуточный перегрев пара. Также следует отметить, что промежуточный перегрев пара в паросиловых установках как средство повышения термического КПД установки аналогичен ступенчатому подводу теплоты в газотурбинных установках. В процессе выработки электроэнергии на теплоэлектростанциях большое количество теплоты передаётся холодному источнику, т.е. охлаждающей конденсатор воде и, таким образом, бесполезно теряется. Но так как промышленность и социальная сфера нуждаются не только в электрической энергии, но и в тепловой, был предложен цикл с совместной выработкой электрической и тепловой энергии, который называется теплофикационным. Так, для производственных и бытовых нужд потребляется значительное количество теплоты в виде горячей воды и пара в разного рода технологических процессах, для отопления зданий и горячего водоснабжения. Для того, чтобы иметь возможность использовать эту теплоту, давление в конденсаторе увеличивают, а значит и увеличивают температуру, при которой конденсируется пар. Это приводит к уменьшению выработки электроэнергии, но дает возможность получения больших количеств теплоты потребителем, хотя и с некоторым сокращением выработки электроэнергии. Однако это выгодно, так как избавляет от необходимости сооружать специальные отопительные котельные, как правило, небольшие, имеющие сравнительно невысокий КПД и поэтому требующие повышенного расхода топлива, а также нерационально использующие теплоту высокого температурного потенциала при сжигании топлива для нагрева низкотемпературного рабочего тела, что невыгодно из-за уменьшения работоспособности системы. Для оценки эффективности теплофикационных циклов вводится понятие коэффициента использования теплоты топлива. Чем ближе к единице значение коэффициента, т.е. чем меньше потери теплоты в котлоагрегате, паропроводе, механических потерь в турбине тем совершеннее установка.

1. Задача 1

1.1. Расчёт цикла Ренкина

Основной цикл паросиловой установки – цикл Ренкина, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 – Схема цикла Ренкина: ПК — паровой котел ПП — пароперегреватель, ПТ — паровая турбина, ЭГ — электрогенератор, ЦН — циркуляционный насос, ПН – питательный насос, К – конденсатор В паровом котле происходит преобразование химической энергии органического топлива в потенциальную энергию пара. Эта энергия преобразуется в механическую работу на рабочих лопатках паровой турбины. В электрогенераторе, который связан с валом турбины, механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Затем отработавший пар покидает цилиндр турбины и подается в конденсатор. При этом пар, покидающий паровую турбину, имеет давление много меньше атмосферного. В конденсаторе пар охлаждается, превращаясь в капли воды, которые затем откачиваются конденсатным насосом. Далее вода подается питательным насосом в котел. Таким образом, цикл замыкается. На рисунке 1.2 изображен цикл Ренкина в диаграмме P-ϑ и T-S. Точка 3 – состояние воды на выходе из конденсатора, линия 3-4 –процесс повышения давления в питательном насосе, 4-5 – подогрев воды в паровом котле, точка 5 – состояние воды при температуре насыщения, 5-6 – процесс парообразования в котле, 6-1 – процесс перегрева пара в пароперегревателе котла. Точка 1 характеризует состояние пара, поступившего в турбину, 1-2 – процесс адиабатного расширения пара в турбине, точка 2 – состояние отработавшего пара, выходящего из турбины, 2-3 – процесс конденсации пара в конденсаторе. Определим состояние пара при: P0=240 бар t0=570 ◦С. Пар находится в перегретом состоянии. Начальное состояние на h-s диаграмме (рисунок 1.3) соответствует пересечению изобары Р0 и изотермы t0. Обозначив данное состояние как точку 1, спроецируем её на ось h. Таким образом находим энтальпию пара h1. Проведя из нее адиабату расширения до изобары P2, получаем точку 2 – состояние отработавшего пара и соответствующую энтальпию пара в конечном состоянии h2. ПК — паровой котел, ПП — пароперегреватель, ПТ — паровая турбина, ЭГ – электрогенератор, ЦН — циркуляционный насос, КН – конденсатный насос,К — конденсатор, ПН – питательный насос, П1, П2 – регенеративные подогреватели питательной воды (смешивающего типа) Эффективным средством повышения КПД и экономичности цикла Ренкина является регенеративный подогрев питательной воды. Подогрев осуществляется паром, отбираемым из промежуточных отборов турбины при расширении в ПТ. Цикл с подогревом воды отборным паром называется регенеративным. Основной поток пара расширяется в турбине и совершает работу. А отборные потоки пара после расширения в турбине отдают теплоту подогреваемой воде. В результате термический КПД регенеративного цикла оказывается выше КПД цикла Ренкина, так как потоки отборного пара направляются непосредственно на подогрев воды, тем самым минуя охлаждение в конденсаторе. Определим расход пара на подогрев питательной воды. Для этого составим тепловые уравнения подогревателей, из которых найдем количество отобранного пара α1 и α2 (коэффициенты отбора в первом и втором подогревателе соответственно). Уравнение теплоты для первого подогревателя [3]: