Цикл Карно для водяного пара

Паротурбинные установки отличаются от двигателей внутреннего сгорания тем, что продукты сгорания топлива являются только промежуточным теплоносителем, а рабочим телом служит пар какой либо жидкости, чаще всего водяной пар.

В паротурбинных установках процесс получения работы происходит следующим образом (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Схема паротурбинной установки

Химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания, которая затем в виде теплоты передается воде и пару в котле 1 и перегревателе 2. Полученный пар направляется в паровую турбину 3, где и происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем обычно в электрическую энергию в электрогенераторе 4. Отработавший пар поступает в конденсатор 5, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом 6 направляется в питательный бак 7, откуда вода забирается питательным насосом 8, сжимается до давления, равного давлению в котле, и подается через подогреватель 9 в паровой котел 1.

Как известно, наиболее совершенным идеальным циклом является цикл Карно. Для насыщенного пара цикл Карно представлен на рис. 12.2. Точка характеризует начальное состояние кипящей воды при давлении . Воде при постоянной температуре и постоянном давлении сообщается удельное количество теплоты , равное теплоте парообразования (процесс 0-1). Полученный сухой насыщенный пар от точки

Рис. 12.2. Идеальный цикл Карно паротурбинной установки

1 расширяется по адиабате на лопатках паровой турбины до давления (процесс 1-2). В этом процессе температура пара снижается до конденсатора и степень сухости уменьшается от = 1 до . Образовавшийся влажный пар со степенью сухости частично конденсируется при постоянной температуре и давлении до точки 3 (процесс 2-3). При этом степень сухости уменьшается до . От пара отводится удельное количество теплоты . От точки 3 конденсат по адиабате сжимается в компрессоре до начального состояния и полностью превращается в кипящую воду.

Паротурбинная установка, работающая по циклу Карно, должна состоять из парового котла (процесс 0-1), парового двигателя (процесс 1-2), конденсатора (процесс 2-3) и компрессора (процесс 3-0). Термический КПД цикла Карно, в котором в качестве рабочего тела используется насыщенный пар, определяется по уравнению

.

Применение перегретого пара в цикле Карно не увеличивает КПД, если пределы температур остаются без изменения. На рис. 12.3 цикл Карно для насыщенного пара изображается пл. 01230, а для перегретого - пл.04530. Из рисунка видно, что КПД обоих циклов одинаковы.

Паросиловые установки работающие по циклу Карно имеют, существенные недостатки, которые делают нецелесообразным их применение. Эти недостатки заключаются в следующем: в процессе

Рис. 12.3. Циклы Карно для паротурбинной установки с

насыщенным и перегретым паром

2-3 конденсация пара осуществляется не полностью, вследствие чего объемы цилиндров компрессора при адиабатном сжатии влажного пара от точки 3 до точки 0 при давлении должен быть весьма значителен. Размеры цилиндра компрессора увеличиваются с возрастанием начального давления пара и уменьшением давления в конденсаторе, т.е. при переходе к более высоким температурным режимам. Кроме того, необходимость осуществления цикла Карно только в области двухфазных состояний не позволяет иметь высокую начальную температуру пара, ограниченную в пределе критической температурой, т.е. не дает возможности получить достаточно большие значения термического КПД цикла.

Главное же заключается в том, что затрачиваемая действительная работа на привод компрессора, значительно больше теоретической из-за наличия в нем больших потерь на трение, увеличивающих действительную работу по сравнению с теоретической более чем на 50%.