В настоящее время поршневые паровые двигатели практически не применяются. Вместо паровозов применяются тепловозы и электровозы. Пароходы были заменены теплоходами. Поршневой паровой двигатель (паровая машина) был успешно вытеснен двигателем внутреннего сгорания. Однако в промышленной (стационарной) теплоэнергетике в основном используются паровые теплосиловые установки, причем большой мощности. Для получения большой мощности в паросиловой установке тепловая машина (двигатель) поршневого типа не подходит. Это связано с периодичностью ее работы. После расширения в цилиндре парового двигателя пар необходимо удалять. При этом тепловая машина получается весьма громоздкой.
Лучшими энергетическими и объемно-массовыми показателями в стационарной теплоэнергетике обладает паросиловая установка на основе паровой турбины. В этом случае пар непрерывно движется через паровую турбину. Через турбину в единицу времени проходит большее количество пара, а поэтому при прочих равных условиях мощность паровой турбины получается больше мощности поршневой паровой машины (двигателя).
Таким образом, современная теплоэнергетика базируется на использовании паровых турбин большой мощности. С помощью паровых турбин на тепловых электростанциях (в том числе и атомных) приводится во вращательное движение якорь генератора, преобразующего энергию из механической формы в тепловую форму. Следовательно, на тепловых электростанциях происходит преобразование энергии по следующей цепочке: химическая энергия топлива превращается в тепловую (в котле), тепловая энергия преобразуется в механическую энергию (в паровой турбине), механическая энергия преобразуется в электрическую энергию (в генераторе).
Одним из факторов, способствующих применению в стационарной теплоэнергетике паровых машин, является то, что в паросиловых машинах можно использовать твердое топливо (уголь, древесину) в отличие от ДВС, в которых используется только жидкое или газообразное топливо
На рис. 11.5. показана схема простейшей паросиловой установки на основе паровой турбины (двигателя).
Перечисленные выше недостатки, присущие паросиловой установке, работающей по циклу Карно на влажном паре, могут быть частично
|
|
|
•4 Л |
|
Вода |
|
|
* |
Вода |
|
КН |
|
ВН |
Рис. 11.5. Простейшая схема паросиловой установки с паровой турбиной
Устранены, если отвод тепловой энергии в конденсаторе производить до тех пор, пока весь пар не перейдет в жидкость. Первым предложил такую паросиловую установку в середине 50-х годов XIX века шотландский ученый и инженер У. Ренкин. (W. Rankin).
В предложенной У. Ренкиным паросиловой установке (рис. 11.5) в паровом котле ПК происходит непрерывное парообразование при давлении Pi и температуре Т\. На индикаторной (рис. 11.6) и тепловой (рис. 11.7) диаграммах этот процесс изображен линией 0-1. Процесс 0-1 является изобарно — изотермическим, так как протекает при постоянных давлении и температуре (pi = idem; 7\ = Idem). Точка 1 расположена на пограничной кривой пара х = 1, т. е. пар, выходящий из парового котла (ПК), является сухим насыщенным. Сухой насыщенный пар из котла (ПК) (рис. 11.5) поступает в паровую турбину (ПТ), в которой расширяется адиабатически. В результате расширения давление и температура пара в турбине понижаются до р2 и Т2. На индикаторной (рис. 11.6) и тепловой (рис. 11.7) диаграммах этот процесс изображен линией 1-2. Процесс 1-2 Осуществляется в области влажного насыщенного пара.
После паровой турбины (ПТ) (рис. 11.5) влажный насыщенный пар поступает в конденсатор (КН), в котором происходит его охлаждение забортной холодной водой. На индикаторной (рис. 11.6) и тепловой (рис. 11.7) диаграммах этот процесс изображен линией 2-3. Процесс 2-3 является изобарно-изотермическим, так как происходит при постоянных давлении и температуре (р2 = idem; Т2 = Idem). Точка 3 расположена на пограничной кривой жидкости х = 0. Это означает, что в конденсаторе (КН) пар полностью конденсируется (переходит в жидкость). Объем, занимаемый жидкостью, значительно меньше объема, занимаемого влажным паром.
Так как рабочее тело (водяной пар) в конденсаторе (КН) полностью перешло в жидкость, то для его возвращения в паровой котел (ПК) не требуется громоздкий компрессор. Вода из конденсатора (КН) поступает обратно в паровой котел (ПК) с помощью водяного насоса (ВН) (рис. 11.5). Так как жидкость почти не сжимаема, то процесс подачи воды из насоса (ВН) в паровой котел (ПК) на индикаторной (рис. 11.6) и тепловой (рис. 11.7) диаграммах показан почти вертикальной прямой 3-4. Так как
|
Р |
К.
|
-К |
||||
|
Pj-idem |
||||
|
1 \ 1 \ |
||||
|
» \ Г 1 |
—i / И |
|||
|
ВI |
! » \ ♦ \ 1 |
|||
|
4 |
Jff 1 V-P2- |
% t Idem \ |
||
|
Ру |
3 |
I 2 |
—-V |
|
|
|х = 0| |
Ч |
|
Паровой котёл Область перегретого пара |
|
Pi |
|
Паровая турбина |
|
Р2 |
|
Конденсатор \ |
|
J-L ? vm2 |
|
ТЗ |
Рис. 11.6. Индикаторная диаграмма Рис. 11.7. Тепловая диаграмма пароси — паросиловой установки, работающей по ловой установки, работающей по циклу циклу Ренкина Ренкина
Вода, поступающая в паровой котел (ПК) из водяного насоса (ВН), имеет температуру, меньшую температуры кипения при давлении pi (te2 < то в котле она нагревается до температуры кипения Ta 1. Процесс нагрева воды в паровом котле (ПК) до температуры кипения изображен линией 4-0 (рис. 11.6 и 11.7). В точке 0 цикл замыкается.
С точки зрения термического КПД цикл Ренкина является менее выгодным, чем цикл Карно, представленный на рис. 11.3, поскольку степень заполнения цикла (равно как и средняя температура рабочего тела при подводе тепловой энергии) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем в цикле Карно. Это обусловлено тем, что в цикле Ренкина часть тепловой энергии затрачивается в котле на нагрев жидкости до температуры кипения Ta 1 при давлении pi (процесс 4~0\ Рис-116 и 11.7). Только в процессе 0-1 подводимая к кипящей жидкости тепловая энергия расходуется на парообразование.
Однако с учетом реальных условий протекания цикла и значительно меньшего влияния необратимости процесса сжатия воды в насосе по сравнению со сжатием влажного пара в компрессоре на общий КПД цикла экономичность паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, выше экономичности соответствующей паросиловой установки, работающей по циклу Карно. Вместе с тем замена громоздкого компрессора для сжатия влажного пара компактным водяным насосом позволяет существенно снизить затраты на сооружение промышленной теплосиловой установки и упростить ее эксплуатацию.
Благодаря отмеченным выше обстоятельствам внутренние абсолютные КПД сравниваемых циклов будут примерно одинаковы.
Теоретически термический КПД цикла Ренкина можно сделать равным термическому КПД цикла Карно с помощью регенерации тепловой энергии. Для этого в паровой турбине расширение пара следует осуществлять
не по адиабате 1-2 (рис. 11.8), а по политропе 1-4. При таком расширении в паровой турбине от водяного пара можно отвести часть тепловой энергии в теплообменник (тепловой аккумулятор). Отведенная в теплообменнике тепловая энергия эквивалентна площади фигуры L-2F-4’~4• Далее в конденсаторе в процессе осуществляется полная конденсация пара (он переходит в жидкость). В процессе 3-5 (крайние точки почти совпадают) жидкость с помощью насоса подается в паровой котел. При этом отобранную в процессе расширения пара тепловую энергию возвращают обратно жидкости в процессе нагрева 5-0. Площадь фигуры 0-0/-9>-5 эквивалентна количеству тепловой энергии, затраченной на нагрев воды до температуры кипения tei. Площади фигур 0-0—St-5 и 1-2! -4’~4 одинаковы.
На практике осуществить такую идеальную регенерацию не удается, однако в несколько ином виде регенеративный подогрев воды применяется очень широко и позволяет существенно увеличить КПД реального цикла, осуществляемого в паросиловой установке.
Следует заметить, что при температуре, превышающей критическую (для воды TKР = 374.15°С, что соответствует давлению ркр = 22.1 МПа), цикл на насыщенном паре вообще невозможен. Поэтому цикл насыщенного пара (регенеративный) применяется в основном в атомной энергетике, где перегрев пара выше температуры насыщения связан с определенными трудностями.