Анализ возможности практической реализации цикла Карно в области влажного насыщенного водяного пара

ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Паровые тепловые машины были первыми тепловыми двигателями, монопольно обеспечившими развитие промышленности XVIII века.Все это были поршневые паровые машины.

Паровая поршневая машина имеет ограничение по мощности, поскольку мощность поршневой машины пропорциональна объему ее цилиндра. Первая паровая турбина появилась в Англии в 1885 году, это была турбина Персонса мощностью в 6 лошадиных сил (4,5 кВт). Данный тип двигателя оказался настолько удачен, что успешно используется человеком в большой и малой энергетике уже третий век. Мощность паротурбинного двигателя не имеет технического ограничения, связанного с его размерами. Уже в 1913 году была построена в Англии паровая турбина в 34000 л.с. (25000 кВт). В Р. паровая турбина построена в 1904 году на Петербур. Современные энергетические паровые турбины достигают мощности 3000 МВт. Рассмотрим и проанализируем термодинамическую эффективность современных циклов паротурбинных установок (ПТУ).

Анализ возможности практической реализации цикла Карно в области влажного насыщенного водяного пара

Паротурбинный цикл Карно (схема установки на рис. 7.1) теоретически можно реализовать в области влажного насыщенного пара. В этой области изотермы водяного пара одновременно являются изобарами (рис. 7.2). Значение нижней температуры Т₂ в цикле ПТУ близко к температуре окружающей среды (Т₂=Т_ос) поскольку охлаждение рабочего тела в ПТУ осуществляется водой рек, прудов охладителей и т.п. Следовательно термический КПД данного цикла в основном определяется температурой горячего источника теплоты Т₁.

.

Максимальное значение Т₁=Т_кр, т.к. при больших значениях Т₁ практически осуществить изотермический подвод теплоты к водяному пару технически очень сложно.

При критическом значении температуры Т₁=646 К и Т₂=293 К КПД цикла Карно равен 54,7%. Это большое значение КПД, по сравнению с современными ПТУ. Однако в этом случае получается парадокс – при большом КПД работа цикла равна нулю, а цикл Карно в Т,s- диаграмме вырождается в вертикальную прямую. В таком цикле работа расширения пара в турбине равна работе сжатия пара в компрессоре и КПД цикла не может отражать его экономичность. При меньших значениях температуры Т₁<Т_кр работа цикла Карно больше нуля, однако и в этом случае имеется ограничение по температуре Т₁, вызванное необходимостью иметь влажность пара на выходе из паровой турбины не более 12 % (х_к.доп=0,88). При больших влажностях пара происходит быстрое разрушение последних ступеней турбины. Если выполнить это ограничение по Т₁=Т_1доп, КПД цикла Карно будет иметь значение 24 %. Это очень низкое значение КПД для современных энергетических установок. Однако практическая реализация и такого цикла Карно в области влажного пара невозможна по причине сложности технической реализации адиабатного сжатия пара в компрессоре с одновременным фазовым переходом пара в жидкость. При переходе пара в жидкость в таком процессе происходит резкое уменьшение объема воды, что приведет к гидравлическим ударам в компрессоре и его разрушению.

Исходя из вышеприведенного анализа следует, что практическая реализация цикла Карно в области влажного насыщенного пара технически невозможна и нецелесообразна.