Идеальные циклы паросиловых установок

Прямой цикл теплового двигателя
Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q₂, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q₁-Q₂, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины
При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие - при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q₁ и передает нагревателю большее количество теплоты Q₂.

Коэффициент полезного действия
Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно
В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.
На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре.
Циклы холодильных установок..
Принципиальная схема паросиловой установки
Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Принципиальная тепловая схема паросиловой установки
В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p1, t1, i1, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p2 с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.
В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р2 и температуре t2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.
На рис. 8.2 приведена схема паровой турбины. Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве двигателей электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, насосов.

Рис. 8.2. Схема одноступенчатой турбины активного типа
Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору.
Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловый аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловый аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа - проточную часть турбины.
Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов.
В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных - в соплах и в каналах рабочих лопаток.
8.2.Цикл Ренкина
В паросиловых установках применяют цикл Ренкина. В цикле Ренкина охлаждение влажного пара в конденсаторе производится до превращения его в воду.
Различают цикл Ренкина с сухим насыщенным паром и с перегретым паром (рис. 8.3). В цикле Ренкина с сухим насыщенным паром сухой насыщенный пар с параметрами p1, T1, i1 поступает из парового котла в турбину (точка 1 на рис. 8.3), где адиабатно расширяется от давления p1 до давления p2 (точка 2). После турбины влажный насыщенный пар с параметрами p2, T2, i2 поступает в конденсатор, где полностью конденсируется при постоянных давлении и температуре (точка 3). Питательная вода с помощью насоса сжимается до давления p1, равного давлению в паровом котле, и подаётся в котёл (точка 4). Параметры воды на входе в котёл – p1, T2, i4. В паровом котле питательная вода смешивается с кипящей водой, нагревается до температуры кипения и испаряется

Рис. 8.3. Цикл Ренкина
Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:
4′-1 – процесс парообразования в котле при постоянном давлении;
1-2 – процесс адиабатного расширения пара в турбине;
2-3 – процесс конденсации влажного пара в конденсаторе с отводом теплоты с помощью охлаждающей воды;
3-4 – процесс адиабатного сжатия воды в насосе от давления p2 до давления p1;
4-4’ – процесс подвода теплоты к воде при давлении p1 в паровом котле до соответствующей этому давлению температуры кипения.
Термический к. п. д. цикла .  (8.1)
Теплота q1 в цикле подводится в процессах: 4-4’ – подогрев воды до температуры кипения в котле; 4′-1 – парообразование в котле. Для 1 кг пара q1 в изобарном процессе равно разности энтальпий конечной (точка 1) и начальной (точка 4) точек процесса подвода тепла: .
(8.2)
Отвод теплоты q2 происходит в конденсаторе по изобаре 2-3, следовательно .
(8.3)
Подставив (8.2) и (8.3) в (8.1), получим .
(8.4)
Так как i3≈i4, можно записать .
(8.5)
Термический к. п. д. цикла Ренкина меньше термического к. п. д. цикла Карно при одинаковых начальных и конечных параметрах пара, так как в цикле Карно теплота q1 затрачивается только на процесс парообразования (то есть q1≈r), а в цикле Ренкина она затрачивается как на парообразование, так и на подогрев питательной воды в процессе 3-4. Поэтому для паросиловых установок в заданном температурном интервале термодинамически наиболее выгодным циклом мог бы быть цикл Карно. Однако его осуществление связано с большими трудностями. Цикл Карно относительно проще было бы осуществить в области влажного пара. Это объясняется тем, что в области влажного пара изотермические процессы совпадают с изобарными и могут быть реально осуществлены в котле и конденсаторе. Однако в цикле Карно конденсация пара в изотермическом процессе происходит не полностью, вследствие чего в последующем адиабатном процессе сжимается не вода, как в цикле Ренкина, а влажный пар, имеющий относительно большой объем.

Циклы холодильных установок