Официальный сайт — mrsk-1.ru где ηе = ηе․ηoe — эффективный кпд установки. При прочих равных условиях эффективность преобразования теплоты в работу зависит от температуры, при которой эта теплота передаётся рабочему телу. Максимальная работа, которая может быть получена за счёт некоторого количества теплоты Q, отбираемого при температуре T1 при заданной температуре среды Т0, называется работоспособностью, или эксергией la этой теплоты, то есть
Из формулы (3), в частности, видим, что при T1 = T0 эксергия теплоты равна нулю.
В наиболее полном варианте установки, преобразующие теплоту в механическую работу (теплосиловые установки), включают: рабочее тело, осуществляющее замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл); системы подвода теплоты к рабочему телу от какого-либо источника тепловой энергии; одну или несколько машин, воспринимающих работу рабочего тела или отдающих ему работу; систему отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду. По способу передачи теплоты к рабочему телу различают установки с внешним подводом (теплота подводится к рабочему телу от внешнего источника в теплообменнике) и установки с внутренним подводом (рабочее тело — продукты сгорания топлива).
Тепловые электростанции. Основу современной Т. (1975) составляют теплосиловые установки паротурбинных электростанций, которые состоят из Котлоагрегата и паровой турбины (См. Паровая турбина) (так называемые паросиловые установки (См. Паросиловая установка)). В СССР на таких электростанциях в 1975 было выработано более 80% всей электроэнергии. В крупных городах чаще всего строятся теплофикационные электростанции (См. Теплофикационная электростанция) (ТЭЦ), а в районах с дешёвым топливом — конденсационные электростанции (См. Конденсационная электростанция) (КЭС).
Отличие ТЭЦ от КЭС состоит в том, что ТЭЦ отдаёт потребителю не только электроэнергию, но и теплоту с сетевой водой, нагретой в бойлерах до 150—170 °С. Сетевая вода по магистральным теплопроводам подаётся в жилые массивы и далее либо непосредственно, либо через промежуточные теплообменники направляется на отопление и горячее водоснабжение. Турбины ТЭЦ помимо регенеративных отборов пара имеют один или несколько регулируемых теплофикационных отборов. Такая турбина работает по графику теплового потребления, и в наиболее холодное время года пропуск пара в конденсатор практически равен нулю. Отопление от ТЭЦ экономичнее, чем от индивидуальных и даже центральных котельных, так как на ТЭЦ сетевая вода подогревается отработавшим паром, температура (а значит, и эксергия) которого лишь немногим выше температуры сетевой воды. В котельных для повышения экономичности используется теплота при максимальной температуре горения топлива.
Упрощённая принципиальная схема конденсационной паротурбинной электростанции изображена на рис. В топке котлоагрегата сжигается топливо (уголь, мазут или природный газ). Необходимый для сгорания воздух, предварительно нагретый уходящими из котлоагрегата газами в рекуперативном воздухоподогревателе, подаётся в топку дутьевым вентилятором. Продукты сгорания отдают свою теплоту также воде и водяному пару в различных элементах котлоагрегата и с температурой 130—150 °С через золоуловитель поступают в дымосос, который выбрасывает их в дымовую трубу. Рабочее тело, преобразующее теплоту в механическую работу, — водяной пар. Перегретый водяной пар поступает из пароперегревателя и направляется в паровую турбину. Давление пара перед турбиной на крупных электростанциях достигает 35 Мн/м2 при температуре 650 °С. В турбине пар поступает через неподвижные сопла в каналы, образованные криволинейными лопатками, закрепленными по окружности ротора, и, отдавая свою энергию, приводит ротор во вращение. Механическая энергия ротора турбины преобразуется в электроэнергию в электромеханическом генераторе. Паровая турбина чаще всего выполняется в двух или трёх корпусах. Пар, поступающий из первого корпуса турбины во второй, иногда вновь направляется в парогенератор для промежуточного перегрева в пароперегревателе. Отработав в турбине, пар конденсируется в конденсаторе, в котором поддерживается давление 0,003—0,005 Мн/м2 и температура 25—29 °С. Полученный конденсат насосом подаётся в систему регенеративных подогревателей (где подогревается до 230—260 °С за счёт теплоты пара, отбираемого из турбины), а затем насосом — в экономайзер. После экономайзера вода поступает в барабан котла, а из него в размещенные на стенах топки экранные трубы, в которых происходит частичное испарение воды и из которых образовавшаяся пароводяная смесь возвращается в барабан, где насыщенный пар отделяется от воды и направляется в пароперегреватель и далее в турбину, а вода возвращается в экранные трубы. Для генерации пара сверхкритических параметров (давлением свыше 24 Мн/м2) используют прямоточные котлы (См. Прямоточный котёл).
Охлаждающая вода подаётся в конденсатор из естественных или искусственных водоёмов и, нагревшись в конденсаторе на несколько градусов, сбрасывается в этот же водоём. В конечном итоге температура охлаждающей воды возвращается к прежнему уровню за счёт испарения некоторой её части. При отсутствии достаточно больших водоёмов охлаждающая вода циркулирует в замкнутом контуре, отдавая теплоту воздуху в испарительных охладителях башенного типа — Градирнях. В районах с недостатком воды применяют так называемые сухие градирни (градирни Геллерта), в которых охлаждающая вода отдаёт теплоту воздуху через стенку теплообменника.
Одна из основных тенденций развития тепловых электростанций — увеличение мощности единичных агрегатов (парогенераторов и паровых турбин), что позволяет быстрыми темпами наращивать энерговооружённость народного хозяйства. В СССР (1976) на КЭС осваиваются энергетические блоки мощностью 800 Мвт (сооружается блок мощностью 1200 Мвт), а на ТЭЦ — 250 Мвт.
На газотурбинных электростанциях теплосиловая установка представляет собой Газотурбинный двигатель (ГТД). В камеру сгорания ГДТ подаётся топливо (природный газ или мазут) и сжатый в компрессоре до нескольких Мн/м2 воздух. Сгорание топлива ведётся при больших коэффициентах избытка воздуха (2—4), что снижает температуру продуктов сгорания, которые направляются в газовую турбину (См. Газовая турбина). После турбины продукты сгорания либо отдают в регенераторе часть своей теплоты воздуху, направляемому в камеру сгорания, либо (в упрощённых схемах) сбрасываются в дымовую трубу. Механическая энергия ротора турбины в электромеханическом генераторе превращается в электрическую энергию и частично расходуется на привод компрессора. Газотурбинные электростанции применяются для энергоснабжения магистральных газопроводов (где есть горючий газ под давлением) и в качестве пиковых электростанций для покрытия нагрузок в часы «пик». К середине 70-х гг. суммарная мощность газотурбинных электростанций (См. Газотурбинная электростанция) в мире превысила 2,5 Гвт.
Перспективны парогазотурбинные установки (См. Парогазотурбинная установка) (ПГУ), в которых осуществляется комбинированный цикл газо- и паротурбинной установок. В зависимости от тепловой схемы различают: ПГУ, в которых пар давлением 0,6—0,7 Мн/м2 из высоконапорного парогенератора направляется в паровую турбину, а продукты сгорания — в газовую турбину, служащую для привода воздушного компрессора и электромеханического генератора; ПГУ, у которых горячие отходящие газы газотурбинной установки поступают в топку парового котла для повышения в ней температуры или же которые служат для подогрева питателя воды в экономайзере котла. В ПГУ по сравнению с паротурбинными установками (тех же мощности и параметров) удельный расход теплоты на 4—6% меньше.
На дизельных электростанциях (ДЭС), в отличие от тепловых и атомных электростанций, электромеханические генераторы приводятся во вращение не турбинами, а двигателями внутреннего сгорания — дизелями (См. Дизель). ДЭС служат для снабжения электроэнергией районов, которые удалены от линии электропередачи и где невозможно сооружение тепловых или гидроэлектрических станций. Мощность отдельных стационарных дизельных электростанций (См. Дизельная электростанция) превышает 2,2 Мвт.
Атомные электростанции (АЭС). В подавляющем большинстве АЭС паротурбинные. От тепловых электростанций они отличаются тем, что вместо парогенератора с топкой они имеют Ядерный реактор, в котором энергия деления ядер урана превращается в теплоту, отдаваемую теплоносителю первого контура, чаще всего воде. В теплообменнике (парогенераторе) этот теплоноситель передаёт теплоту рабочему телу (воде) второго энергопроизводящего контура, в результате чего рабочее тело (вода) испаряется, а полученный водяной пар направляется в паровую турбину. В некоторых случаях, в частности когда реактор охлаждается жидким металлом, между первым и вторым контуром из соображений безопасности вводится ещё один промежуточный контур с каким-либо теплоносителем.
Первая в мире АЭС (мощность 5000 квт) была построена в СССР в 1954. В 1964 суммарная мощность АЭС в мире составила 5 Гвт, а в 1974 — около 40 Гвт. По прогнозам к 1980 в мире на АЭС будет вырабатываться около 10% всей электроэнергии. Изменение структуры энергетического баланса в пользу АЭС определяется тем, что, хотя стоимость установленного квт на АЭС примерно на 80% выше, чем на др. тепловых электростанциях, расчётные затраты на производство электроэнергии примерно одинаковы. В дальнейшем следует ожидать повышения стоимости химического топлива, что сделает АЭС экономически более выгодными.
Транспортные теплосиловые установки. На автомобильном транспорте в качестве двигателей применяются главным образом теплосиловые установки — поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС) с внешним смесеобразованием (карбюраторные двигатели) и с внутренним смесеобразованием (дизели). В ПДВС рабочим телом служат продукты сгорания топлива. В рабочем цилиндре ПДВС осуществляются все процессы, необходимые для преобразования теплоты в механическую энергию: в цилиндр засасывается топливовоздушная смесь; здесь же эта смесь сгорает; образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, совершают полезную работу, отдаваемую через поршень внешним механическим устройствам; продукты сгорания поршнем же выталкиваются из цилиндра в атмосферу. Различие ПДВС прежде всего определяется разными термодинамическими циклами и, как следствие, проявляется в различном конструктивном оформлении. На железнодорожном транспорте до середины 20 в. основным двигателем была Паровая машина — поршневая машина, работающая па водяном паре, генерируемом в отд. паровом котле. В 70-х гг. основу локомотивного парка всех промышленно развитых стран составляют Тепловозы (локомотивы, оснащенные мощным дизелем) и Электровозы. Перспективны Газотурбовозы. В судовой энергетике используют все перечисленные выше виды теплосиловых установок — от небольших автомобильных двигателей до паротурбинных установок мощностью в десятки Мвт. В авиации для приведения в движение летательных аппаратов служат следующие тепловые двигатели: поршневые авиационные двигатели (См. Авиационный двигатель), передающие механическую энергию на воздушный винт: турбовинтовые двигатели (См. Турбовинтовой двигатель), основная тяга которых создаётся воздушным винтом, а дополнительная тяга (8—12%) — в результате истечения продуктов сгорания; реактивные двигатели (См. Реактивный двигатель), тяга которых возникает при истечении с большой скоростью рабочего тела (продуктов сгорания топлива) из реактивного сопла (см. также Турбореактивный двигатель, Жидкостный ракетный двигатель, Ракетный двигатель).
Установки прямого преобразования тепловой энергии. Рассмотренные выше теплосиловые установки преобразуют теплоту в механическую энергию, которая на электростанциях превращается в электроэнергию с помощью электромеханических генераторов либо затрачивается на движение в двигательных установках. Однако возможно непосредственное преобразование теплоты в электроэнергию с помощью так называемых установок прямого преобразования энергии. Наиболее перспективны установки с магнитогидродинамическим генератором (МГД-генератором). Термодинамический цикл электростанции с МГД-генератором, работающим на продуктах сгорания органического топлива, аналогичен циклу газотурбинной установки. В камеру сгорания подаются топливо и сжатый воздух, предварительно подогретый до возможно более высокой температуры либо обогащенный кислородом. Это необходимо, чтобы тем или иным способом получить теоретическую температуру горения топлива — около 3000 К. При такой температуре продукты сгорания, к которым добавляют некоторое количество ионизирующейся добавки — щелочной металл (чаще всего калий), переходят в состояние плазмы (См. Плазма) и становятся достаточно электропроводными. В канале МГД-генератора кинетическая энергия плазмы непосредственно преобразуется в электроэнергию в результате взаимодействия потока плазмы с неподвижным магнитным полем МГД-генератора. После генератора продукты сгорания тем или иным способом охлаждаются, очищаются от ионизирующейся присадки и сбрасываются в дымовую трубу. Мощность отдельных МГД-генераторов на продуктах сгорания составляет несколько десятков Мвт (1975). Так как температура газов после генератора очень велика (более 2000 К), рационально использовать МГД-установку в комплексе с обычной паротурбинной станцией. В этом случае теплота, отбираемая от газов, идёт на производство пара для паротурбинной установки. Кпд такой комбинированной установки может достигать 50—60%. Такое повышение кпд очень важно также с точки зрения уменьшения тепловых выбросов электростанций в окружающую среду. Так, если принять, что кпд тепловой электростанции составляет около 40%, то при увеличении кпд до 60% количество сбрасываемой теплоты уменьшится примерно в 2,3 раза (при одинаковой электрической мощности станций).
Для малых энергетических установок специального назначения, например для бортовых источников электроэнергии космических кораблей, разрабатываются и находят применение термоэлектрические и термоэмиссионные установки прямого преобразования энергии. Термоэлектрический генератор (ТЭГ) состоит из двух полупроводниковых термоэлементов с разным типом проводимости — электронной и дырочной. С одного торца эти элементы соединяются между собой коммутационной пластиной, а к свободным их торцам присоединяются электрические контакты для подключения к внешней цепи. Если торцы (спаи) элементов поддерживать при различной температуре, то возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности температур торцов. Когда цепь термоэлементов замкнута на внешнее сопротивление, в ней возникает электрический ток, при протекании которого в горячем спае начнёт поглощаться теплота, а в холодном — выделяться. Если пренебречь джоулевыми потерями в цепи (см. Джоуля-Ленца закон (См. Джоуля — Ленца закон)) и перетоком теплоты теплопроводностью от горячего спая к холодному, то кпд термоэлемента окажется равным кпд цикла Карно для температур, соответствующих температурам спаев. Действительные значения кпд термоэлементов и составленных из них ТЭГ существенно меньше и достигают при разностях температур между спаями в 400—500 К в лучшем случае нескольких процентов. Этим, а также высокой стоимостью самих термоэлементов объясняется малая распространённость ТЭГ, несмотря на их крайнюю простоту и отсутствие каких-либо движущихся частей.
Простейший термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП) аналогичен двухэлектродной электронной лампе (Диоду). Если катод и анод лампы поддерживать при разных температурах, подводя к катоду теплоту и отводя её от анода, то электроны, вылетающие из катода в результате термоэлектронной эмиссии, устремятся к аноду, заряжая его отрицательно. Если анод и катод во внешней цени соединить через какое-либо сопротивление, то за счёт разности потенциалов во внешней цепи пойдёт ток. Если пренебречь необратимыми потерями, кпд ТЭП также близок к кпд соответствующего цикла Карно. Реальный же кпд ТЭП не более 7—8%, прежде всего из-за больших потерь теплоты излучением между катодом, имеющим температуру около 2000 К, и анодом — около 1000 К. ТЭГ и ТЭП представляют интерес в сочетании с ядерными источниками теплоты, образуя полностью статичные автономные источники электроэнергии.
Лит.: Фаворский О. Н., Установки для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, М., 1965; Алексеев Г. Н., Преобразование энергии, М., 1966; Рыжкин В. Я,, Тепловые электрические станции, М.—Л., 1967; Маргулова Т. Х., Атомные электрические станции, 2 изд., М., 1974; Магнитогидродинамический метод получения электроэнергии, в. 3, М., 1972.
В. А. Кириллин, Э. Э. Шпильрайн.
Схема конденсационной паротурбинной электростанции: 1 — топка котлоагрегата; 2 — экранные трубы; 3 — пароперегреватель; 4 — барабан котлоагрегата; 5 — пароперегреватель для промежуточного перегрева; 6 — экономайзер; 7 — воздухоподогреватель; 8 — паровая турбина; 9 — генератор; 10 — конденсатор; 11 — конденсатный насос; 12 — регенеративный подогреватель; 13 — питательный насос; 14 — вентилятор; 15 — золоуловитель; 16 — дымосос; 17 — дымовая труба.
ежемесячный научно-технический журнал, орган АН СССР, Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике и центрального правления научно-технического общества энергетики и электротехнической промышленности. Издаётся в Москве с 1954. «Т.» — ведущий журнал в области большой энергетики. Публикует материалы о тепловых и ядерных электростанциях, парогенераторах, паровых и газовых турбинах. Освещает вопросы автоматизации и применения вычислительной техники в тепловой энергетике, вопросы теории горения, водоподготовки, теплофикации, тепло- и массообмена и др. Переиздаётся на английском языке в Великобритании и США. Тираж (1976) 10,1 тысяч экземпляров.
Теплоэнергетика
теплоэнерге́тикаотрасль энергетики, вырабатывающая теплоту и преобразующая её в другие виды энергии. Основой теплоэнергетики являются тепловые электростанции (ТЭС), использующие органическое топливо (преимущественно уголь, газ). Напр., в России они вырабатывают 66.5 % всей электроэнергии (583 из 878 млрд. кВт·ч в 2000 г.), их установленная мощность (147 млн. кВт) составляла в 2000 г. 69 % от мощности всех электростанций по стране. Кроме того, в 2000 г. ими отпущено потребителям 661 млн. Гкал тепла. По прогнозам специалистов, в ближайшие 20–30 лет ТЭС останутся основными производителями электроэнергии, несмотря на то что их доля несколько уменьшится за счёт увеличения мощности атомных электростанций (АЭС).Подавляющая часть ТЭС (теплоэнерге́тика 80 %) вырабатывает электроэнергию с помощью паротурбинных установок, состоящих из котлоагрегата, паровой турбины и электрогенератора. В крупных населённых пунктах чаще всего строят теплофикационные электростанции или теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), снабжающие потребителей не только электроэнергией, но и теплом, а вблизи мест с дешёвым топливом – конденсационные электростанции (КЭС), предназначенные для выработки только электроэнергии. К тепловым электростанциям можно отнести также АЭС, большинство из них работают по паротурбинному циклу и отличаются от тепловых наличием ядерного реактора вместо котлоагрегата. Газотурбинные электростанции, генераторы которых приводятся в действие газовыми турбинами, и парогазотурбинные установки, представляющие собой комбинацию газо – и паротурбинных установок, также являются тепловыми электростанциями. К теплосиловым электроэнергетическим установкам относятся и дизельные электростанции с приводом электрогенератора от дизеля. Теплосиловые установки – тепловые двигатели – широко используют и на транспортных средствах: на автомобилях – двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные); на железнодорожном транспорте – паровые машины (паровозы), дизели (тепловозы), газотурбинные установки (газотурбовозы) и т. п.; в судовой энергетике – от двигателей внутреннего сгорания мощностью несколько киловатт до ядерных силовых установок мощностью в десятки и сотни мегаватт. Теплоэнергетика также решает вопросы создания и использования устройств прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. К таким устройствам относятся магнитогидродинамический генератор, солнечные батареи, термоэмиссионный преобразователь энергии и др.
Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн.
.
Смотреть что такое «теплоэнергетика» в других словарях
На современном этапе развитие человеческой цивилизации невозможно без широкого использования энергии. Энергетика – это отрасль народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, производство, преобразование, передачу и использование различных форм энергии. Основными формами применяемой в настоящее время энергии являются теплота и электричество.
Многообразие форм существования энергии, свойство их взаимопревращения позволяют использовать для производства и потребления энергии различные топливно-энергетические ресурсы и энергоносители, определяют их взаимозаменяемость. Понимание единства и эквивалентности разных форм энергии сложилось к середине XIX века, когда был накоплен большой опыт преобразования одних форм энергии в другие. Естественным обобщением огромного объема накопленных данных по преобразованию одних форм энергии в другие явился закон сохранения и превращения энергии – один из основных фундаментальных законов природы (см. вторую книгу).
Потребность в преобразовании энергии связана с необходимостью применения конкретных форм энергии (главным образом теплоты и электроэнергии) в современных технологических процессах при достаточно большом разнообразии первичных энергоресурсов для их получения. При этом даже эти два вида энергии применяются в различных формах: теплота – в виде пара, нагретых газов и воды при разных значениях температуры, а электрическая – в виде переменного или постоянного тока и при разных уровнях напряжения.
Первичными источниками тепловой энергии в основном были и остаются органические топлива (уголь, природный газ, нефть, горючие сланцы и др.). Анализ всех взаимосвязей между источниками энергии (энергоресурсами), тепловой энергией и устройствами для получения работы (электроэнергии) относится к сфере теплоэнергетики. Теплоэнергетика – отрасль энергетики, занимающаяся преобразованием теплоты в другие виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Предметом изучения теплоэнергетики являются термодинамические циклы и схемы энергоустановок, степень их совершенства, вопросы горения топлива, теплообмена, теплофизические свойства рабочих тел и теплоносителей и др.
Преобразование энергии осуществляется в различных машинах, аппаратах и устройствах. В энергетике в основном используются пять видов установок: генерирующие, преобразующие, аккумулирующие, транспортирующие и потребляющие.
Техническую основу современной теплоэнергетики составляют тепловых электростанций (ТЭС), которые состоят из котлоагрегатов и паровых турбин (рис.1.1).
Над совершенствованием установок, преобразующих тепловую энергию в электрическую, работают более 100 лет. Энергетическая ценность энергоресурсов, эффективность их использования, степень совершенства процессов и установок, технологических стадий энергетического производства определяются коэффициентом полезного действия (к.п.д.) энергоустановки. К.п.д. большинства угольных тепловых электростанций в мире составляет менее 35 – 40%, максимально достигнутый – 45%; на ПГУ и ГПУ – в среднем менее 50%, максимально достигнутый – 60%.
Установки, в которых преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется без электромеханических генераторов, называются установками прямого преобразования энергии. К ним относятся магнито-гидродинамические генераторы (МГДГ), термоэлектрические генераторы (ТЭГ), термоэмиссионные преобразователи энергии (ТЭмП).
Понятие о к.п.д. цикла преобразования теплоты в механическую энергию
Преобразование теплоты в механическую энергию в теплосиловых установках основано на способности газоили парообразного тела совершать механическую работу при изменении его объёма. Газоили парообразное тело, способное совершать механическую работу при изменении его объёма, называется. При этом рабочее тело (газ или пар) должно совершить замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или нескольких источников теплоты отбирается определённое количество теплотыи одному или нескольким источникам теплоты отдаётся количество теплоты , меньшее . При этом разность –превращается в механическую работуОтношение полученной работы к затраченной теплоте называется термическим к.п.д. этого цикла:
В простейшем случае цикл может быть осуществлён при одном источнике теплоты с температурой1, отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с температурой2, воспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервале1–2 ксреди всех возможных циклов имеет цикл Карно, т. е. к= =1–/. К.п.д., равный 1, т. е. полное превращение теплотыв работу, возможен либо при=, либо при=0. Оба эти условия нереализуемы. В земных условиях температурадля теплоэнергетических установок должна в лучшем случае приниматься равной температуреокружающей среды (воздуха или водоёмов). Получить источник теплоты с температурой<можно лишь с помощью холодильной машины, которая для своего действия требует затраты работы.
Процессы, протекающие в реальных установках, преобразующих теплоту в другие виды энергии, сопровождаются различными потерями, в результате чего получаемая действительная работа оказывается меньше теоретически возможной работы Отношение этих работ называется относительным эффективным к.п.д.установки, т.е.
Из формул (1.1) и (1.2) получаем
где =·— установки.
Рис. 1.1. Общая схема тепловой электростанции на угле
При прочих равных условиях эффективность преобразования теплоты в работу зависит от температуры, при которой эта теплота передаётся рабочему телу. Максимальная работа, которая может быть получена за счёт некоторого количества теплоты, отбираемого при температурепри заданной температуре среды , называется работоспособностью, или эксергией этой теплоты, т. е.
Из формулы (1.3), в частности, видим, что при=эксергия теплоты равна нулю.
В наиболее полном варианте установки, преобразующие теплоту в механическую работу (например паросиловые установки), включают: рабочее тело, осуществляющее замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл); системы подвода теплоты к рабочему телу от источника тепловой энергии; одну или несколько машин, воспринимающих работу рабочего тела или отдающих ему работу; системы отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду. По способу передачи теплоты к рабочему телу различают установки с внешним подводом (теплота подводится к рабочему телу от внешнего источника в теплообменнике) и установки с внутренним подводом (рабочее тело – продукты сгорания топлива).
Пар и его основные параметры. Назначение пара в энергетике
Рабочим телом, преобразующим теплоту в механическую работу в теплосиловых установках, является пар или газ. Пар – газообразное состояние вещества в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твердой фазами того же вещества.
Принципиального различия между газом и паром нет. При достаточно высокой температуре и низких давлениях, например в продуктах сгорания топлива, пар, как и газ, по своим свойствам приближается к идеальному газу и подчиняется законам идеальных газов. Таким образом, водяной пар наряду с твердой и жидкой фазами является одной из форм существования воды в природе. Водяной пар используется в качестве рабочего тела в паросиловых установках, в качестве теплоносителя в системах вентиляции, теплои водоснабжения, а также используется в технологических целях.
Основные преимущества использования водяного пара как теплоносителя заключаются в следующем:
Поскольку насыщенный пар образуется в котле при условиях равновесия, то присутствующее в нем количество теплоты не превышает сумму энтальпии воды (энтальпия воды – теплота, затраченная на нагревание 1 кг воды от 0°С до температуры насыщения) и теплоты парообразования или испарения (теплота, затраченная на превращение 1 кг воды с температурой насыщения в сухой насыщенный пар). Даже небольшие потери теплоты приводят к конденсации пара. Кроме того, при образовании в котлах насыщенного пара вместе с выходящим паром имеет место вынос воды. Это происходит из-за интенсивного образования пузырей пара при кипении воды. Вынос воды усиливается при высоком содержании растворенных твердых частиц в котловой воде, высоком уровне воды в котле и внезапных чрезмерных расходах пара. Выносимые капельки воды содержат растворенные твердые частицы, которые находились в котловой воде. С повышением давления в котле вынос уменьшается.
Теоретически насыщенный пар является сухим, но на практике он всегда влажный. Степень сухости насыщенного пара равна процентному содержанию чистого пара в пароводяной смеси. При хорошей эксплуатации котла степень сухости может достигать 93% и более. В нагревательных устройствах теплоизолирующие водные пленки значительно влияют на теплопередачу. Поэтому для отпуска конечным пользователям пара высокого качества следует принимать меры по максимальному уменьшению конденсации пара и выноса воды.
Водяной пар обычно получают в котельных агрегатах (паровых котлах) и независимо от назначения, типов, размеров и конструкции котельных агрегатов всегда принципиально одинаковыми способами при постоянном давлении.
Если при некотором давлении воду нагреть до определенной температуры (для воды при атмосферном давлении – 101,325 кПа или 760 мм рт.ст. – эта температура составляет 100°С), то она закипит, т.е. начнется процесс интенсивного парообразования. Будет генерироваться пар, имеющий ту же температуру, что и кипящая вода, но при существенно большем объеме (объем пара при 100°С в 1673 раза больше объема воды при 4°С). Пар над жидкостью в таком состоянии носит название насыщенного пара. В процессе парообразования масса воды будет постепенно уменьшаться, а масса пара – увеличиваться. До тех пор, пока остается некоторое количество воды, температура системы, несмотря на непрекращающийся подвод теплоты, постоянна. Состояние, при котором вода и пар находятся в равновесии, называется , характеризующимся давлением насыщения и температурой насыщения. Моменту, когда последняя капля воды испарилась, соответствует состояние сухого насыщенного пара. Следовательно, сухим насыщенным паром называется пар, не содержащий капель жидкости и получающийся в конце процесса парообразования. Он все еще находится при температуре насыщения. Только после превращения всей воды в пар температура пара может начать повышаться.
Если процесс испарения проводить при давлениях, отличных от атмосферного, то температура испарения изменяется: с ростом давления температура испаряемой воды растет. Влажным насыщенным паром называют смесь сухого пара с каплями влаги, равномерно распределенной во всем объеме пара. В присутствии жидкости происходит образование только насыщенного пара, поэтому влажный пар называют влажным насыщенным. Его можно рассматривать как смесь сухого насыщенного пара с мельчайшими каплями воды, взвешенными в массе пара. Состав влажного пара определяют в массовых долях, для чего вводят понятие степени сухости пара. Под степенью сухости насыщенного пара или под паросодержанием понимают долю сухого пара в 1 кг влажного.
В паропровод можно включить осушитель пара – сепаратор влаги. Важно правильно размещать эти сепараторы. Если сепаратор установлен около котла, то он может высушивать пар до того, как последний начнет поступать в выходной паропровод. Однако вследствие тепловых потерь в трубопроводе после сепаратора и сопутствующей этому конденсации пара он будет поступать к месту использования несколько увлажненным. Если установить сепаратор вблизи места использования, пар будет подаваться на оборудование практически сухим. Конденсат, образующийся в парораспределительных коллекторах и главных паропроводах, следует систематически удалять через спускные устройства.
Воздух заполняет паровой объем (котлов, труб, теплообменников и т.п.), как только подача пара прекращается, так как остающийся в системе пар постепенно конденсируется и создается разрежение. Кроме того, воздух поступает в паровые системы с питательной водой котла. После термической деаэрации некоторое количество кислорода и азота все же остается в питательной воде. Введение химических добавок позволяет связать только кислород. При разложении карбонатов, содержащихся в питательной воде котла, образуется газообразная двуокись углерода. Газы, как правило, не растворяются в воде при температурах, характерных для котлов, они выходят из котла с паром и накапливаются в застойных зонах энергооборудования. Воздух и неконденсирующиеся газы увеличивают термическое сопротивление теплообменных поверхностей, искажают тепловые характеристики и создают неравномерность нагрева поверхностей, а кислород к тому же вызывает в присутствии влаги коррозию. Поэтому следует принимать меры для устранения неконденсирующихся газов в паровых системах за счет качественной водоподготовки и деаэрации.
Чем выше степень влажности пара, тем меньше энергии он содержит в I кг. Например, сухой пар давлением в 0,8 МПа содержит 2769 кДж/кг, при 93% степени сухости и давлении 0,8 МПа – 2626 кДж/кг; при 85% степени сухости и том же давлении – 2462 кДж/кг. Качественная изоляция труб помогает сократить такие потери энергии, а также минимизировать проблемы, связанные с увлажнением пара.
Как отмечалось выше, к моменту испарения всей воды образуется сухой насыщенный пар. Если к сухому насыщенному пару продолжать подводить теплоту при постоянном давлении, температура его будет расти, т.е. пар будет иметь температуру, более высокую, чем температура насыщения при том же давлении, поэтому он называется перегретым паром.
Таким образом, по термодинамическому состоянию различают насыщенный пар и перегретый пар.называют пар, который находится в динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образован.пар имеет температуру выше температуры насыщения при данном давлении.
Состояние пара характеризуется такими термодинамическими параметрами, как давление (Па, МПа), удельный объем (м/кг), температура (°С, К), энтальпия (от греческого «enthalpo» – «нагреваю») (кДж/кг), внутренняя энергия (кДж/кг), энтропия (кДж/кг), степень перегрева и степень сухости.
В зависимости от начальных параметров пара (давления и температуры) на сегодняшний день различают установки низких, средних, высоких, докритических, критических, сверхкритических и суперсверхкритических параметров пара (табл.1.1).
Тепловая энергия пара превращается в механическую в тепловых энергетических установках – паровых машинах и паровых турбинах. Для современной крупной теплоэнергетики практический интерес представляют только паросиловые устновки (ПСУ) на базе паровых турбин. Паровые машины могут быть использованы для когенерационных многотопливных установок небольшой мощности (менее 500 кВт).
В паросиловой установке, работающей на насыщенном паре, можно осуществить цикл Карно, позволяющий в заданных границах температур и получить максимальный к.п.д.
Рассмотрим – диаграмму цикла Кaрно для водяного пара (рис. 1.2), где– абсолютная температура, а– энтропия. Кривая A–K–B является пограничной для системы вода–водяной пар.
Отрезок диаграммы –соответствует процессу подвода тепла при преобразовании воды в водяной пар до получения сухого пара. Поскольку при фазовом переходе не изменяются ни температура, ни давление, то этот процесс является как изотермическим (с температурой), так и изобарным (с давлением ) одновременно.
Отрезок–соответствует адиабатическому расширению пара в паровой турбине. После турбины пар поступает в конденсатор, в котором происходит фазовый переход пара в воду и отводится тепло. Этот процесс (отрезок –) также является изотермическим (с температурой) и изобарным (с давлением ). Процесс–соответствует сжатию в компрессоре. Точкувыбирают таким образом, чтобы сжатие проводилось по адиабате.
Но на практике идеальный цикл Карно для водяного пара неосуществим. Поскольку в точкепроцесс конденсации пара не завершен, удельный объем влажного пара при давлениии температуретак велик, что для его сжатия в компрессоре больших размеров нужно выполнить значительную работу. Поэтому реальная полезная работа цикла Карно будет намного меньше теоретической.
Таблица 1.1 Классификация параметров пара в зависимости от начальных давления и температуры
Чтобы уменьшить расход энергии на сжатие, целесообразно провести конденсацию пара до конца (точка). В этом случае будет сжиматься вода, которая практически не меняет плотности и имеет малый удельный объем. Поэтому выполняемая работа сжатия будет незначительной и пойдет лишь на проталкивание воды до достижения рабочего давления. На отрезке–будет происходить изобарный нагрев воды до температуры . Цикл паросиловой установки с полной конденсацией водяного пара называют. Его к.п.д. меньше теоретического к.п.д. цикла Карно, но именно цикл Ренкина применяется в паросиловых установках современных тепловых и атомных электростанций. В этих установках котел (или парогенератор) вырабатывает перегретый или насыщенный пар, который поступает в паровую турбину. Отработавший пар, имеющий более низкие температуру и давление, конденсируется и возвращается в цикл.
Развитие паровых двигателей начиная с XIX столетия шло в направлении повышения к.п.д. и увеличения быстроходности. Для повышения их к.п.д. стали на путь увеличения рабочего давления пара и применения многократного его расширения. Для этой цели в паровых двигателях стали применять перегретый пар. При этом повышается к.п.д. цикла Ренкина (рис.1.3). Сухой насыщенный пар из парового котла направляется в пароперегреватели для изобарного нагрева при давлении(точкадиаграммы).
Расширение в турбине перегретого пара соответствует адиабате–. Процесс конденсации пара в конденсаторе описывается отрезком–. После конденсатора с помощью питательного насоса давление воды повышается до рабочего практически при постоянном объеме (изохорный процесс–), и она поступает в паровой котел. Отрезок–отвечает процессу нагрева воды в котле до температуры ее кипения при давлении. Из рис. 1.3 видно, что при применении перегретого пара термический к.п.д. цикла Ренкина выше, чем для цикла с насыщенным паром, так как выше средняя температура подвода теплоты.
Рис. 1.2. Циклы Карно и Ренкина для насыщенного пара
Регенеративный подогрев питательной воды паром, отобранным из промежуточных ступеней паровой турбины, приводит к повышению доли полезно используемой теплоты в цикле по сравнению с отведенной теплотой, в результате чего увеличивается к.п.д. цикла. На рис. 1.3 пунктиром показана кривая –, которая характеризует отбор теплоты водяного пара из турбины для нагрева питательной воды на участке–. Таким образом, уменьшается длина отрезка изотермической отдачи теплоты в конденсаторе на величину–, а значит, и потери теплоты в нем. В качестве подогревателей питательной воды в схемах с регенеративным подогревом могут использоваться теплообменники смешивающего и поверхностного типов. В мощных паросиловых установках количество регенеративных отборов может достигать девяти.
Рис. 1.3. Цикл Ренкина для перегретого пара
Рис. 1.4. Цикл Ренкина для перегретого пара с промежуточным перегревом
Из вышесказанного следует,что термический к.п.д. паросиловой установки тем выше, чем больше перепад энтальпий на входе и выходе паровой турбины. Поэтому для увеличения к.п.д. следует повышать параметры острого пара (давлениеи температуру) и снижать давление в конце расширения2 (в конденсаторе). Наибольший эффект от повышения энтальпии острого пара достигается при одновременном увеличении давления и температуры (рис. 1.4), что объясняет тенденцию внедрения установок с максимально высокими параметрами пара.
Значения p1 и T1 ограничиваются жаропрочными характеристиками металлов, из которых изготовлено оборудование паросиловой установки. Минимально возможный уровень конечного давленияопределяется оптимальным соотношением затрат, требуемых для его достижения, и термодинамической выгодой, которая будет получена при снижении конечного давления до уровня. В реальных условиях давление в конденсаторе составляет= 1–3,5 кПа, что намного меньше атмосферного.
Однако рост начального давления и снижение конечного одновременно с увеличением перепада энтальпий приводят к повышению влажности пара в конце расширения (точкана рис. 1.4). В реальной турбине конечная влажность пара не должна превышать 12%. При большей влажности происходит снижение к.п.д. турбины и увеличивается механический износ ее лопаток каплями влаги. Поэтому для поддержания допустимой влажности при возрастании параметров острого пара используют промежуточный перегрев: после ступени высокого давления, в которой пар становится насыщенным (точка 6), он направляется в перегреватель, расположенный в котельном агрегате, в котором он нагревается до рабочей температуры (участок–), и дальше возвращается в последующие за точкой отбора ступени турбины (отрезок–). Из рис. 1.4 видно, что влажность точкименьше, чем точки. Промежуточный перегрев пара одновременно приводит также к росту эффективности цикла паросиловой установки, так как прибавляется полезная работа, эквивалентная площади –––.
Таким образом, в современной тепловой и атомной энергетике основным рабочим телом является водяной пар, продуцируемый в паровых котлах тепловых электростанций или в парогенераторах атомных электростанций. Доля газотурбинных электростанций, на которых рабочим телом является смесь воздуха с продуктами сгорания топлива, в мировой электроэнергетике до последнего времени относительно невелика.
Конец ХХ и начало XXI века в мире характеризуются разработкой и использованием электростанций на низкокипящих рабочих телах, которые в сочетании с водяными паросиловыми установками позволяют более полно использовать теплоту топлива. Происхождение большинства типов низкокипящих рабочих тел имеет природный характер – это углеводороды, водоаммиачный раствор, диоксид углерода. Из синтезированных можно выделить фторуглероды (FC) с нулевым воздействием на озоновый слой атмосферы и силиконовое масло. Подробнее паросиловые установки на низкокипящих рабочих телах будут рассмотрены в других книгах.