В паросилових установках як робоче тіло використовуються пари різних рідин (вода, ртуть і т. П.), Але частіше за все водяна пара.
У паровому котлі паросилова установки (1) за рахунок підведення теплоти Q1. одержуваної за рахунок згоряння палива в топці, утворюється пара при постійному тиску р1 (рис. 33). У пароперегрівача (2) він додатково нагрівається і переходить в стан перегрітої пари. З пароперегрівача пар надходить в паровий двигун (3) (наприклад, в парову турбіну), де повністю або частково розширюється до тиску р1 з отриманням корисної роботи L1. Відпрацьований пар направляється в холодильник-конденсатор (4), де він повністю або частково конденсується при постійному тиску р2. Конденсація пари відбувається в результаті теплообміну між відпрацьованим парою і охолоджувальною рідиною, що протікає через холодильник-конденсатор (4).
Мал. 33. Схема найпростішої паросилова установки
Цикл Ренкіна складається з ізобари (4-1), де підводиться теплота в нагрівачі, адіабати (1-2) розширення пари в паровій турбіні, ізобари (2-3) відведення теплоти в холодильнику-конденсаторі і ізохорами (3-4) підвищення тиску води в насосі. Лінія (4-а) на ізобарі відповідає процесу підвищення температури рідини після насоса до температури кипіння при тиску р1. Ділянка (a-b) відповідає перетворенню киплячій рідини в суху насичену пару, а ділянку (b-1) - процесу підведення теплоти в пароперегрівачі для перетворення сухого насиченої пари в перегрітий.
Мал. 34. Цикл Ренкіна в координатах p-v (а) і Т-s (б)
Робота, що здійснюється парою в турбіні, дорівнює різниці ентальпій пара до і після турбіни
Робота, витрачена на стиск води в насосі, визначається так само по різниці ентальпії робочого тіла в точках (4) і (3).
У координатах р-v ця робота визначається площею e-3-4-f (рис. 34a). Ця робота дуже мала в порівнянні з роботою турбіни.
Корисна робота циклу дорівнює роботі турбіни за вирахуванням роботи, що витрачається на привід насоса wн
Питома кількість теплоти q1. підведеної в котлі і пароперегрівачі, визначається з першого початку термодинаміки (робота при цьому не відбувається) як різниця ентальпій робочого тіла в процесі підведення теплоти
де h4 - ентальпія гарячої води на вході в паровий котел при тиску р2 практично дорівнює за величиною ентальпії киплячої води в точці (3),
тобто h4 @ h3.
Зіставляючи співвідношення, можна визначити термічний ККД циклу Ренкіна як відношення корисно отриманої роботи в циклі до кількості підведеної теплоти
Інша важлива характеристика паросилова установки - питома витрата пара d. який характеризує кількість пара, необхідного для вироблення 1 кВт · год енергії (3600 Дж), і вимірюється в.
Питома витрата пара в циклі Ренкіна дорівнює
Питома витрата пара визначає розміри агрегатів: чим він більший, тим більше пара доводиться виробляти для отримання тієї ж потужності.
Шляхи підвищення економічності паросилових установок
Термічний ККД циклу Ренкіна навіть в установках з високими параметрами пари не перевищує 50%. У реальних установках через наявність внутрішніх втрат в двигуні значення ККД ще менше.
Існують два шляхи підвищення економічності паросилових установок: підвищення параметрів пари перед турбіною і ускладнення схем паросилових установок.
1 - парогенератор; 2 - пароперегреватель; 3 - парова турбіна;
4 - конденсатор; 5 - живильний насос; 6 - тепловий споживач
Перший напрямок призводить до збільшення теплоперепада в процесі розширення пара на турбіні (h1 - h2) і, як наслідок, до збільшення питомої роботи і ККД циклу. При цьому теплоперепад по турбіні h1 -h2 можна додатково збільшити, знижуючи засунений в конденсаторі установки, тобто зменшуючи тиск р2. Підвищення економічності паросилових установок цим шляхом пов'язано з вирішенням ряду важких технічних завдань, зокрема, використання високолегованих, жароміцних матеріалів для виготовлення турбіни.
Ефективність використання паросилова установки можна значно підвищити за рахунок використання теплоти відпрацьованої пари для опалення, гарячого водопостачання, сушки матеріалів і т. Д. З цією метою охолоджуючу воду, нагріту в конденсаторі (4) (рис. 35), не викидають в водойму, а прокачують через опалювальні установки теплового споживача (6). У таких установках станція виробляє механічну енергію в вигляді корисної роботи L1 на валу турбіни (3) і теплоту Qт.п для опалення. Такі станції називають теплоелектроцентралями (ТЕЦ). Комбіноване виробництво теплової та електричної енергії - один з основних методів підвищення ефективності теплових установок.
Підвищити ККД паросилова установки в порівнянні з циклом Ренкіна можна за рахунок застосування так званого регенеративного циклу
(Рис. 36). У цій схемі живильна вода, яка надходить в котел (1), нагрівається парою, частково відбираються з турбіни (3). За цією схемою пар, отриманий в котлі (1) і перегрітий в пароперегрівачі (2), направляється в турбіну (3), де відбувається його розширення до тиску в конденсаторі (4). Однак частина пара після вчинення ним роботи з турбіни і направляється в регенеративний підігрівач (6), де в результаті конденсації він підігріває живильну воду, що подається насосом (5) в котел (1).
де - частка пара відбирається з турбіни і подається в регенератор.
Мал. 37. Графік адиабатного розширення пари в турбіні з проміжним відбором (а) і зміни кількості пара (б)
Рівняння показує, що використання регенерації теплоти призводить до зменшення питомої роботи розширення в порівнянні з циклом Ренкіна з тими ж параметрами пари. Однак розрахунки показують, що робота в регенеративної циклі зменшується повільніше, ніж витрата теплоти на отримання пара при наявності регенерації, тому ККД паросилова установки з регенеративним підігрівом в результаті вище ККД звичайного циклу.
Застосування пара високих і надвисоких тисків з метою підвищення ККД установок наштовхується на серйозну скруту: вологість його на останніх щаблях турбіни виходить настільки високою, що помітно знижує ККД турбіни, викликає ерозію лопаток, може служити причиною виходу їх з ладу. Тому в установках з високими параметрами пари доводиться застосовувати так званий проміжний перегрів пари, що також веде до підвищення ККД установки (рис. 38).
Мал. 38. Схема паросилова установки з проміжним перегрівом пари:
1 - парогенератор; 2 - пароперегреватель; 3 - турбіна високого тиску (ТВД); 4 - турбіна низького тиску (ТНД); 5 - конденсатор; 6 - живильний насос; 7 - проміжний пароперегрівач; 8 - споживач
У паросилова установці з проміжним перегрівом пари, після розширення в турбіні високого тиску (3) пар відводиться в спеціальний пароперегреватель (7), де він вдруге підігрівається при тиску РРП до температури. яка зазвичай трохи нижче, ніж температура t1. Перегріта пара надходить в турбіну низького тиску (4), розширюється в ній до кінцевого тиску р2 і йде в конденсатор (5) (рис. 39).
Вологість пара після турбіни при наявності перегріву пара значно менше, ніж вона була б без нього (x1> x2) (рис. 39). Застосування проміжного перегріву в реальних умовах дає підвищення ККД приблизно на 4%. Цей виграш виходить не тільки за рахунок підвищення відносного ККД турбіни низького тиску, а й за рахунок підвищення сумарної роботи розширення пара по турбіні низького і високого тисків. Справа в тому, що сума відрізків і. характеризують роботу відповідно турбін високого і низького тисків, більше відрізка 1 - e. характеризує роботу розширення в турбіні установки, в якій не застосовується проміжного перегріву пара (рис. 39б).
Мал. 39. Процес розширення пари в установці з проміжним перегрівом