Файл: Васильев В.К. Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок.pdf

ставляют слабые растворы различных веществ в чистом потоке рас­ творителя. Иногда такие слабые растворы приготовляют специ­ ально, обеспечивая безаварийную длительную работу установки. С этим особенно приходится считаться в специальных цехах, зани­ мающихся водоподготовкой. Столь же существенна борьба с окисле­ нием и разъеданием стенок каналов, по которым движутся потоки.

Научной основой этой информации является теория слабых рас­ творов, кратко изложенная в § 15— 17. Ознакомление с ней энерге­ тиков автор считает обязательным.

Ввиду большого значения энтропии в термодинамических рас­ четах § 18 книги посвящен вопросу о начале отсчета этой величины в уточненных термодинамических расчетах. В § 19 освещается воп­ рос термической ионизации газов, которая при высоких температу­ рах рабочего агента может быть значительной и давать заметный специфический термоионный эффект.

Вопросы термодинамического равновесия и фазовых переходов (§ 20) являются существенными, поскольку в этих процессах рас­ ходуется получаемая извне тепловая энергия за счет снижения по­ лезной работы расширения. Это характеризует внутреннее состоя­ ние рабочего агента, которое закономерно меняется в потоке при из­ менении внешних воздействий на него. Закономерность здесь уста­ навливается принципом Ле Шателье и является следствием второго закона термодинамики. Она может, быть сформулирована так:

Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздей­ ствовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих поло­ жение равновесия, то равновесное состояние системы смещается в том направлении, при котором эффект произведенного воздействия умень­ шается.

Важнейшими изменениями такого рода при химических и фазо­ вых превращениях являются изменения температуры и давления, а также концентрации веществ, участвующих в химических реак­ циях.

Термодинамические процессы энергетического цикла также вы­ водят поток рабочего агента из равновесного положения, вызывая в нем соответствующие изменения термодинамических потенциа­ лов Af и Ag, определяющих внутреннее состояние рабочего агента

впотоке.

Вкниге рассмотрены вопросы определения состава и параметров продуктов сгорания органического энергетического топлива при сжи­ гании его как в топках парогенераторов, так и в камерах сгорания газотурбинных установок (§ 21—28). Эти теплоносители первыми воспринимают тепловой эффект химической реакции горения и пере­ дают путем внешнего теплообмена теплоту рабочему агенту энерге­ тических машин.

Вкниге рассматривается трансформация тепловой энергии в ра­ боту расширения в паровых и газовых турбинах, а также в других машинах, аппаратах, устройствах и коммуникациях тепловой схемы,

вобъеме, необходимом для расчетов термодинамических процессов

и цикла в целом.

9

ГЛАВА I

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ И ЦИКЛЫ

§1. ЦИКЛ-ЭТАЛОН И ОТОБРАЖЕННЫЕ ЦИКЛЫ РЕАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Рассмотрим энергетические установки как трансформаторы энер­ гии. В настоящее время в качестве ее первоисточников используют химическую энергию органического топлива и ядерную энергию. В первом случае происходит сгорание органического топлива с вы­ делением соответствующего количества теплоты (экзотермическая реакция). Химическая энергия превращается в тепловую, носителем которой становятся газообразные продукты сгорания в смеси с азо­ том и избыточным количеством воздуха. Температура газового тепло­ носителя повышается (вместе с увеличением его потенциальной энергии). Во втором случае первичной является энергия расщепле­ ния ядер атомов соответствующих химических соединений. Ядерная цепная реакция происходит в ядерных реакторах и сопровождается тепловыделением, повышающим температуру реагирующих веществ и требующим охлаждения реактора газовым или водяным теплоно­ сителем. Последний может или непосредственно работать в турбине, или передавать воспринятую в реакторе тепловую.энергию рабочему агенту в специально сконструированном генераторе.

Однако такой трансформации в энергетических установках не­ достаточно, если предполагается использовать их для получения работы. В данном случае следует поставить теплоноситель в условия, при которых он помимо повышения температуры увеличивал бы путем особого процесса и давление. Если такой процесс включен в цикл, то в результате рабочий агент будет иметь повышенные пара­ метры (температуру и давление) и окажется пригодным для работы в энергетической установке. Отсюда и его наименование — «рабо­ чий агент».

Повышение начального давления процесса расширения позволяет увеличить удельную располагаемую энергию рабочего агента и сни­ зить его массовый (весовой) расход для получения требуемой полез­ ной мощности установки. Ту же цель преследует снижение давления конца процесса расширения, которое, однако, зависит от внешних условий работы установки. Чем больше отношение начального дав-

11

Ленин к конечному, тем больше работоспособность рабочего агента. Очевидно, минимальным значением указанного отношения будет единица; в этом случае теплоноситель теряет свою работоспособность

иостается только теплоносителем, непригодным для использования

вкачестве рабочего агента энергетического агрегата.

Для превращения теплоносителя в рабочий агент служит ком­ плекс устройств, который можно назвать «генератором рабочего агента». В паротурбинных установках это будет парогенератор, в га­ зотурбинных — газогенератор.

Таким образом, генератор вырабатывает рабочий агент, имею­ щий высокие параметры для начала процесса расширения.

В процессе расширения потенциальная энергия рабочего агента превращается в кинетическую. За счет снижения термодинамических параметров рабочий агент повышает скорость своего течения через рабочие органы машины.

Во вращающемся венце турбинной ступени кинетическая энергия рабочего агента переходит в механическую энергию вращения ро­ тора. Здесь форма энергии не меняется и осуществляется простая ее передача от одного звена (рабочего агента) другому (валу ротора). Этот процесс обусловлен воздействием потока рабочего агента на. лопатки вращающихся венцов турбины.

Процесс расширения происходит в турбине. Как бы ни было глу­ боко расширение до конечного давления, большая часть тепловой энергии рабочего агента, полученной в генераторе, остается в тепло­ носителе при его выходе из турбины. Чтобы сделать энергетическую установку непрерывно действующей, надо довести температуру ра­ бочего агента до того уровня, который имел место в начальной фазе течения агента (при входе его в генератор). С этой целью надо отдать в окружающую среду то количество теплоты, которое рабочий агент не смог превратить в работу в процессе расширения. Если такой теп­ лообмен будет осуществлен в турбинной установке, то, в соответ­ ствии со вторым законом термодинамики, установка сможет повторять последовательно идущие процессы столько раз, сколько потребуется, и совокупность изменения параметров рабочего агента в ней будет з а м к н у т ы м ц и к л о м .

В различных энергетических установках отдельные . процессы цикла могут быть неодинаковы, однако их последовательность во всех случаях будет одна и та же, а именно:

1) процесс сжатия рабочего агента от низшего давления р г до высшего р 2, осуществляемый в насосе или компрессоре;

2) процесс внешнего теплообмена при постоянном давлении р 2 до температуры Т3, осуществляемый в одном из устройств генератора; 3) процесс расширения от давления р 2 до давления р ъ осуще­

ствляемый в турбине; 4) процесс внешнего теплообмена при постоянном давлении р г

до температуры Т ъ осуществляемый в специальном теплообменнике. Из термодинамики известно, что при заданном отношении тем­ ператур Т 3/ Т 1 наивыгоднейшим является цикл Карно. Обобщенный цикл Карно с двумя изотермами и двумя эквидистантными изобарами,

12

при условии полного внутреннего' теплообмена по этим изобарам, имеет термодинамический к. п. д., равный к. п. д. цикла Карно. Классический цикл Карно, как известно, практически неосуществим. Но обобщенный цикл Карно (который будем обозначать сокращенно ОК) выполним на практике (при допущении полной идеализации составляющих его процессов) и его удобно принять в качестве эта­ лона для всевозможных идеальных циклов энергетических установок. Термин «идеальный цикл» определяет здесь отдельные процессы цикла как обратимые равновесные процессы, протекающие без энер­ гетических и массовых потерь. Каждая реальная энергетическая установка имеет свой идеальный цикл, но наличие эталона, пред­ ставляющего собой оптимум таких идеальных циклов, позволяет объективно судить о качестве идеального цикла данной реальной установки. Для этого следует только сравнить идеальный цикл с цик­ лом-эталоном.

Представим в диаграмме Т— s (рис. 1) описанный выше цикл, со­ стоящий из четырех указанных процессов с гипотетическим газом, изобарные процессы которого представляют собой эквидистантные линии. Такой газ будет подчиняться уравнению состояния pv — RТ при постоянной теплоемкости изобарного процесса.

чало процесса сжатия 1 и начало процесса расширения 3 — примем и для диаграммы цикла ОК. В этом цикле процесс сжатия, начав­ шись с точки 1, пойдет по изотерме I— 2Т. Конечная точка этого процесса должна лежать на пересечении изотермы сжатия и изо­ бары р 2 конца сжатия. Для удобства расчетов и графических по­ строений следует сначала нанести на диаграмму начальную (исход­ ную) изобару р ъ воспользовавшись известными параметрами точки 1, лежащей на этой изобаре. Задаваясь температурами точек построе­ ния при постоянном давлении р и наносим эти точки на поле диа­ граммы Т— s и проводим через них изобару р х до пересечения ее в точке 4Т с изотермой Т3, температура которой известна по пара­ метрам заданной точки 3 начала процесса расширения. Эта точка определится на изотерме Т 3 по известному давлению в ней р 2. Про­ ведя через эту точку изобару р 2, продолжим ее до пересечения с изо­ термой Тф и таким образом получим точку 2Т. Цикл 1—■2Т—3—4Т— 1 будет циклом ОК, работающим с теми же предельными давлениями и температурами, что и заданный цикл 1— 2—3—4—1.

Известно, что при условии идеального внутреннего теплообмена по изобарам р г и р 2 к. п. д. цикла ОК определяется только отноше­ нием предельных температур

Пж = 1 — у 1

ине зависит от его предельных давлений. Если бы нам удалось так отобразить на диаграмме цикла ОК заданный цикл 1— 2— 3—4—1, чтобы вместо двух изоэнтроп и двух изобар он состоял из двух изо­ терм и двух изобар, то его легко было бы сопоставить и сравнить

13