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

ноВок. При повышении максимальной температуры цикла Давле­ ние Рмакс растет. Например, при t3 — 1200° С можно тем же расчетом, при том же значении sx = 6,6617 кДж/(кг-К) найти значение энтро­

пии S3, связанное со значением рмакс формулой

S3 = 6,6617 + R In рмакс.

Значение s®здесь следует взять из табл. 2 источника [72] соответ­

ственно температуре t3 — 1200° С. Получаем s® = 8,4233 кДж/(кг-К). Тогда

Такой результат для циклов ГТУ нельзя считать нереальным, как может показаться на первый взгляд. Дело в том, что простой цикл с адиабатными машинами и изобарными теплообменными, аппаратами здесь перестает быть пригодным. Появляется надобность либо в принятии изотермических процессов расширения и сжатия и в использовании изотермических же теплообменных аппаратов, либо в переходе на сложные циклы, которые могут быть осуще­ ствлены и в традиционных конструкциях оборудования тепловой схемы.

На рис. 52 показан предельный .идеализированный цикл, который можно использовать не только для пароводяных, но и для газовых циклов. Такой сложный цикл может делиться на комплекс состав­ ляющих простых циклов не только изоэнтропийными линиями про­ цессов, как показано на диаграмме рис. 52. Линиями раздела по­ лезной площади предельного цикла могут быть как изотермы, так и другие линии, в зависимости от особенностей тепловой схемы. Примером такого сложного цикла служат циклы парогазовых энер­ гетических установок, хорошо известные в энергетике, в том числе судовой. Другой пример — установки атомных электростанций с раз­ личного рода теплоносителями атомных реакторов. В схему сложного цикла могут быть включены и генераторы магнитогидродинамической установки. Тепловые схемы и циклы таких установок приведены в источнике [55]. Освоение этих сложных циклов и умение правильно выполнить их термодинамические расчеты в настоящее время обяза­ тельны для специалиста энергетика. Наилучшим методом такого освоения можно считать анализ термодинамических расчетов наи­ более перспективных для ближайшего будущего новых тепловых схем. В данной главе это будет сделано применительно к судовым паротурбинным энергетическим установкам. Развернутая на этом примере методика термодинамических расчетов сложных циклов может быть применена и к другим таким же сложным циклам с рабо­ чими агентами различного химического состава и разных теплофизи­ ческих свойств.

328

Целесообразно нанести предельный цикл, ограниченный пре­ дельными изотермами и предельными изобарами, на диаграмму t—s как в идеализированной форме, так и в форме, соответствующей

вая схема исследуемой энергетической установки, исходный пре­ дельный цикл будет один, и площадь, представляющая полезную работу, должна полностью вмещать в себя все комбинации состав­ ляющих простых циклов.

Основным путем и одновременно показателем получения макси­ мума работы в предельном цикле является такое заполнение площади, представляющее полезную работу, при котором внутри предельного цикла остается минимальное количество площадей, не использован­ ных в процессах внешнего и внутреннего теплообменов, а также в про­ цессах расширения и сжатия. Такая направленность в конструи­ ровании сложного цикла при выбранных или заданных предельных температурах и давлениях создает большой простор для творческой работы проектировщика, поэтому подчинять ее каким-либо регламен­ там, даже глубоко продуманным и проверенным, нежелательно. Единственным руководством должно служить изучение предложен­ ной тепловой схемы установки и определение возможности приме­ нения той же расчетной методики, с последующей оценкой эффек­ тивности схемы в целом и отдельных главных ее участков по резуль­ татам расчетов.

На основании сказанного в начальной стадии конструирования сложного цикла энергетической установки следует принять задачу выработки принципиальной схемы установки. Эта задача далеко не ограничивается термодинамическими пределами, она требует широкого технико-экономического и народнохозяйственного обосно­ вания, подтверждаемого обычно соответствующими расчетами. Есте­ ственно, что постановка и решение такой задачи требуют специаль­ ных исследований, в котором термодинамические пределы являются хотя и существенным, но не решающим фактором.

Лучше всего предположить, что в заданных термодинамических пределах выбор и компоновка простых циклов, составляющих сложный цикл, должны производиться по известной и одобренной тепловой схеме. Обычно она показывает, какие рабочие агенты, в каких простых циклах и каким образом осуществляют трансфор­ мацию тепловой энергии внешних источников теплоты в полезную механическую работу.

Тепловая схема должна быть внимательно изучена проектировщи­ ком цикла, и в ней должны быть намечены характерные точки, раз­ деляющие поток рабочего агента на отдельные участки, каждый из которых имеет свою специфику в смысле закономерностей течения под внешними воздействиями.

Следует рассмотреть все внешние воздействия и учесть их влияние на поток (см. § 32).

В реальных установках продвижение потока по проточным частям на разных участках тепловой схемы сопряжено с преодолением

329

разного рода сопротивлений движению, которые можно оценить по их влиянию на параметры рабочего агента в потоке, как было показано в изложенных выше расчетах. Сопротивления создают энергетические потери, описанные подробно в гл. II, § 29—32. Они служат одной из причин возникновения внутреннего теплообмена в термодинамических процессах. Эта составляющая теплообмена

цессов. Воздействие трения служит одной из причин этой необрати­ мости. Но имеются и другие причины ее возникновения, в частности, внешний теплообмен и внешний энергообмен в цикле. Оба эти вида обмена энергией с внешней средой могут быть и обратимыми, но для этого требуется при теплообмене равенство температур обменива­ ющихся теплотой потоков (изотермический теплообмен): всякий тем­ пературный интервал АТ при теплообмене делает процесс необра­ тимым. Как известно, термодинамика применяет искусственный прием, чтобы в процессах теплообмена можно было считать АТ = 0. Надо мысленно представить себе какой-то промежуточный источник в потоке теплоты, обладающий свойством автоматически следить за соблюдением равенства температур с потоком рабочего агента. Теплообмен с таким воображаемым источником будет обратимым процессом. Ему присвоено наименование «внутренне обратимый процесс». В этом случае учет необратимости переносится на часть теплового потока от внешнего источника (его температура может быть постоянной и переменной, но она всегда известна) к воображаемому внутреннему источнику (его температура переменна, но всегда равна температуре потока рабочего агента). Здесь процесс будет необрати­ мым, и называют его «внешне необратимым процессом». Примером такого процесса может служить участок тепловой схемы энергетиче­ ской установки, включающий в себя парогенератор. На этом участке продукты сгорания топлива передают тепловую энергию нагревае­ мой котловой воде, испаряют ее и перегревают пар при постоянном давлении. Количество воспринятой рабочим агентом тепловой энер­ гии определяется параметрами нагреваемой среды (воды и пара) на входе в нагревательные устройства и на выходе из них. Считается, что такое же количество теплоты отдано в изобарном процессе про­ дуктами сгорания топлива. 'Для участка тепловой схемы, включа­ ющего турбоагрегат со всеми его устройствами, вполне достаточно учесть такой внутренне обратимый процесс теплопередачи. Но для расчета процессов на участке парогенератора следует изучать внешне необратимый процесс теплообмена между топочными газами и паро­ водяной смесью. Здесь появится разность температур греющего и нагреваемого потоков, причем она будет меняться по продвижению обоих потоков. Это изменение надо тщательно изучить, чтобы найти зависящие от него энергетические потери в парогенераторном

3 3 0

участке для определения эффективности работы парогенератора как теплообменного аппарата.

Приведенный пример заслуживает особого внимания, так как в сложном цикле с такого же рода особенностями теплопередачи приходится иметь дело во всех случаях, когда границами простых

с такими тепловыми схемами в настоящее время приходится встре­ чаться во многих новых энергетических установках, и изучение их становится необходимым.

Примерно так же обстоит дело и в процессах обмена механиче­ ской энергией с окружающей средой. Здесь тоже имеются энергети­ ческие потери при передаче кинетической энергии потока рабочего агента лопаточным венцам ротора турбины, при передаче враща­ ющего момента на ось ротора турбины и в передаточных устройствах механической энергии потребителю. Эти потери энергии могут быть как внутренними по отношению к потоку рабочего агента, так и внешними, не оказывающими влияния на параметры потока, но, как правило, это потери на трение.

Термодинамические анализы внутренних и внешних энергетиче­ ских потерь в процессах цикла показывают, что источников этих потерь в цикле имеется много. Каждая в отдельности энергетическая потеря может быть мала по величине, но, суммируясь, в цикле, они могут оказаться значительными. Сложность их учета заключается еще и в том, что каждая из потерь может оказать влияние на другие потери и на выработку в цикле механической энергии из тепловой.

Примером этого является возврат теплоты энергетических по­ терь в цикл и дополнительная выработка механической энергии за счет этого внутреннего нагрева рабочего агента. Не учитывать взаимосвязи энергетических потерь с изменяемостью параметров рабочего агента в процессах цикла нельзя, однако такой учет вводит значительное усложнение термодинамических расчетов. Стремление к их упрощению привело к разработке широко распространенного теперь метода суммарного учета потерь как «потерь работоспособ­ ности» рабочего агента на различных участках тепловой схемы уста­ новки. В следующем параграфе будет уделено особое внимание этому методу.

На рис. 52 был показан сложный предельный цикл пароводяной энергетической установки при условии идеализации теплофизиче­ ских свойств водяного пара путем использования при расчетах таблицы 12 источника [72]. Рассмотрим, как от этого идеализиро­ ванного цикла перейти к предельному циклу той же установки с уче­ том зависимости параметров пара не только от температуры, но и от давления. Это можно сделать, если построить изобары и изотермы предельного цикла, пользуясь таблицами источника [22]. Удобнее всего составить для этого расчетную таблицу (табл. 40), куда по изо­

331