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

Формула (450) справедлива только для подогревателей без дре­ нажных насосов,-где количество протекающего конденсата для всех подогревателей одинаково. Если система работает с дренажными на­ сосами (а также с подогревателями-смесителями), то в каждый подо­ греватель, соответствующий более высокой температурной ступени, поступает большее количество конденсата, чем в предшествующий. Это значит, что хотя потери работоспособности будут меньше в рас­ чете на 1 кг рабочего агента, но они относятся к увеличенному се­ кундному расходу.

Влияние указанных противоположно действующих факторов можно считать компенсирующимся и при наличии таких подогрева­ телей, для которых достаточно близко к оптимуму предположение

7,i - 7 ,s= 7’8- T 8= . . . = 7 ^ - 7 ^ = ... = Тг - Т к. (451)

При схеме регенеративного подогрева без дренажных насосов, но с последующими охладителями оптимальное разделение подо­ грева по ступеням приближается к приведенному в формуле (451), так как охладители дренажа особенно эффективно работают в области низких температурных уровней.

Как видим, оптимальный вариант включения в систему регене­ ративного подогрева подогревателей зависит от схемы регенератив­ ной установки.

Заметим, что точное соблюдение условий, вытекающих из формул (450) и (451), необязательно и технически даже не всегда выполнимо. Влияние на регенеративную систему таких факторов, как конструк­ тивные формы турбоагрегата, наличие в системе регенеративного подогрева устройств, потребляющих тепловую энергию не для реге­ нерации теплоты в цикле, а для других целей (использование для этого регенеративных отборов и т. п.), связь регенеративной уста­ новки с утилизацией разного рода потерь теплоты и массовых утечек рабочего агента и пр., — сильно влияет на выбор регенаративной системы и делает нецелесообразным ее уточненный тепловой расчет в период разработки принципиальной тепловой схемы установки. Более того, тщательная и точная разработка тепловых балансов от­ дельных теплообменных аппаратов системы в указанный период проектирования энергетической установки, просто невозможна. В большинстве случаев такие балансы целесообразно составлять лишь при разработке развернутой тепловой схемы, где они необходимы для окончательного теплового расчета установки.

§ 44. ЦИКЛЫ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ПОДОГРЕВАМИ РАБОЧЕГО АГЕНТА В ПРОЦЕССЕ ИЗОЭНТРОПИЙНОГО

РАСШИРЕНИЯ. ПАРОЖИДКОСТНЫЕ ЦИКЛЫ

В начальных параграфах настоящей главы была изложена термо­ динамическая теория циклов с внешним нагревом рабочего агента в процессе его расширения. Было выяснено, что успешность этого мероприятия требует изотермических машин расширения и сжатия, а также предполагает идеальный внутренний теплообмен. Поскольку

366

оба эти условия в настоящее время проблематичны, то вопрос о цик­ лах с внешним теплообменом в процессе расширения должен быть поставлен иначе.

Для таких циклов следует использовать адиабатные машины расширения и сжатия (турбины и компрессоры) с высокими экономи­ ческими показателями, и хорошо отработанные конструктивно. Как следствие использования такого энергетического оборудования, идеальным процессом расширения необходимо считать адиабатный процесс при постоянной энтропии (изоэнтропийный). С учетом воздействия трения в потоке рабочего агента реальный процесс расширения становится политропным (адиабата с трением); возни­ кает естественный внутренний теплообмен в процессе расширения из-за внутреннего нагрева потока.

Если желательно все же иметь дополнительный внешний тепло­ обмен в процессе расширения, то надо остановить адиабатный про­ цесс, осуществить тем или иным способом отвод теплоты от внешнего источника и передать эту теплоту рабочему агенту не в процессе изоэнтропийного расширения, а в процессе изобарного теплообмена. После такого нагрева изоэнтропийный процесс должен быть продол­ жен.

В настоящее время в энергетических установках лучше всего изучен и широко используется процесс теплообмена при постоянном давлении (изобарный). Разработаны и совершенствуются конструкции соответствующих теплообменных аппаратов.

Целесообразно использовать этот теплообмен таким образом, чтобы выведенный при некотором промежуточном давлении из проточной части турбины рабочий агент был введен в изобарный теплообменный аппарат внешнего нагрева и там, теоретически при постоянном дав­ лении, был бы нагрет до некоторой достаточно высокой температуры. После этого нагретый рабочий агент, теоретически при том же дав­ лении, при котором было остановлено адиабатное расширение, вновь поступит в проточную часть турбины и продолжит адиабатный про­ цесс расширения.

Описанную здесь операцию можно принципиально в процессе расширения осуществлять многократно, прерывая каждый раз изоэнтропийное расширение и переходя к ступенчатому процессу изо­ барного нагрева рабочего агента.

Таким образом, не предпринимая непосредственно изотермиче­ ский теплообмен, можно осуществить процесс ввода в расширяющийся

вадиабатной турбине рабочий агент добавочного количества теплоты извне при помощи изобарных теплообменных аппаратов. Метод этот широко применяется в энергетике как в паротурбинных, так и

вгазотурбинных установках.

Основная и главная цель использования промежуточного внеш­ него нагрева рабочего агента заключается в повышении его энерго­ вооруженности. Несомненна и давно уже признана эффективность повышения параметров рабочего агента, особенно температуры в на­ чале процесса расширения. Однако ряд причин, с которыми мы озна­ комились в § 7, лимитирует возможности такого повышения и тем

367

самым ограничивает энерговооруженность рабочего агента в начале процесса расширения.

Естественно, что чем больше тепловой энергии удастся вложить в 1 кг рабочего агента и чем выше будут параметры рабочего агента в начальный момент расширения, тем меньшее количество рабочего агента потребуется для развития заданной мощности установки. Тен­ денции к росту агрегатных мощностей турбин и к снижению их весо­ габаритных характеристик могут быть обеспечены лишь путем повы­ шения энерговооруженности 1 кг рабочего агента. Исследования энер­

выраженный в килоджоулях на киловатт-час полезной мощности, снижается при увеличении агрегатной мощности турбоагрегатов. На рис. 65 приведен график, где по оси абсцисс отложена мощность

ство рабочего агента будет затрачено на получение этой теплоты. Если при этом будет повышена энерговооруженность 1 кг рабочего агента, то его массовый расход соответственно будет еще снижен. Экономическое значение энерговооруженности 1 кг рабочего агента заключается не только в ее воздействии на экономические показа­ тели самого турбоагрегата. Оно состоит еще и в том, что при сниже­ нии массового расхода рабочего агента неуклонно снижается тре­ буемая производительность парогенераторной установки, а следо­ вательно могут быть уменьшены ее вес, габаритные размеры, пло­

368

щадь и объем всех помещений в расчете на единицу полезной мощ­ ности. Соответственно снижаются капитальные затраты на сооруже­ ние установки.

Можно сказать, что создание современных сверхмощных блоч­ ных энергетических установок стало доступным благодаря повыше­ нию начальных параметров процесса расширения и внедрению про­ межуточного перегрева пара. Промежуточный перегрев рабочего агента^ — пара или газа — является средством к снижению удель­ ного массового расхода рабочего агента на единицу полезной мощ­ ности установки. Однако конструирование установок с промежуточ­ ным перегревом требует тща­

Часовой расход пара на турбоагрегат при наличии промежуточ­

цессе расширения до и после промежуточного перегрева, кДж/кг; W 3— мощность электрогенератора, кВт; r\m и т]г— соответственно механический к. п. д. турбоагрегата и к. п. д. электрогенератора.

регата без промежуточного перегрева удельный расход рабочего агента на единицу мощности снижается. Это обстоятельство и яв-