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

конденсации отработавшего пара и прямую 4'—6 — изотерму Испа­ рения при температуре 6П. в = 247° С. Идеализируя цикл, считаем, что регенеративный подогрев питательной воды идет по нижней по­ граничной кривой от точки 3 до точки 4'. От этой точки до точки 4 питательная вода нагревается в парогенераторе топочными газами. По линии 4—5 там же происходит испарение воды при температуре

Как видим, в идеализированном основном цикле линия 4'—4—5—1 считается изобарной при давлении 101 • 10в Па. Она описывает изо­ барный процесс внешнего теплообмена.

В регенеративном цикле площадь делится на две части линией 4'—6. Верхняя часть этой площади 4'—4—5—1—6—4' измеряет количество теплоты, полученной внешним теплообменом в пароге­ нераторе. Нижняя часть 6—2—3—4'—6 тоже измеряет количество теплоты, полученной рабочим агентом в результате внешнего тепло­ обмена в парогенераторе, если мы откажемся от регенеративного подогрева питательной воды. В сумме обе эти площади дадут коли­ чество теплоты, превращенной за один цикл в полезную работу. Разделение всей площади 1—-2—3—4—5—1 на две части позволяет нам рассматривать вместо одного основного цикла совокупность двух циклов: 4'—4:—5—1—6.—4' и 6—2—3—4'—6, заменяющих один суммарный цикл. Это ничего не меняет в энергетических транс­ формациях цикла, так как процесс 4'—6 в верхнем цикле идет в на­ правлении 6—4 ', а в нижнем — в обратном направлении 4'—6. Обратимость этого процесса дает две одинаковые противоположно направленные энергетические трансформации, которые взаимно уничтожаются.

Вместе с тем указанная замена позволяет наглядно представить на диаграмме процесс регенеративного подогрева питательной воды. Выше при анализе теоретического регенеративного цикла мы выяс­ нили, что пароводяной цикл при введении в него регенеративного подогрева питательной воды требует некоторого изменения конфи­ гурации процессов. В частности, для возможности внутреннего теп­ лообмена надо иметь в цикле две эквидистантные линии, между ко­ торыми мог бы происходить изотермический внутренний теплообмен греющего пара с нагреваемой водой. Если процесс расширения от точки 6 направить не по изоэнтропе 6—2, а провести из точки 6 ли­ нию, эквидистантную по изотермам линии нагрева воды 3—4', то продолжение процесса расширения от точки 6 получим по линии 6— 2'. Тогда можно считать, что второй (нижний) составляющий цикл 6i—2—3—4'-—6 будет заменен циклом 6—2'-—3—4'—6. Этот цикл имеет две эквидистантные линии: 6—2' и 3—4', между точками ко­ торых может быть осуществлен по изотермам внутренний теплооб­ мен, и питательная вода от точки 3 до точки 4' может, быть нагрета теплотой, отбираемой от расширяющегося пара. Таким образом, изменяет конфигурацию и основной цикл 1—2—3—4—5— 1, превра­ щаясь в основной регенеративный цикл 1—6—2'—3—4—5,—1.

376

Посмотрим, что дает нам проделанная трансформация основного цикла. Из диаграммы на рис. 68 видно, что полезная работа цикла снизилась на величину, определяемую площадью 6—2 —2 '—6. Сле­ довательно, при неизменном массовом расходе пара на работу турбо­ агрегата уменьшится его полезная отдача. Заданная мощность не будет получена, и при диаграмме трансформированного основного цикла для выработки заданной мощности придется увеличить мас­ совый расход пара в отношении

_ пл. 1 — 2 — 3 — 4 — 5 — 1 М 0 пл. 1 — 6 — 2 ' — 3 — 4 ' — 4 — 5 — 1 ‘

Полученный результат закономерен и понятен: в основном регене­ ративном цикле 1—2—7—4'— 4—5—1 мы от расширяющегося по­ тока рабочего агента непрерывно отбираем количество теплоты, не­ обходимое для изотермического внутреннего подогрева питательной воды. Диаграмма на рис. 68 ясно показывает, что сделать это можно только за счет неиспользования полезной мощности, измеряемой площадью 3—4'—7—3, равной площади 6—2 —2 '—6.

Анализируя далее диаграмму основного цикла на рис. 68, мы видим, что внутренний изотермический регенеративный процесс подогрева питательной воды частично вытесняет внешний тепло­ обмен с горячим источником. Если при отсутствии регенерации все количество теплоты, которое измеряется площадью диаграммы, ле­ жащей под изобарой 3—4—5—1, ограниченной двумя крайними изоэнтропами и линией нулевой абсолютной температуры Т = О, рабочий агент получал в парогенераторе за счет теплоты сгорания топлива, то в основном регенеративном цикле 1—6—2 —7—4'—

—4—5—1 путем внешнего теплообмена в парогенераторе получено значительно меньшее количество теплоты. Это количество измеряется площадью, лежащей под изобарой 4 '—4— 5—1, ограниченной изо­ энтропами, проходящими через точки 1 и 4', и, линией нулевой абсо­ лютной температуры Т — 0. Помимо уменьшения этого количества теплоты внешний теплообмен регенеративного цикла характеризуется также более высокой средней термодинамической температурой по сравнению с основным циклом без регенерации. На рис. 68 нанесены

изотермы средней температуры цикла без регенерации Тср и регене­ ративного цикла Тср, причем

П Р Тср.

Обращая внимание на то, что количество теплоты, отдаваемой холодному источнику при температуре tK = 33,42° С (Тк = 306,57 К), одинаково в регенеративном и нерегенеративном циклах, в резуль-*

* В пароводяных циклах приходится усреднять только верхние изотермы тепло­ обмена, так как нижняя изотерма Т к остается неизменной. Поэтому на диаграмме и в тексте нижний цифровой индекс 1 опускается.

377

тате получаем для регенеративного цикла больший к. п. д. r|f, чем для нерегенеративного тц:

Следует отметить также, что введение регенерации путем вну­ треннего изотермического теплообмена в области 6—2'—3—4'—6 (область подогрева питательной воды отборами теплоты расширяю­ щегося потока рабочего агента) позволяет значительно уменьшить необратимость реального процесса теплообмена. Это объясняется изотермичностью внутреннего теплообмена при надлежащем кон­ структивном выполнении подогревательного устройства и при нуле­ вой разности температур теплообмена. Вводя в пароводяной цикл регенеративный теплообмен, можно создать такие конструктивные формы систем внутреннего изотермического теплообмена, при ко­ торых теоретические возможности были бы реализованы в макси­ мальной степени.

Нижняя часть основного регенеративного цикла, описываемая площадью 6—2—7—4'—6 диаграммы на рис. 68, требует дальнейшего рассмотрения с точки зрения ее практического выполнения. Прежде всего надо ясно представить себе, каким путем можно осуществить изотермический теплообмен по линиям 6—2' и 3—4'. Конфигурация этих линий требует наличия бесконечно большого числа теплоотдатчиков и теплоприемников с одинаковой температурой процесса теплопередачи. Из предыдущего нам уже известно, что бесконечно большое количество теплоотдатчиков и теплоприемников внутрен­ него изотермического теплообмена можно заменить конечным числом, сделав процесс теплопередачи не непрерывным, а ступенчатым. Пере­ ход от плавной линии теплоотдачи 6—2' (см. рис. 59) мы заменяем ступенчатым процессом теплообмена, причем каждая ступень вклю­ чает в себя изотермический отбор теплоты от потока рабочего агента (6—7, 8—9, 10—11, 12—13, 14—15) и последующий процесс изоэнтропийного расширения (7—8, 9—10, 11—12, 13—14, 15—2'). Совокупность двух указанных последовательных процессов заме­ няет непрерывно идущие процессы (6—8, 8—10, 10—12, 12—14, 14—2'). Число таких ступеней зависит от начальных параметров основного процесса расширения (точка 1).

Такой ступенчатый процесс регенеративного подогрева пита­ тельной воды был рассмотрен в § 43, где даны его конструктивная схема (см. рис. 60) и ее расчеты (см. рис. 61 и 62).

Возможность сконденсировать отобранный пар не в главном кон­ денсаторе, а в регенеративных подогревателях позволяет вернуть в цикл его скрытую теплоту конденсации. При этом снижается отвод теплоты во внешний холодный источник и повышается к. п. д. цикла. Весьма благоприятным оказывается также уменьшение количества пара, поступающего для конденсации в главный конденсатор. При низких давлениях конца процесса расширения удельный объем отработавшего пара достигает больших значений и последние сту­

378

пени турбоагрегата приобретают большие размеры, что удорожает турбоагрегат и снижает его внутренний к. п. д. Уменьшение массо­ вого количества пара, текущего через эти ступени в конденсатор, снижает при том же процессе расширения размеры последних сту­ пеней, позволяя повысить эффективность их работы.

Регенеративный цикл в том виде, как он представлен на рис. 68, может быть использован и для анализа интересующей нас установки MST-14. Поскольку в этом цикле процесс регенеративного тепло­ обмена был принят обратимым с бесконечно большим числом ступе­ ней, то полученный результат расчетов может считаться оптималь­ ным для такого же реального цикла, в частности для цикла установки MST-14. Используя принятые выше исходные данные для этой уста­ новки и пользуясь таблицами теплофизических свойств воды и водя­ ного пара [22], найдем параметры характерных точек регенератив­ ного теоретического основного цикла, изображенного на диаграмме

Т— s (см. рис. 68).

Линия 3— 8 на этой диаграмме определяется давлением рк конца процесса расширения в точке 2, которое нами принято рк = 0,0515 X X 105 Па.

Так как эта линия полностью находится в двухфазной области цикла, то для всех ее точек (3, 7, 9, 2', 10, 2) находим одинаковые зна­ чения следующих параметров:

/к= 33,42°С; Тк= 306,57 К;

г'к = 139,95 кДж/кг;

Гк = 2562,15 кДж/кг;

Sk = 0,48337 кДж/(кг - К);

Sk = 8,38483 кДж/(кг - К).

По этим данным определяем степень сухости пара на рассматри­

379