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

Выше для основного цикла величина Q fn была определена:

Q°2ca = 1183,18 кДж/кг;

следовательно, для дополнительного цикла получим .

Q§on = Q 2 — Q£CH= 2306,10 — 1183,18 =

= 1122,92 кДж/кг.

Эту же цифру можно получить по формуле

QiCH= 2327,12 кДж/кг.

В дополнительном цикле теплообмен с горячим источником про­ исходит только по линии II—/п. п (см. рис. 69). Выше (стр. 390) была получена его величина:

Qn. п =410,31 кДж/кг.

Кроме того, в дополнительном цикле имеется внутренний тепло­ обмен, поднимающий энтальпию рабочего агента, но вытесняющий собой соответственное количество внешнего теплообмена. Это нагрев пара в процессе его расширения в политропном процессе 1—II (см. рис. 69), идущий по изобаре 22,555 • 10s Па от точки 1а до точки II. Теплота его определяется разностью энтальпий конечной и началь­ ной точек:

in — iia = 3079,39 — 2973,34 = 106,05 кДж/кг.

Затем, расширившись в дополнительном цикле, пар из-за политропности процесса расширения нагревается по изобаре 11—8 (см. рис. 69). Теплота этого внутреннего нагрева также определяется по разности энтальпий конечной и начальной точек процесса нагрева:

ia — ilt = 2445,95 — 2278,18 = 167,77 кДж/кг.

Величину Qn. п мы рассчитали уже с учетом обоих видов внутрен­ него нагрева пара. Однако в случае идеальных изоэнтропийных про­ цессов расширения в основном и дополнительном циклах количество теплоты, получаемой паром извне в процессе расширения, могло бы быть увеличено на суммарную величину обоих внутренних нагре­ вов, т. е. на 322,11 кДж/кг, и было бы не 410,31, а 732,42 кДж/кг. Этот простой расчет показывает, насколько важно иметь экономич­ ные турбины в тепловой схеме пароводяного цикла с промежуточ­ ными перегревами.

399

Найдем теперь результаты работы основного й дополнитель­ ного циклов. Для первого из них имеем:

Q°CH= 2327,12 кДж/кг;

QzCH= 1183,18 кДж/кг,

и, кроме того, теплоту регенеративного нагрева питательной воды, полученную внутренним нагревом рабочего агента, но используемую в процессе выработки механической энергии. Таким образом, полез­ ная отдача (техническая работа) основного цикла может быть рассчитана по формуле

l och = q o c h _ Q O C H + 231,60 = 2327,12 -

— 1183,18 -)- 231,60 = 1375,54 кДж/кг.

Однако из-за промежуточного подогрева пара не вся эта энергия выдается в виде механической, так как процесс расширения в основ­ ном цикле не доводится до конца. Он останавливается на изобаре 22,555 • 105 Па в точке 1а (см. рис. 69), и остающаяся часть располагае­ мой энергии процесса расширения передается в дополнительный цикл. Коэффициент использования тепловой энергии в основном цикле можно принять

Что касается дополнительного цикла, то его внешний теплообмен ограничен величиной Qn, п = 410,31 кДж/кг. Однако мы должны считать, что располагаемая энергия незаконченного в основном цикле процесса расширения, равная разности энтальпий точек 1а и 2 тоже передается дополнительному циклу как внешний теплообмен.

Тогда

работа L?on получается также за счет внутреннего теплообмена, происходящего в потоке вследствие возврата потерь на трение в политропном процессе расширения. Здесь надо учесть внутренний нагрев по изобаре 22,555-105 Па от точки 1а до точки II. Рассчиты­ вая величину этого нагрева по разности энтальпий крайних точек процесса, получаем

<7м-п = hi — ha = Ю6,05 кДж/кг.

точки 8. Этот нагрев можно рассчитать по разности энтальпий точек 11 и 8\ он составляет 167,77 кДж/кг. Прибавив эти два значения вну­

треннего теплообмена к Qion, найдем суммарный внешний и внутрен­

400

Q? -f- tfla—ll “Ь Qll—8 — 1360,75 -j-

+ 106,05 + 167,77 = 1634,57 кДж/кг.

Оценивая качество работы дополнительного цикла, надо учесть, что мы ждем от него также дополнительной выработки технической работы, потерянной в основном цикле из-за отборов на регенерацию.

Поэтому величину Q2011 следует уменьшить на разность энтальпий 2

и 2':

Здесь учтены те особенности исследования идеальных циклов, которые предлагаются в изложенной методике. Речь идет о том, что мы вводим идеализацию процессов цикла только в отношении их обратимости. Реальные физические свойства рабочих агентов мы оставляем и учитываем их, определяя термодинамические параметры процессов по экспериментальным таблицам, а не по расчетам с по­ мощью уравнений состояния идеальных газов. Кроме того, даже в расчетах идеализированных процессов мы не хотим пренебрегать физическим свойством вязкости рабочего агента, тесно связанным с его термодинамическими параметрами. Основной цикл мы ограни­ чили его изоэнтропой расширения (вертикаль 1—2 на рис. 68 и 69) и потому, исследуя этот цикл, не столкнулись с трудностями, встре­ тившимися при исследовании дополнительного цикла.

В формуле (465) под обозначением 2 Ц мы ввели в расчет сумму энергетических потерь на трение в потоке как фактор нагрева по­ тока внутренним теплообменом. Там же введено обозначение Д('2- 2' как фактор участия в цикле процессов, снижающих энтропию ра­ бочего агента. В данном случае таким процессом оказался процесс 6—2' с отводом теплоты от рабочего агента, заменивший теплоизо­ лированный процесс 6—2. Такие процессы бывают экономически выгодно вводить в цикл. В данном случае процесс 6—2' полезен тем, что он уменьшает теплообмен с холодным источником. Поэтому нормально рассчитанный теплообмен в данном случае оказалось возможно снизить, вычтя из него Дг'2- 2'. Если идеализацию процес­ сов цикла сделать предельной, придав этим процессам все свойства изменения состояния идеальных газов, то в формуле (465) величины 2 7 й Дг'2- 2' окажутся равными нулю и теоретические формулы и расчеты станут более абстрактными. К. п. д. цикла, рассчитанный по

26 В. К- Васильев

формуле (465), может быть использован только для суждения о ка­ честве процессов дополнительного цикла, а для того, чтобы его можно было связать с основным циклом в общий комбинированный цикл, к. п. д. должен быть определен иначе. Например, приняв иную си­ стему регенерации, можно исключить величину Л/2_ 2',и тогда рас­ четная формула для к. п. д. дополнительного цикла будет выглядеть так:

wn_ (Qr + S g ) - < ? r

U Qfon+Sfl

1634,57— 1122,92 = 0,3130. 1634,57

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оценка циклов энергетических установок и процессов, состав­ ляющих эти циклы, производится на основе современных достиже­ ний теплофизики. В связи с этим в книге кратко, со ссылками на литературные источники изложены теплофизические основы совре­ менной энергетики. Особое внимание при этом обращено на уточне­ ние теплофизических расчетов циклов и процессов, с использованием таблиц термодинамических параметров и теплофизических свойств рабочих агентов и теплоносителей, применяемых в энергетических установках [22], [23], [72]. Эти экспериментальные табличные дан­ ные взяты автором за основу при составлении рабочих таблиц, со­ держащих энергетические параметры газов и паров, в форме, допу­ скающей непосредственное применение этих таблиц при теплофизи­ ческих расчетах. В таблицах даны значения энергетических пара­ метров в двухпараметрической зависимости от температуры и дав­ ления.

Такая обработка современных экспериментальных данных по теплофизическим свойствам газов и паров позволила использовать в расчетной практике уравнение состояния реальных газов и паров в виде формулы (222), причем коэффициент сжимаемости а вошел в таблицы приложения как существенно необходимый параметр состояния. Введение этого параметра дало возможность уточнить теплофизические расчеты циклов до пятого десятичного знака. Вместе с тем отпала необходимость идеализировать рабочий агент, приписывая ему свойства идеальных газов, подчиняющихся уравне­ нию состояния в форме (204). Такая идеализация остается целесооб­ разной лишь в начальной стадии расчетов, где она позволяет быстро

402

и с Достаточной точностью выявить основные свойства циклов и со­ ставляющих их процессов.

Современная теория энергетических циклов рассмотрена в книге с разделением циклов на простые и сложные. Теория простых циклов газов и паров изложена достаточно полно для проектирования этих циклов с учетом заданных свойств и назначения энергетической уста­ новки.

Теория сложных циклов в книге лишь намечена как развитие теории простых циклов. Это объясняется тем, что по сложным циклам еще нет достаточного промышленного опыта, в настоящее время он только начинает накапливаться при эксплуатации современных (по существу еще экспериментальных) установок. Создание таких установок обусловлено требованиями современного этапа техни­ ческого прогресса. Прежде всего это относится к циклам атомных энергетических установок с пароводяными, газоводяными и жидко­ металлическими теплоносителями, а также к циклам парогазовых установок. Сюда же можно отнести циклы, где используются новые приципы трансформации первичной энергии в полезную работу.

Сложные циклы в книге представлены как комбинация простых, причем возникает большое разнообразие таких комбинаций. Лучше всего поиски оптимальных решений проектных задач такого типа начинать с рассмотрения и исследования принципиальных тепловых схем существующих промышленных установок (хотя бы эксперимен­ тальных), работающих по сложным циклам. Рекомендуется при этом в таких принципиальных схемах выделять основной простой цикл с его достаточно точной расчетной оценкой и дополнительные простые циклы, восполняющие недостаточность основного простого цикла для удовлетворения специфических требований проектного задания на энергетическую установку. Ввиду большого разнообразия возможных комбинаций основного и дополнительных простых циклов оптимальное решение может быть получено путем вариантных точ­ ных расчетов сложного цикла.

Рассмотрение принципиальной тепловой схемы рекомендуется начинать с установления так называемого предельного цикла, площадь которого на поле диаграммы Т—s определяется предель­ ными изотермами и изобарами. В эту площадь должны вписываться все простые циклы и процессы, входящие в сложный цикл. Путем теплофизических расчетов определяется энергетическая отдача всех компонентов сложного цикла внешнему потребителю. Эта количественная оценка, выполненная по отношению к полезной площади предельного цикла, может служить показателем качества выбора простых циклов и их комбинации.

Изложенная в книге теория простых циклов позволяет выпол­ нять такие расчеты с предельно возможной точностью и вырабаты­ вать рекомендации для оптимизации проектных заданий.

26*