12.1 Цикл Карно для водяного пара и его недостатки

Рисунок 12.1

.

Нетрудно видеть, что коэффициент заполнения фактически представляет собой относительный термический к. п. д. цикла, т.е. отношение термического к. п. д. рассматриваемого цикла к термическому к. п. д. соответствующего цикла Карно. Из рисунка 12.1 видно, что у газовых циклов коэффициент заполнения значительно меньше единицы, потому что изобарные процессы подвода тепла (линия 2-3) и отвода тепла (линия 4-1) осуществляются при переменной температуре. Если же вместо неконденсирующегося газа в качестве рабочего тела использовать влажный пар какого-либо вещества, то в принципе становится возможным доведение коэффициента заполнения цикла до единицы (т.е. осуществление цикла Карно), ибо в области влажного пара легко осуществимые изобарные процессы одновременно являются процессами изотермическими.

Требования, которым должно удовлетворять такое рабочее тело, определяются с одной стороны параметрами окружающей среды, а с другой – параметрами самого рабочего тела, которые можно считать достижимыми при современном уровне техники.

Температура окружающей среды является нижним температурным, пределом осуществляемого цикла, поэтому температура тройной точки рабочего тела должна быть не выше ее. Давление в тройной точке должно быть по возможности ниже, но не меньше атмосферного, чтобы установке не пришлось работать в условиях вакуума.

Верхним пределом температуры рабочего тела, определяемым из условия прочности металла при длительном воздействии на него высоких температур, в настоящее время можно считать температуру около 600 °С. Чтобы при этой температуре теплота парообразования была достаточно большой, критическая температура рабочего тела должна быть значительно выше нее (следует вспомнить, что по мере приближения температуры влажного пара к критической теплота парообразования уменьшается, а при критической температуре становится равной нулю). Одновременно давление насыщения на верхнем температурном пределе должно быть по возможности ниже, ибо работа установки на высоком давлении связана с утяжелением и усложнением ее конструкции. В настоящее время считается, что с этой точки зрения предельным является давление около 300 бар.

Веществ, которые удовлетворяли бы перечисленным требованиям по всем пунктам, в природе не существует, наиболее же подходящим по своим теплофизическим свойствам является водяной пар. Вода широко распространена в природе и дешева, поэтому естественно, что именно водяной пар и использовался в качестве рабочего тела еще на начальной стадии развития теплосиловых установок, в основном он используется и в современной стационарной теплоэнергетике.

Рассмотрим вопрос о практической осуществимости на водяном паре цикла Карно, представленною в р – и Ts-диаграммах на рисунке 12.2,а и б.

Этот цикл состоит из изобарно-изотермического процесса парообразования 4-1, адиабатного расширения пара 1-2, изобарно-изотермического процесса неполной конденсации пара 2-3 и, наконец, адиабатного сжатия влажного пара 3-4 с полным превращением его в воду.

а) б)

Рисунок 12.2

Нижняя температура такого цикла определяется параметрами тройной точки воды и получается равной около 25°С как с точки зрения возможности теплообмена с окружающей средой при конденсации пара, так и с точки зрения практической достижимости глубокого вакуума (этой температуре соответствует р₂=0,03 бар). Верхняя температура такого цикла определяется критической температурой воды (374,15°С) может быть принятой около 350°С чему соответствует p₁ около 170 бар.

Таким образом, располагаемый диапазон температур ограничивается неблагоприятными теплофизическими свойствами воды и, несмотря на большой перепад давлений, получается довольно узким. Соответственно и максимально достижимый термический к. п. д. цикла составляет всего

,

что само по себе уже ставит под сомнение целесообразность применения цикла Карно в паросиловых установках.

Однако не это соображение является главным. Если бы можно было создать технически совершенную установку с таким термическим к. п. д., то цикл Карно, вероятно, нашел бы практическое применение. Основным препятствием в данном случае является именно практическая неосуществимость такой установки.

Действительно, несложный расчет показывает, что при использовании сухого насыщенного пара с параметрами p₁=170 бар и t₁ =352°С (которые выше были приняты за предельно высокие) конечная влажность его при адиабатном расширении до р₂ =0,03 бар составляет 41,3%. Таким образом, двигателю пришлось бы работать в чрезвычайно неблагоприятных гидродинамических условиях очень высокой влажности пара.

Далее, на осуществление адиабатного сжатия частично сконденсировавшегося при р₂=0,03 бар отработавшего пара до начального давления p₁ =170 бар с полным превращением его в воду необходимо затратить работу l_Т = 5б2 кДж/кг, что составляет 55,3% всей работы l_Т =1014 кДж/кг, совершаемой двигателем. Это означает, что компрессор по своим габаритам был бы соизмерим с самим двигателем, гидродинамические же условия его работы были бы еще тяжелее, чем у последнего (по расчету начальная влажность адиабатного сжатия получается равной 58%, конечная же влажность, как ясно из сказанного, составляет 100%). Даже если бы можно было создать двигатель и компрессор, приспособленные к работе в области влажного пара, их механический к. п. д. неизбежно был бы весьма мал в силу высоких гидродинамических потерь.

Снижение начального давления p₁ и повышение конечного давления р₂ изменяет и улучшает условия работы двигателя, но при этом уменьшается термический к. п. д. цикла. Так, при p₁=10 бар и р₂ =1 бар величина lк составляет лишь 8,6% от l_Т, но зато и термический к. п. д. получается равным всего лишь 0,176.

Приведенные данные показывают, что паросиловые установки, в которых нашел бы практическое осуществление цикл Карно, являются совершенно бесперспективными. Поэтому развитие паросиловой техники с самого начала пошло в другом направлении, связанном с полной конденсацией отработавшего пара и применением перегретого пара. Это направление открыло большие возможности расширения используемого температурного интервала и соответственно повышения термического к. п. д. паросилового цикла.