17.1. Цикл Карно

Использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла свое агрегатное состояние, позволяет осуществить на практике цикл Карно.

Напомним, что цикл Карно из двух адиабат и двух изотерм. Практически осуществление адиабатных процессов не представляет особых трудностей. Отклонения реальных адиабатных процессов расширения и сжатия от изоэнтропы, обусловленные необратимостью процессов течения, конечно, приводят к уменьшению термического КПД цикла, однако это уменьшение не слишком велико.

Практическое осуществление изотермических процессов подвода и отвода тепла в газовых теплосиловых установках сопряжено с непреодолимыми трудностями. Для того чтобы по возможности приблизить реальные процессы к изотермическим, применяют многоступенчатое сжатие воздуха с промежуточным охлаждением (в компрессорах) и ступенчатый подвод тепла (в газотурбинных установках).

Совершенно иначе обстоит дело в паросиловых циклах.

В случае потока вещества технически наиболее просто осуществимым процессом подвода или отвода тепла является изобарный процесс. Ранее были рассмотрены условия протекания изобарного процесса подвода или отвода тепла при постоянной температуре. Это–процесс фазового перехода чистого вещества из жидкого в газообразное состояние. Внутри двухфазной области состояний чистого вещества изобары совпадают с изотермами; следовательно, изобарный процесс подвода тепла к влажному пару (т. е. парообразование), равно как и изобарный процесс отвода тепла от влажного пара (т. е. конденсация), легко осуществимые на практике, представляют собой в то же время изотермические процессы. Отсюда следует, что если использовать влажный пар в качестве рабочего тела и осуществить цикл, составленный из двух адиабат и двух изобар (которые в то же время являются изотермами), то это и будет цикл Карно.

Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, представлен на рис. 75.

Рисунок 75 – Принципиальная схема ПТУ: 1 – паровой котёл; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – конденсационный насос; 7 – питательный бак; 8 – питательный насос; 9 – подогреватель.

Химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания, которая затем в виде теплоты воде или пару в котле 1 и перегревателе 2. Полученный пар направляется в паровую турбину 3, где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем обычно в электрическую энергию в электрогенераторе 4. Отработавший пар поступает в конденсатор 5, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом 6 направляется в питательный бак 7, откуда питательная вода забирается питательным насосом 8, сжимается до давления, равного давлению в котле, и подается через подогреватель 9 в паровой котел 1.

Описанный цикл изображен в –диаграмме на рис. 76, в –диаграмме на рис. 77.

υ

Рисунок 76 – Цикл Карно в – диаграмме для насыщенного пара.

- (∙) 0 характеризует начальное состояние кипящей воды при давлении , воде при постоянной температуре и постоянном давлении сообщается удельное количество теплоты , равное теплоте парообразования (процесс 0–1);

- полученный сухой насыщенный пар от (∙) 1 расширяется по адиабате в цилиндре паровой турбины до давления р₂ процесс (1–2), температура понижается до конденсатора и степень сухости уменьшается от до ;

- образовавшийся влажный пар со степенью сухости частично конденсируется при постоянной температуре и давлении до (∙) 3 (процесс 2–3), при этом сухость его уменьшается до ; от пара отводится удельное количество теплоты

;

- от (∙) 3 пар по адиабате сжимается в компрессоре до начального состояния и пар полностью превращается в кипящую воду.

Рисунок 77 – Цикл Карно в –диаграмме для насыщенного пара.

Паротурбинная установка, работающая по циклу Карно, должна состоять из парового котла (процесс 0–1), парового двигателя (процесс 1–2), конденсатора (процесс 2–3) и компрессора (процесс 3 – 0). Термический КПД цикла Карно, где в качестве рабочего тела используют насыщенный водяной пар, по уравнению

Применение перегретого пара в цикле Карно не увеличивает его КПД, если пределы температур остаются без изменения. На рис. 77 цикл Карно для насыщенного пара изображается площадью 01230, а для перегретого пара – площадью 04530. Из рисунка видно, что КПД обоих циклов одинаковы.

Паросиловые установки, работающие по циклу Карно, имеют существенные недостатки, которые делают нецелесообразным их применение. Эти недостатки заключаются в следующем: в процессе 2–3 конденсация пара осуществляется не полностью, вследствие чего объем цилиндра компрессора при адиабатном сжатии влажного пара от точки 3 до 0 при давлении должен быть весьма значительным, а это требует большого расхода металла. Размеры цилиндра компрессора увеличиваются с возрастанием начального давления пара и уменьшением давления в конденсаторе, т. е. при переходе к более выгодным температурным режимам. Кроме того, необходимость осуществления цикла Карно только в области двухфазных состояний не позволяет иметь высокую начальную температуру пара, ограниченную в пределе критической температурой, т. е. не дает возможности получить достаточно большие значения термического КПД цикла.

Главное же заключается в том, что затрачиваемая действительная работа на привод компрессора значительно больше теоретической вследствие наличия в нем больших потерь, связанных с необратимостью протекающих процессов. Эти потери могут увеличить действительную работу по сравнению с теоретической на и выше.

Реальный цикл, осуществляемый во влажном паре и составленный из двух изобар-изотерм и двух адиабат, условно изображен на рис. 78 с учетом необратимых потерь на трение при расширении пара в турбине и при его сжатии в компрессоре.

Рисунок 78 – Реальный цикл с учетом потерь на трение.

Здесь – увеличение энтропии пара в процессе адиабатного расширения, обусловленное трением, а – увеличение энтропии пара при его сжатии в компрессоре.

Из выше сказанного следует, что осуществление цикла Карно во влажном паре вполне возможно. Поскольку критическая температура воды сравнительно невысокая ( ), то невелик и интервал температур между нижней (порядка ) и верхней (не выше ) температурами цикла, так как при большем приближении к критической точке резко сужается изобарно-изотермического участка 0–1 и, следовательно, относительно большее влияние оказывают снижающие термический КПД цикла неизоэнтропные участки 1–2 и 3–4, степень заполнения цикла уменьшается. Однако даже в этом сравнительно узком интервале предельных температур величина для обратимого цикла Карно, осуществляемого во влажном паре, оказывается весьма значительной:

Тем не менее, с учетом условий работы теплосилового оборудования практическое осуществление этого цикла нецелесообразно, так как при работе на влажном паре, который представляет собой поток сухого насыщенного пара с взвешенными в нем капельками воды, условия работы проточных частей турбин и компрессоров оказываются тяжелыми, течение оказывается газодинамически несовершенным и внутренний относительный кпд этих машин снижается. Тогда внутренний абсолютный КПД цикла

Важно и то, что компрессор для сжатия влажного пара с малыми давлениями и большими удельными объемами представляет собой весьма громоздкое, не удобное в эксплуатации устройство, на привод которого затрачивается чрезмерно большая энергия. По этим причинам цикл Карно, осуществляемый на влажном паре, не нашел практического применения.