Министерство образования и науки Украины
Одесский национальный политехнический университет
Кафедра теоретической, общей и нетрадиционной энергетики
Курсовая работа по технической термодинамике
на тему:
«Исследования способов повышения эффективности паросиловых циклов»
Выполнил:
Студент гр. ТЕ-1402
Опикунов
Ю. А
Проверил:
Ст. преподаватель
Андрющнко А. М.
Одесса 2016
План
1. Введение.
2. Основные характеристики идеального цикла Ренкина и ПСУ.
3. Сопряженное повышение начальных температуры и давления пара.
4. Понижение конечного давления пара.
5. Промежуточный или повторный перегрев пара.
6. Частичная регенерация.
7. Выводы.
8. Литература.
Введение
Назначение и типы теплоэнергетических установок (ТЕУ)
Назначение ТЭУ – превращение теплоты в работу с дальнейшей выработкой электрической энергии. Существуют стационарные и нестационарные ТЭУ. Среди стационарных наиболее распространение получили ПСУ, а среди нестационарных – ДВС и ГТУ. Эффективность перечисленных установок - низкая.
Рабочие процессы ТЭУ очень сложны, поэтому в основе расчета и анализа реальных циклов положена идея об идеальном образцовом цикле, в результате которого рабочее тело с максимальной эффективностью при постоянном расходе рабочего тела идеальный цикл Ренкина состоящий из двух изобар и двух изоэнтроп. (Рис. 1)
Рис.1 Принципиальная схема ПСУ
- Парогенератор
- Перегреватель
- Паровая турбина
- Электрогенератор
- Конденсатор
- Питательный насос
Вода в состоянии 4 поступает в парогенератор, где за счет первичных энергоресурсов превращается в сухой насыщенный пар(СНП), а за тем в перегретый пар (ПП); далее ПП в состоянии 1 поступает в паровою турбину, где без подвода тепла, расширяясь, совершает механическую работу. Отработавший пар в состоянии 2 из турбины поступает в конденсатор, где за счет отвода тепла к охлаждающей воде превращается в конденсат. Далее эта жидкость с помощью питательного насоса подается в парогенератор.
1. Основные характеристики идеального цикла Ренкина и
ПСУ
Таблица 1. Свойства водяного пара в переходных точках цикла
|
Номер точки на схеме |
Р, кПа |
t, º C |
h, кДж/кг |
s, кДж/(кг * К) |
Состояние рабочего тела |
|
1 |
7000 |
286 |
2773 |
5, 814 |
ПП |
|
2 |
5 |
32, 9 |
1771, 26 |
5, 814 |
ВНС х = 0, 6740 |
|
3 |
5 |
32, 9 |
137,8 |
0, 4762 |
х = 0 |
|
4 |
7000 |
33, 05 |
144, 8 |
0, 4762 |
ВОДА |
При 
= 5 кПа
= 0, 4762 кДж/(кг*К)
= 137, 72 кДж/ кг
= 8, 3952 кДж/(кг*К)
= 2561, 2 кДж/ кг
= (
- )/(
- ) = (5, 814 – 0,
4762) / (8, 3952- 0, 4762) = 0, 6740
=+(1 - )= 0, 6740*2561, 2 + (1 – 0, 6740)*137, 8 = 1771, 26
кДж/кг
Рис.2 Цикл Ренкина и эквивалентный ему цикл Карно в диаграмме T-S
1. Удельный теплоподвод:
q1 = h1-h4 = 2773 – 144, 8 = 2628, 2 кДж/кг
2. Удельный теплоотвод:
[q2] = h2 - h3 = Ts2(s2 - s3) = 1771,26 - 137.8 = 305.9*(5. 814 -
- 0.4762) = 1633 кДж/кг
3. Удельная работа получаемая в турбине:
lT = h1 - h2 = 2773 - 1771 = 1002 кДж/кг
4. Удельная затрачиваемая работа в насосе:
[lH] = h4 - h3 = 145 - 138 = 7 кДж/кг
В связи с тем, что h4 ненамного больше h3, обычно работа, затраченная в
питательном насосе, намного меньше, работы получаемой в турбине lH << lT.
Поэтому в учебных расчетах работой питательного насоса обычно
пренебрегают (lH = ~0). В этом случае в диаграмме точки 3 и 4 совпадают.
5. Удельная полезная работа в цикле:
lt = lT - [lH] = 1002 - 7 = 955 кДж/кг
6. Характеристика эффективности цикла Ренкина, тепломеханический коэффициент
ТМК:
h = l /q =955 / 2628,2 = 0.363
7. ТМК эквивалентного цикла Карно:
T1m = q1 / (s1 - s3) = 2628, 2 / (5.814 - 0.4762) = 492 K
T2m = q2 / (s1 - s3) = 1633 / (5.814 - 0.4762) = 306 K
ht=1 – T2m/T1m = 1 – 306/492 = 0,363
8. Расход пара на турбину:
N = 150 * 1002 = 150, 3 кВт = 150300 Вт
Д = N / (h1 - h2) = 150300 / (2773 – 1771) = 150 кг/с
9. Удельный расход пара:
dt = Д / N = 150 / 150300 = 0.000998 кг/кДж
10. Расход топлива:
B = Д(h1 - h4) / Qpн = 150 (2773 - 145) / 40000 = 98 кг/с
11. Удельный расход топлива:
bt = B / N = 98 / 150300 = 0.00065 кг/кДж
12. Расход охлаждающей воды:
Св = 4.2 кДж/(кг*К) h6 - h5 = СвΔt
W = Д(h2 - h3) = 150*(1771 - 138) = 244950 кг/с
13. Кратность охлаждения:
n = W / Д = 18225 / 770.5 = 23.6
2. Сопряженное повышение начальных температуры и
давления пара
Рис.3 Цикл Ренкина с увеличенными сопряженными и начальными параметрами
Пара
Таблица 2. Свойства Н2О при сопряженном повышении t1 до 425 оС и Р1 до 10 МПа
|
Номер точки |
Р, кПа |
t, оС |
h, кДж/кг |
s, кДж/(кг*К) |
Состояние рабочего стола |
|
1 |
10000 |
331.8 |
2843 |
5.814 |
ПП |
|
2 |
5 |
32.9 |
1771 |
5.814 |
x2=0.6741 |
|
3 |
5 |
32, 9 |
129.7 |
0, 4468 |
x3=0 |
При Р2 = 5 кПа:
s` = 0.4780 кДж/(кг*К)
h` = 138.29 кДж/кг
s`` = 8.4014 кДж/(кг*К)
h`` = 2561.2 кДж/кг
x2 = (s2 - s`) / (s`` - s`) = (5.814 - 0.4780)/(8.4014 - 0.4780) = 0.6741
h2 = x2h`` + (1 - x2)h` = 0.6741*2561 + (1-0.0.6741) * 138.29 = 1771 кДж/кг
1. Удельный теплоподвод:
q1 = h1 – h3 = 2843 – 138.29= 2704.7 кДж/кг
2. Удельный теплоотвод:
[q2] = h2 - h3 = Ts2 (s2 - s3) = 1771 - 138,29 = 306 (5.814 - 0,478) = 1632.7 кДж/кг
3. Удельная получаемая работа в цикле:
lt = lt - [lн] = q1 - [q2] = 2704.7 – 1632.7 = 1072 кДж/кг
4. Характеристика эффективности цикла Ренкина, ТМК:
ηt = lt / q1 = 1072 / 2704.7 = 0.396
5. ТМК эквивалентного цикла Карно:
T1m = q1/(s1 - s3) = 2704.7/(5.814 - 0.478) = 506.8 K
T2m = q2/(s1 - s3) = 1632.7/(5.814 – 0, 0.478) = 305.9 K
η
= 1 - (Tm2/Tm1) = 1 - 306/519 = 0.396
3. Понижение конечного давления пара
Рис. 4 Цикл Ренкина с понижением конечного давления пара
Таблица 3. Свойства Н2О при понижении конечного давления Р2 до 3 МПа
|
Номер точки |
Р, кПа |
t, оС |
h, кДж/кг |
s, кДж/кг |
Состояние рабочего стола |
|
1 |
7000 |
286 |
2773 |
5, 814 |
ПП |
|
2 |
3 |
24,08 |
1771,1 |
5,814 |
x2=0.6741 |
|
3 |
3 |
24,08 |
185,8 |
0,4763 |
x3=0 |
|
4 |
7000 |
33,05 |
144,8 |
0,4763 |
Вода |
При Р2 = 3 кПа:
s` = 0.4763 кДж/(К *кг)
h` = 137,77 кДж/кг
s`` = 8.3939 кДж/(К *кг)
h`` = 2560.8 кДж/кг
x2 = (s2 - s`)/(s`` - s`) = (5.814 - 0.4763)/(8.3939 - 0.4763) = 0.6741
h2 = x2h`` + (1 - x2)h`=0.6741*2560,8 + (1 - 0.6741)*137,77=1771,1 кДж/кг
1. Удельный теплоподвод:
q1 = h1 - h4 = 2773 – 144,8 = 2628,2 кДж/кг
2. Удельный теплоотвод:
[q2] = h2 – h3 = Ts2(s2 – s3) = 1771,1 – 141,2 = 297(5,814 - 0.4763) = 1585.3 кДж/кг
3. Удельная работа получаемая в турбине:
lt = h1 - h2 = 2773 – 1771,1= 1001,9кДж/кг
4. Удельная затрачиваемая работа в насосе:
[lн] = h4 - h3=144,8 – 141,2 = 3,6 кДж/кг
5. Удельная получаемая работа в цикле:
lt = lt - [lн] = q1-[q2] = 2628,2 – 1629,9 = 988,3 кДж/кг
6. Характеристика эффективности цикла Ренкина, ТМК:
ηt = lt / q1 = 988,3 / 2626,2 = 0,3798
7. ТМК эквивалентного цикла Карно:
T1m = q1/(s1 - s3) = 2628,2/(5.814 - 0.4763) = 492.4 K
T2m = q2/(s1 - s3) = 1585.3/(5.814 - 0.4763) = 297 K
ηt
k = 1 - (T2m/T1m) = 1 – 297/500 = 0.3798
4. Промежуточный или повторный перегрев пара
Этот способ возник как технологическое средство борьбы с влажностью пара на выходе из турбины. Как в последствии выяснилось при Рп.п. = (0,15 … 0,25)Р1 эффективность цикла Ренкина увеличивается. Это связанно с увеличением Тm1. На рисунке 5 показана схема ПСУ с вторичным перегревом пара.
Рис. 5 Схема ПСУ с вторичным перегревом пара
Рис. 6 Цикл Ренкина с вторичным перегревом пара
Процессы в цикле с промежуточным перегревом пара:
4-1 – изобарный подвод тепла в парогенераторе;
1-с – изоэнтропное расширение пара Ц.В.Д., процесс совершения работы;
с-d – изобарный подвод тепла во вторичном перегревателе;
d-2 – изоэнтропное расширение пара в Ц.Н.Д., процесс совершения работы;
2-3 – изобарно-изотермический процесс отвода тепла в конденсаторе;
3-4 – изоэнтропное сжатие в насосе.
Таблица 4. Свойства водяного пара в переходных точках цикла
|
Номер точки |
Р, кПа |
t, оС |
h, кДж/кг |
s, кДж/кг |
Состояние рабочего стола |
|
1 |
7000 |
286 |
2773 |
5, 814 |
ПП |
|
с |
2000 |
212.4 |
2544 |
5,814 |
x2=0.8650 |
|
d |
2000 |
286 |
2991 |
6.708 |
ПП |
|
2пп |
5 |
32.88 |
2543.3 |
6.708 |
ВНП X2пп = 0.7870 |
|
3 |
5 |
32.88 |
137.77 |
0.4763 |
X3 = 0 |
т. с
При Рс = 2000 кПа
s` = 2.4470 кДж/(кг*К)
h’ = 908.6 кДж/кг
xc = (sc-s’)/(s’’-s’) = (5.814- 2.4470)/(6.3392 – 2.4470) = 0.8650
s’’ = 6.3392 кДж/(кг*К)
h’’ = 2798.4 кДж/кг
hc = xch’’ + (1-xc)h’ = 0.8650 * 2798.4 + (1 - 0.8650) * 908.6= 2543.3 кДж/кг
т. 2пп
При Рс = 5 кПа
s’ = 0.4763 кДж/(кг*К)
h’ = 137.77 кДж/кг
x2пп = (s2пп-s’)/(s’’-s’)= (6.708-0.4763)/(8.3939-0.4763) = 0.7870
s’’ = 8.3939 кДж/(кг*К)
h’’ = 2560.8 кДж/кг
h2пп = x2ппh’’ + (1-x2пп)h’ = 0.7870*2560.8 + (1 - 0.849)*137.7 = 2044.8 кДж/кг
Расчетные соотношения для цикла Ренкина со вторичным
перегревом пара, (lн = 0)
1. Удельный внешний теплоподвод:
q1 = (h1 - h3)+(hd - hc) = (2773 - 137.77)+(2991 – 2543.3) = 3082.9 кДж/кг
2. Удельный внешний теплоотвод:
q2 = h2пп - h3 = 2044.8 - 137.77 = 1907 кДж/кг
3. Полезная работа в цикле:
lt = q1 - q2 = 3082.9 – 1907 = 1175.9 кДж/кг
Контроль: Удельная работа пара в турбине:
lt = (h1 - hc)+(hd - h2пп) = (2773 – 2543.3)+(2991 – 2044.8) = 1175.9кДж/кг
4. Т.М.К.:
ηt = lt / q1 = 1175.98 / 3082.9 = 0.3814
5. Т.М.К. эквивалентного цикла Карно:
Tm1 = q1/(s2пп - s3) = 3082.9 / (6.708 - 0.4763) = 494.7 K
Tm2 = Tm2исх. = 306
ηt
k = 1-(T2m/T1m) = 1-(510/306) = 0.3814
5. Частичная регенерация
Предельно-регенеративный цикл Ренкина не может быть осуществлен на практике в связи с невозможностью инженерной компоновки поверхности нагрева в пределах турбины, а также из-за недопустимой влажности в точке d. На практике применяется частичная регенерация при использовании выносных теплообменных аппаратов поверхностного или смешивающего типа. Питательная вода греется в них последовательно за счет промежуточных отборов пара из турбины. В связи с тем, что в цикле Ренкина с частичной регенерацией расход пара на разных участках различен, такой цикл в диаграмме T-s обычно не показывают. На рисунке 7 показана схема ПСУ с тремя подогревателями смешивающего типа.
Рис. 7 Схема ПСУ с тремя регенеративными подогревателями смешивающего типа
Рис. 8 Процесс расширения пара в турбине с пароотборами
Таблица 5.
Свойства Н2О в переходных точках цикла ПСУ с частичной
Регенерацией
|
Номер точки |
Р, кПа |
t, оС |
h, кДж/кг |
s, кДж/кг |
Состояние рабочего стола |
|
|
7000 |
286 |
2773 |
5,814 |
ПП |
|
|
2600 |
226,1 |
2589.3 |
5,814 |
ПП |
|
|
633 |
161 |
2356 |
5,814 |
ВНП XO2 = 0.8069 |
|
|
90 |
97 |
2085,8 |
5,814 |
ВНП XO3 = 0.825 |
|
|
2600 |
226 |
971,4 |
2,573 |
XO1 = 0 |
|
|
633 |
161 |
681,5 |
1,9565 |
XO2 = 0 |
|
|
90 |
97 |
405,13 |
1,2694 |
XO3 = 0 |
|
2 |
5000 |
32,9 |
1771,9 |
5,814 |
ВНП X2 = 0.6740 |
|
3(k) |
5000 |
32,9 |
137,77 |
0,4763 |
X3 = 0 |
Т. О1
При tO1= 226,1 C, So2=5,814 кДж/(кг*К)
s` = 2,5738 кДж/(кг*К)
h` = 971,1 кДж/кг
xo2 = (s02 - s`)/(s`` - s`) = (5,814-2,5738)/(6,2411-2,5738) = 0.8835
s`` = 6,2411 кДж/(кг*К)
h`` = 2802,5 кДж/кг
ho2 = xo2h`` + (1-xo2)h`= 2589.3 кДж/кг
т. О2
При tO2 = 161 C, So2 = S1 = 6.323 кДж/(кг*К)
s` = 1.9565 кДж/(кг*К)
h` = 681,5 кДж/кг
xo2 = (s02 - s`)/(s`` - s`) = (5.814 - 1.9565) / (6.7374 - 1.9565) = 0.8069
s`` = 6.7374 кДж/(кг*К)
h`` = 2758,9 кДж/кг
ho2 = xo2h`` + (1-xo2)h` = 0.8069 * 2758,9 + (1 - 0,8069) * 681,5 = 2776,5 кДж/кг
т. О3
При tO3 = 97 C, So3 = S1 = 5,814 кДж/(кг*К)
s` = 1.2694 кЖд/(кг*К)
h` = 405,13 кДж/кг
xo3 = (so3 - s`)/(s`` - s`) = (5,814 - 1.2694)/(7.3942 - 1.2694) = 0,7419
s`` = 6.3963 кДж/(кг*К)
h`` = 2670,3 кДж/кг
ho3 = xo3h`` + (1 - xo3)h` = 0,7419 * 2670,3 + (1 - 0,7419)*405,13 = 2085,8 кДж/кг
Расчетные соотношения для расчета ПСУ с частичной
регенерацией
1. Температурный напор между подогревателями:
Δt = (ts1-ts2)/(z+1) = (286-32,9)/(3+1) = 63,2 К = ΔT
2. Доля пара из 1-го пароотбора:
a1 = (ho1` - ho2`)/(ho1 - ho2`) = (971,8 – 681,5) / (2590 – 681,5) = 0.152
3. Доля пара из 2-го пароотбора:
a2 = (1 - a1)((ho2` - ho3`) / (ho2 - ho3`)) = (1- 0.152)((681,5 – 405,13)/(2356 – 405,13)) = 0.12
4. Доля пара из 3-го пароотбора:
a3 = (1-a1-a2)((ho3`-hk`)/(ho3-hk`) = (1-0.152-0.12)((405,13-137,77)/(2085,8-137,77)) = 0.01
5. Доля пара, идущего на конденсатор:
ak = 1 - a1 - a2 - a3 = 1 - 0.134 - 0.11 - 0.09 = 0.638
6. Удельный теплоподвод:
q1 = h1-hпит.воды = 2773 – 971,8 = 1801,2 кДж/кг (hпит.воды = ho1`).
7. Удельный теплоотвод:
q2 = ak(h2 - hk) = 0.638(1771,9 – 137,77) = 1042,5 кДж/кг (hk = h3)
8. Полезная работа в цикле:
lt = q1 - q2 = 1801,2 – 1042,5 = 758,6 кДж/кг
9. Т.М.К.
ηt = lt/q1 = 939 / 2122 = 0.4211
Выводы
Среди рассмотренных способов повышения Т.М.К. цикла Ренкина наиболее эффективным является цикл Ренкина с регенерацией теплоты. Повышение сопряженных начальных параметров пара имеет большое влияние на эффективность цикла Ренкина, а также на удельный расход топлива и кратность охлаждения: увеличивается тепломеханический коэффициент, уменьшается удельный расход топлива. Понижение конечного давления пара ограничено условиями окружающей среды. Применение регенеративного подогрева питательной воды приводит к увеличению эффективности цикла. Оптимальное число регенеративных подогревателей выбирается на основании технико-экономического расчета паросиловой установки.
Литература
1. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров С.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Изд-во стандартов, 1969. – 408 с.
2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: Энергия, 1974. – 496 с.
3. Попова Т.М. Техническая термодинамика: Конспект лекций. – Одесса: ОГПУ,1996. – 74 с.
(zip - application/zip)
Статистика файлового архива
