Цикл Карно для водяного пара

Использование ТРТ, изменяющего в течении цикла своё агрегатное состояние, позволяет осуществить на практике цикл Карно, состоящий, как известно, из 2 адиабат и 2 изотерм. Вследствие необратимости процессов течения реальные адиабатные процессы расширения и сжатия, конечно, несколько уменьшают _t цикла. Для того, чтобы практически приблизить реальные процессы к изотермическим процессам подвода и отвода тепла, в компрессорах применяют многоступенчатое сжатие воздуха с промежуточным охлаждением, а в ГТУ – ступенчатый подвод тепла.

Известно, что 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), а технически они осуществляются наиболее просто, представляют собой в то же время изотермические процессы. Таким образом, цикл из 2 адиабат и 2 изобар (которые в то же время являются изотермами) с использованием в качестве ТРТ влажного пара, и будет цикл Карно.

В паровой котёл 1 поступает влажный водяной пар малой степени сухости х. От сгорания топлива (уголь, мазут и т.п.) к влажному пару подводится тепло и х к 1. Процесс подвода тепла в котле происходит при р₁=const и T₁=const.

Затем пар поступает в паровую турбину 2, где поток пара при расширении приобретает значительную кинетическую энергию, которая на лопатках рабочего колеса турбины превращается в кинетическую энергию вращения рабочего колеса, а затем в электроэнергию с помощью электрогенератора 3, вращаемого турбиной.

Далее влажный пар с давлением р₂ и температурой Т₂ поступает в конденсатор 4 – теплообменник, в котором с помощью охлаждающей воды от пара отводится тепло при р₂=const, пар конденсируется и, следовательно, степень его сухости уменьшается.

После конденсатора влажный пар поступает в компрессор 5, в котором он адиабатно сжимается до давления р₁. Затем влажный пар вновь поступает в котёл и цикл замыкается.

Рис. 19.3. Цикл Карно

Подвод тепла q₁ к пару в котле осуществляется по изобаре-изотерме 4-1, процесс расширения в паровой турбине – по адиабате 1-2, отвод тепла q₂ в конденсаторе – по изобаре-изотерме 2-3, сжатие пара в компрессоре – по адиабате 3-4. Как и в цикле Карно с любым ТРТ:_t=(T₁-T₂)/T₁.

C учётом необратимых потерь на трение при расширении пара в турбине и при его сжатии в компрессоре в реальном цикле Карно с влажным паром происходит увеличение энтропии пара.

Т.к. критическая температура воды сравнительно невысока (374,15^оС), то невелик и интервал температур между нижней (порядка 25^оС) и верхней (не выше 340-350^оС) температурами цикла, ибо при большем приближении к критической точке резко сужается длина изобарно-изотермического участка 4-1 и, следовательно, относительно большую роль начинают играть снижающие _t неизоэнтропные участки 1-2 и 3-4; степень заполнения цикла уменьшается. Однако даже в этом сравнительно узком интервале предельных температур _t=1-[(25+273,15)/(350+273,15)]=0,52 весьма значителен.

В современных паротурбинных установках давление в конденсаторе поддерживается в интервале 0,0035-0,005 Мпа, поэтому удельный объём влажного пара, поступающего в компрессор, во много раз превышает объём жидкости.

Поэтому компрессор получается громоздким, металлоёмким и неудобным в эксплуатации, на привод которого затрачивается чрезмерно большая энергия. Например, если паротурбинная установка будет работать в пределах от р₁=10,0 МПа в парогенераторе до р₂=0,005 МПа в конденсаторе, то теоретическая работа компрессора составляет около 38% работы пара в турбине без учёта потерь на привод.

Кроме того условия работы проточных частей турбин и компрессоров оказываются тяжёлыми, течение оказывается газодинамически несовершенным.

Поэтому цикл Карно, осуществляемый во влажном паре, не нашёл практического применения.