МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Тюменская государственная архитектурно-строительная академия Кафедра ПТ Термодинамические циклы паросиловых установок Методические указания к расчетно-графической работе по дисциплине "Теоретические основы теплотехники" раздел "Техническая термодинамика" для студентов специальности - 100700 "Промышленная теплоэнергетика" Тюмень 2002 2 Термодинамические циклы паросиловых установок. Моисеев Б.В., Яблонский Ю.П. Методические указания для студентов специальности ПТ. Тюмень: ТюмГАСА, 2002. – 18 с. Рецензент - к.т.н., доцент кафедры ПТ В.Л. Ли Учебно-методический материал обсужден и утвержден на заседании кафедры "Промышленная теплоэнергетика" протокол № ___ от "___" ___________ 2002 г. Зав. кафедрой ПТ д.т.н., профессор Учебно-методический материал утвержден УМС академии: Протокол № ___ от "___" ___________ 2002 г. Тираж 100 экземпляров Степанов О.А. 3 ВВЕДЕНИЕ В предлагаемом методическом указании приведѐн пример расчѐта термодинамического цикла паросиловых установок, рекомендуемого в качестве домашнего задания для студентов. Домашнее задание по термодинамическим циклам паросиловых установок достаточно полно отражает раздел курса технической термодинамики (циклы паросиловых установок). Работа заключается в самостоятельном решении студентом конкретной задачи и служит закреплению, углублению и обобщению знаний, полученных при изучении теоретического курса и на практических занятиях. Такая форма учебной работы максимально способствует развитию навыков самостоятельного решения вопросов изучаемой дисциплины. В результате выполнения работы, студенты овладевают основными методами расчѐта с применением ЭВМ, приобретают материалами, технической и навыки справочной пользования литературой, практические вопросы по расчѐту паросиловых установок. нормативными учатся решать 4 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью методических указаний является изложение требований к работе и рекомендаций по ее выполнению с использованием технической литературы. Выполнение домашнего задания позволит закрепить теоретический материал, получаемый на лекциях и в результате самостоятельной проработки части курса, применить его к решению практической задачи – исследованию термодинамических циклов паросиловых установок. До начала выполнения расчѐтов по работе студенту надо уяснить цель и задачи задания и усвоить материал, излагаемый на лекциях и в учебниках [1,2]. Все вычисления должны быть изложены подробно. Необходимый графический материал – термодинамический цикл в различных координатах – следует изображать на миллиметровке в формате А4. Работа оформляется на отдельных листах и сдаѐтся на проверку в виде сшитой тетради из листов стандартного размера. Студенты, которые правильно сделали и оформили задание, допускаются к защите. При защите они должны свободно отвечать на вопросы, связанные с теоретическими основами, методикой расчѐта задания. Для подготовки к защите домашнего задания рекомендуется ответить на вопросы, предлагаемые в конце пособия. 2.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. Для паросиловых установок наиболее характерен цикл Ренкина различной модификации (рис.1 и 2). Особенно цикла Ренкина является перегрев пара в пароперегревателе (процесс 6-1) и полная конденсация пара в конденсаторе (процесс 2-3) рис.1. Остальные процессы аналогичны процессам цикла Карно на влажном паре. Применение перегрева пара перед турбиной и его полная конденсация после расширения позволяют увеличить термический КПД цикла. Для дальнейшего повышения КПД применяют цикл с промежуточным перегревом пара (рис.2). 5 Пренебрегая работой сжатия воды, затрачиваемой в насосе (процесс 3-4), по сравнению с работой расширения пара в турбине (процесс 1-2), получим выражение термического КПД цикла Ренкина: ц t q1 (h1 h2 ) (h1 (1) h4 ) Т T 1 5 6 6 1 5 2 2 3,4 3,4 s s Рис.1 Цикл Ренкина. где u – работа цикла; q1 – подведенное количество теплоты; h 1 и h2 – значения энтальпии пара до и после турбины; h4 – энтальпия конденсата при температуре пара на выходе из турбины. Значения энтальпии в характерных точках цикла, как правило, определяются с помощью h-s – диаграммы или таблиц термодинамических свойств водяного пара. В случае применения промежуточного перегрева: t (h1 h1' ) (h1" h2' ) (h1 h4 ) (h1" h1' ) (2) Применение перегрева, кроме улучшения условий работы турбины, увеличение еще и термический КПД цикла паросиловой установки. Термический КПД цикла Ренкина возрастает с увеличением параметров пара турбиной (P1, t1). Уменьшения давления пара за турбиной (P2) приводит к уменьшению температуры отвода теплоты, что также влечет за собой увеличение ηt, но ухудшает работу турбины. 6 T h 1 6 5 1 6 1 5 1 1 1 2 2 3,4 3,4 s s Рис.2. Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара. 3. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ПАРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ Провести расчет термодинамического цикла паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина (рис.1), с помощью h-s - диаграммы для водяного пара и таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара на линии насыщения , если температура и давление пара перед турбиной равны соответственно t1 = 300°C и P1 = 2,7 МПа, а давление пара в конденсаторе равно Р2 = 0,05 МПа. Определить: 1. Значения параметров и функций состояния в характерных точках цикла Р, v, t, x, u, h, s. 2. Удельную работу цикла ци термический КПД цикла ήt. 3. Удельный расход пара d и удельный расход теплоты q. 4. Расход пара D и расход теплоты Q при заданной мощности паросиловой установки N = 10000 кВт. Изобразить цикл в координатах Р-v, T-s, h-s. Начертить схему паросиловой установки. Как изменится термический КПД ήt цикла Ренкина, а также удельные и полные расходы пара и теплоты, если ввести промежуточный перегрев пара, при котором вначале пар адиабатически расширяется в турбине высокого давления от давления P1 = 2,7 МПа до давления Р1' = 0,5 МПа, а затем при давлении Р1' он вновь перегревается до температуры t1 = 270 °С и расширяется в турбине низкого 7 давления до Р2 == 0,05 МПа. 3.1. Определение параметров водяного пара Параметры пара в точках 1 и 2 цикла Ренкина определяются с помощью h-s диаграммы водяного пара. На диаграмме h-s определяем точки пересечения изобары Р1 = 2,7 МПа и изотермы t1 = 300 оС (рис3.) точка 1. В месте пересечения находим изохору и определяем удельный объем v1, a также h1 и s1. В первой точке будет перегретый пар. Параметры в точке 1: P1=2,7 Мпа; t1=300 оС; v1=0,095 м3/кг; h1=3010 Дж/кг; s2=6,61 кДж/(кг К). Внутренняя энергия для водяного пара (как простого тела) u1 =h1 - P1v1 =3010 103 - 2,7 106 0,095= = 2753,5 103 Дж/кг = 2753,5 кДж/кг. Так как процесс расширения пара в турбине адиабатный, поэтому для определения параметров во второй точке нужно из точки провести изоэнтропу (s1 = s2) до пересечения с изобарой Р2 = 0,05 МПа. Для определения t2 следует по изобаре Р2 подняться до линии сухого насыщенного пара (x=1) и найти, какая изотерма соответствует этой точке. Рис.3 Определение параметров пара по h-s-диаграмме. Параметры в точке 2: P2=0,05 МПа; t2=81 оC; v2=3 м3/кг; х2=0,85; h2=2300 кДж/кг; s2=6,61 кДж/(кг К); 8 u2=h2 - P2V2=2300 - 0,05 103 3=2150 кДж/кг. Температуру в точке 2 можно определить также по таблицам для водяного пара при давлении насыщения Р2=0,05 МПа. Во второй точке – влажный насыщенный пар, степень сухости которого 0,85. Определение параметров пара и воды в 3,4,5 и 6 точках цикла ведѐтся по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара на линии насыщения. Отработанный пар с параметрами точки 2 полностью конденсируется, поэтому в точке 3 у нас будет конденсат (вода) с температурой t3=t2. В точке 3 все параметры определяются для кипящей воды. Затем вода поступает в насос, где давление повышается до первоначального Р4=Р1, температура практически не меняется t4=t3. Остальные параметры находим по таблице для жидкой фазы. После изобарного подвода теплоты в котле вода сначала закипит (точка 5), затем превратится в сухой насыщенный пар (точка 6). Параметры в этих точках определяются по таблицам для кипящей воды и сухого насыщенного пара, соответственно. Параметры в точке 3: Р3=Р2=0,05 МПа; t3=t2=81oC; v3=v =1,03 10-3 м3/кг; x=0; h3=h2 =340 кДж/кг; s3=s2'=1,09 кДж/(кг К); u3=h3 - P3v3=340 - 0,05 103 1,03 10-3=339,9 кДж/кг. Параметры в точке 4: Р4=Р1=2,7 МПа; t4=81oC; v4=v'=1,21 10-3 м3/кг; x4=0; h4=h3=340 кДж/кг; s4=s3=1,09 кДж/(кг К); u4=h4 - P4v4=340 - 2,7 103 1,21 10-3=336,7 кДж/кг. Параметры в точке 5: Р5=Р1=2,7 МПа; t5=230oC; v5=v'=1,21 10-3 м3/кг; x5=0; h5=h'=990,3 кДж/кг; s5=s'=2,61 кДж/(кг К); u5=h5 - P5v5=990,3 - 2,7 103 1,21 10-3=987 кДж/кг. Параметры в точке 6: Р6=2,7 МПа; t6=230oC; v6=v''=0,071 м3/кг; x6=1; h6=h''=2805 кДж/кг; s6=s''=6,23 кДж/(кг К); u6=h6 - P6v6=2805 - 2,7 103 0,071=2613,3 кДж/кг. 9 Полученные результаты помещены в табл.1. Таблица 1 Значения параметров и функций состояния в характерных точках цикла Ренкина Номер точки Р, МПа v, м3/кг t, oC x u, кДж/кг h, кДж/кг 1 2,7 0,095 300 - 2753,3 3010 s, кДж/кг (кг К) 6,61 2 0,05 3,0 81 0,85 2150,0 2300 6,61 3 2,7 1,03 10-3 81 0 339,9 340 1,09 4 2,7 1,21 10-3 81 0 336,7 340 1,09 5 2,7 1,21 10-3 230 0 987,0 990,3 2,61 6 2,7 0,071 230 1 2613,3 2805 6,23 Для инженерных расчѐтов обычно пренебрегают работой насоса она составляет менее 1% от работы турбины т. н, так как Поэтому работа цикла равна работе, получаемой в турбине, и значения энтальпии воды на входе в котѐл h4 равны энтальпии конденсата h3. Так как процесс расширения водяного пара в турбине адиабатный, работа цикла паросиловой установки равна: ц = т = h1 - h2 = 3010 – 2300 = 710 кДж/кг. Количество подведенной теплоты в изобарном процессе 4-5-6-1: q1=h1 - h4 = h1 – h’2 = 3010 - 340=2670 кДж/кг. Находим термический коэффициент полезного действия паросиловой установки: η1 = ц /q1= 710/2670 = 0,266 или 26.6%. Определяем теоретический удельный расход пара d и теплоты q на единицу полученной работы: d 1 h1 q q1d 1 h2 h1 3010 2300 h4 d 1,41 10 3 кг кДж; 3010 340 1,41 10 3 Находим расход пара D и расход теплоты Q: 3,77 кДж кДж; 10 D d N 1,41 10 3 104 14,1кг с ; Q D q1 14,1 2670 37,7 103 кДж с Изобразим цикл в координатах: P-υ (рис.4 а), T-s (рис.4 б), h-s (рис.4 в). P, МПа 3 4,5,6 1 2 1 3 2 0 1 2 Рис.4а Т, К 3 600 v, м3/кг 1 5 500 6 400 4 3 2 300 1 2 3 4 5 s, кДж/кгК 6 Рис.4б h, кДж/кг 6 3000 1 2 2000 5 1000 4 3 0 1 2 3 4 5 Рис.4в Начертим схему паросиловой установки (Рис.5) 6 s, кДж/кгК 11 5 6 4 1 3 2 Рис.5 Схема паросиловой установки 1 – паровая турбина; 2- конденсатор; 3- насос; 4- паровой котел; 5 –пароперегреватель; 6 – потребитель. 3.2 Цикл паросиловой установки с промежуточным перегревом пара (рис.2) Определяем энтальпию водяного пара в точках 1 ,1 ,2 : h1 =2660 кДж/кг; h1 =3000 кДж/кг; h2 =2550 кДж/кг. Находим характеристики цикла паросиловой установки с промежуточным перегревом пара. Работа цикла: ' ц ' T h1 h1' 3010 2660 h1" h 2' 3000 2550 800кДж кг КПД цикла: ' t ' ц q1' h1 h1' h1 h 4 h1" h1" h 2' h1' 3010 2660 3000 2550 0,266или 26,6%. 3010 340 3000 2660 12 Удельный расход пара: d' 1 h1 h1' 1 h1" h 2' 3010 2660 3000 2550 1,25 10 3 кг кДж. Удельный расход теплоты: q' = q1'd' = 3010· 1,25· 10-3 = 3,76 кДж/кДж. Расход пара: D' = d'· N = 1,25. 10-3· 104 = 12,5 кг/с. Расход теплоты: Q' = D'· q1' = 12,5· 3010 = 37,6 кДж/с. В рассмотренном примере промежуточный перегрев пара вызывает снижение расхода теплоты Q и пара D, что приводит к экономии топлива при неизменной мощности паросиловой установки. Кроме того, промежуточный перегрев пара при данных характеристиках цикла паросиловой установки необходим для снижения влагосодержания водяного пара на выходе из трубы с 15% до 4%, т.к. максимально допустимое влагосодержание не должно превышать 14%[1]. Варианты задания для расчета цикла паросиловой установки приведены в прил. 2. 13 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. Изобразите цикл Ренкина для паросиловой установки в P-v и T-s, h-s координатах. 2. Из каких агрегатов состоит паросиловая установка, работающая по циклу Ренкина? Какое их назначение и какие термодинамические процессы в них осуществляется? 3. Как определяется термический КПД цикла Ренкина? 4. Укажите пути увеличения термического КПД цикла Ренкина? 5. Изобразите цикл паросиловой установки с промежуточным перегревом пара в Т-s и h-s – координатах. 6. Изобразите в энтропийной диаграмме цикл Ренкина с учѐтом не обратимых потерь при расширении пара в турбине? 7. Как оценить термодинамическое совершенство цикла теплового двигателя? 8. Почему в паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары жидкости, например, воды? 9. Каковы характерные особенности цикла Ренкина? 10. Каковы основные характеристики паросиловой установки? 14 ЛИТЕРАТУРА 1. Кирилин В.А., Сычѐв В.В., Шейндлин А.Е. ''Теоретическая термодинамика’’ М.: Энергоатомиздат, 1983. –416с. 2. Техническая термодинамика (под. ред. д.т.н., проф. Крутова В.И.). –М.: Высшая школа, 1991. –384с. 3. Теплотехника (под. ред. д.т.н., проф. Луканина В.Н.) –М.: высшая школа. 1999. –671с. 4. Теплотехника / Под ред. Баскакова А.П. –М.: Энергоатомиздат. 1991. –224с. 5. Кушнырѐв В.И. и др. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.: Стройиздат. 1986. –464с. 6. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче (под ред. Юдаева Н.Б.). –М.: Высшая школа. 1964. –372с. 7. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. -М.: 1969. 8. Зубарев В.Н., Александров А.А. Практикум по технической термодинамике. М.: Энергия. 1971. –352с. 9. Андрианова Т.Н., Дзампов Б.В., Зубарев В.Н., Ремизов С.А., Филатов Н.Я. Сборник задач по технической термодинамике. -М.: Издательство МЭИ. 2000. –356с. 15 ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 s'', кДж/(кгК) 6 s', кДж/(кгК) 5 r, кДж/кг 4 h'', кДж/кг 3 h', кДж/кг v', м3/кг 2 , кг/м3 ts, C o 1 v'', м3/кг p, МПа Параметры насыщенного водяного пара по давлениям 7 8 9 10 0,001 6,92 0,0010001 129,9 0,00770 29,32 2513 2484 0,1054 8,975 0,002 17,51 0,0010014 66,97 0,01493 73,52 2533 2459 0,2609 8,722 0,003 24,10 0,0010028 45,66 0,02190 101,04 2545 2444 0,3546 8,576 0,004 28,98 0,0010041 34,81 0,02873 121,42 2554 2433 0,4225 8,473 0,005 32,88 0,0010053 28,19 0,03547 137,83 2561 2423 0,4761 8,393 0,006 36,18 0,0010064 23,74 0,04212 151,50 2567 2415 0,5207 8,328 0,008 41,54 0,0010085 18,10 0,05525 173,9 2576 2402 0,5927 8,227 0,010 45,84 0,0010103 14,68 0,06812 191,9 2584 2392 0,6492 8,149 0,011 47,72 0,0010111 13,40 0,07462 199,7 2588 2388 0,6740 8,116 0,012 49,45 0,0010119 12,35 0,08097 207,0 2591 2384 0,6966 8,085 0,014 52,58 0,0010133 10,69 0,09354 220,1 2596 2376 0,7368 8,031 0,016 55,34 0,0010147 9,429 0,10600 231,7 2601 2369 0,7722 7,984 0,018 57,82 0,0010159 8,444 0,1185 241,9 2605 2363 0,8038 7,944 0,020 60,08 0,0010171 7,647 0,1308 251,4 2609 2358 0,8321 7,907 0,025 64,99 0,0010199 6,202 0,1612 272,0 2618 2346 0,8934 7,830 0,030 69,12 0,0010222 5,226 0,1913 289,3 2625 2336 0,9441 7,769 0,050 81,35 0,0010299 3,239 0,3087 340,6 2645 2204 1,0910 7,593 0,075 91,80 0,0010372 2,216 0,4512 384,5 2663 2278 1,2130 7,456 0,10 99,64 0,0010432 1,694 0,5903 417,4 2675 2258 1,3026 7,360 0,12 104,81 0,0010472 1,429 0,6999 439,4 2683 2244 1,3606 7,298 0,14 109,33 0,0010510 1,236 0,8088 458,5 2690 2232 1,4109 7,246 0,16 113,32 0,0010543 1,091 0,9164 475,4 2696 2221 1,4550 7,202 0,20 120,23 0,0010605 0,8854 1,129 504,8 2707 2202 1,5302 7,127 0,26 128,73 0,0010685 0,6925 1,444 540,9 2719 2178 1,621 7,040 0,30 133,54 0,0010733 0,6057 1,651 561,4 2725 2164 1,672 6,992 0,40 143,62 0,0010836 0,4624 2,163 604,7 2738 2133 1,777 6,897 16 Продолжение приложения 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.50 151.84 0.0010927 0.3747 2.669 640.1 2749 2109 1.860 6.882 0.60 158.84 0.0011007 0.3156 3.169 670.5 2757 2086 1.931 6.761 0.80 170.42 0.0011149 0.2403 4.161 720.9 2769 2048 2.046 6.663 1.0 179.88 0.0011273 0.1946 5.139 762.7 2778 2015 2.138 6.587 1.2 187.95 0.0011385 0.1633 6.124 798.3 2785 1987 2.216 6.523 1.4 195.04 0.0011490 0.1408 7.103 830.0 2790 1960 2.284 6.469 1.6 201.36 0.0011586 0.1238 8.080 858.3 2793 1935 2.344 6.422 1.8 207.10 0.0011678 0.1104 9.058 884.4 2796 1912 2.397 6.379 2.0 212.37 0.0011766 0.09958 10.041 908.5 2799 1891 2.447 6.340 2.5 223.83 0.0011972 0.07993 12.51 961.8 2802 1840 2.554 6.256 3.0 233.83 0.0012163 0.06665 15.00 1008.3 2804 1796 2.646 6.186 4.0 250.33 0.0012520 0.04977 20.09 1087.5 2801 1713 2.786 6.070 5.0 263.91 0.0012857 0.03944 25.35 1154.4 2794 1640 2.921 5.973 6.0 275.56 0.0013185 0.03243 30.84 1213.9 2785 1570.8 3.027 5.890 7.0 285.80 0.0013510 0.02737 36.54 1267.4 2772 1540.9 3.122 5.814 8.0 294.98 0.0013838 0.02352 42.52 1317.0 2758 141.1 3.208 5.745 9.0 303.32 0.0014174 0.02048 48.83 1363.7 2743 1379.3 3.287 5.678 10.0 310.96 0.0014521 0.01803 55.46 1407.7 2725 1317.0 3.360 5.615 11.0 318.04 0.001489 0.01592 62.58 1450.2 2705 1255.4 3.430 5.553 12.0 324.63 0.001527 0.01426 70.13 1491.1 2685 1193.5 3.496 5.493 13.0 330.81 0.001567 0.01277 78.30 1531.5 2662 1130.8 3.561 5.432 14.0 336.63 0.001611 0.01149 87.03 1570.8 2638 1066.9 3.623 5.372 15.0 342.11 0.001658 0.01035 96.62 1610 2611 1001.1 3.684 5.310 16.0 347.32 0.001710 0.009318 107.3 1650 2582 932.0 3.746 5.247 18.0 356.96 0.001837 0.007504 133.2 1732 2510 778.2 3.971 5.107 20.0 365.71 0.00204 0.00585 170.9 1827 2410 583.0 4.015 5.928 22.0 373.7 0.00367 272.5 2016 2168 152.0 4.303 5.591 0.00273 17 Приложение 2 Варианты заданий циклов паросиловой установки Р1,МПа t1, oC Р2,МПа N,кВт Р1,МПа t1'',оC 1 0,5 250 0,01 500 0,2 250 2 1,0 270 0,05 1000 0,3 250 3 1,5 300 0,1 2000 0,4 350 4 2,0 330 0,02 3000 0,4 350 5 2,5 350 0,03 4000 0,4 350 6 3,0 370 0,04 5000 0,5 370 7 3,5 400 0,06 6000 0,5 370 8 4,0 430 0,07 7000 0,5 400 9 4,5 450 0,08 8000 0,5 450 10 5,0 500 0,09 9000 0,3 500 11 0,5 500 0,1 10000 0,4 450 12 1,0 450 0,09 11000 0,2 400 13 1,5 430 0,08 12000 0,3 400 14 2,0 400 0,07 14000 0,3 400 15 2,5 370 0,06 15000 0,3 400 16 3,0 350 0,05 500 0,4 350 17 3,5 330 0,04 1000 0,4 350 18 4,0 300 0,03 2000 0,4 350 19 4,5 270 0,02 3000 0,4 250 20 5,0 250 0,01 4000 0,40,1 250 21 0,5 300 0,01 5000 0,1 300 22 1,0 400 0,01 6000 0,1 400 23 1,5 500 0,05 7000 0,1 500 24 2,0 250 0,01 8000 0,2 250 25 2,5 450 0,02 9000 0,2 450 26 3,0 350 0,03 10000 0,2 350 27 3,5 270 0,04 11000 0,2 270 28 4,0 330 0,05 12000 0,3 330 29 4,5 370 0,06 14000 0,3 370 30 5,0 430 0,07 15000 0,3 430 № варианта 18 СОДЕРЖАНИЕ Стр. Введение…………………………………………………………………………..…..3 1. Цель работы………………………………………………………….…………..….4 2. Теоретическая часть……………………………………………………….…….….4 3. Пример расчѐта термодинамического цикла паросиловой установки………..…6 3.1 Определение параметров водяного пара……………………………….………...7 3.2 Цикл паросиловой установки с промежуточным перегревом пара………..11 Контрольные вопросы…………………………………………………………….…13 Литература…………………………………………………………………………....14 Приложения……………………………………………………………………….….15 Варианты задания…………………………………………………………………...17