Условия повышения термической экономичности

Вернемся к некоторым свойствам пара и к вопросам перехода тепла в работу. Из физики известно, что тепло полностью перейти в работу не может; для этого потребовалось бы кончать процесс расширения пара при температуре абсолютного нуля, т. е. при — 273°С. Значит часть тепла при переходе его в работу будет неизбежно теряться. Доля от общего количества израсходованного тепла, перешедшая в работу, называется термическим к. п. д. Он будет тем выше, чем больше начальная и чем меньше конечная температуры в процессе расширения пара. Отсюда следует, что повышать термический к. п. д. можно двумя путями:
1) увеличивая начальную температуру
2) уменьшая конечную температуру.

Рассмотрим оба эти пути.
Если мы говорим о паровом двигателе, то оказывается, что повышать только температуру пара по ряду соображений недостаточно выгодно; поэтому повышение начальной температуры пара обычно сопровождается увеличением его давления.

Заметим, что в технике повышение температуры пара дается с гораздо большим трудом, чем повышение давления. Дело в том, что начиная примерно с 300—350°С, прочность металлов начинает заметно падать, с 370—385°С это падение становится быстрым, выше 450°С — очень быстрым. При температуре 500—540°С удовлетворительно работают лишь сравнительно немногие, дорогие специальные стали. Выше 560°С проблема работы металлов становится особо сложной.

Большинство современных паровых турбин высокого давления работает паром с температурой 500—550°С и давлением 90—120 атмосфер. Свойства металлов препятствуют, следовательно, более существенному повышению температуры начала процесса. Однако значительное увеличение экономичности при повышении начальной температуры пара заставляет искать новые пути решения вопроса работы металла при высоких температурах. Ведутся большие работы по созданию более теплоустойчивых металлов, позволяющих поднять температуру пара до значительно более высоких пределов, чем указано выше.

Рассмотрим второе условие повышения термического к. п. д. — уменьшение температуры конца процесса. Очевидно, что отработавший в турбине пар можно выпустить лишь туда, где давление меньше. В ином случае пар не будет выходить. Значит, если выпускать этот пар в окружающий нас воздух, в атмосферу, то давление пара в цилиндре, т. е. в конце расширения, должно немного превышать атмосферное. Но при атмосферном давлении температура насыщенного пара не может быть ниже 100°С, т. е. 373° абс. Это довольно далеко от абсолютного нуля!

Ясно поэтому, что выпуск отработавшего пара в атмосферу, как это делается, например, у паровозов, крайне невыгоден.

Значительно экономичнее работать с выпуском отработавшего пара не в атмосферу, а в специальный холодильник.  Холодильник представляет собой сосуд, внутри которого проходит большое количество трубок. Через эти трубки пропускается холодная вода. Отработавший в турбине пар впускают в этот сосуд; попав в него, пар соприкасается с холодными трубками, отдает им тепло, а сам конденсируется. Поэтому  такие холодильники чаще называют конденсаторами.

Сконденсировавшийся пар занимает во много раз меньший объем, поэтому давление в конденсаторе станет значительно меньше атмосферного. При пониженном давлении насыщенный пар может иметь очень низкую температуру, а именно:

При давлении р в ата. . . 1,0  0,8  0,5  0,3  0,1  0,05  0,01
Температура пара t в °С . 100  93  81   69   45   32,5   6,7

Заметим, что температура пара особенно быстро падает при малых давлениях. Так, при снижении давления с 1,0 до 0,8 ата, т. е. на 0,2 ат, температура пара падает только на 7°С, а при снижении давления с 0,1 до 0,05 ата, всего на 0,05 ат, температура падает уже на 12,5°С.

Так как пар нельзя охладить до более низкой температуры, чем та, которую имеет в конденсаторе охлаждающая вода, то очевидно, что пределом снижения давления пара и его температуры в конденсаторе будет температура поды, которая используется для охлаждения. Эта температура составляет в среднем зимой 5—8°, летом 18—25°С. Приблизительно такие же величины (на 4—5° выше) и могут быть достигнуты в конце процесса расширения пара в турбине.

Учитывая сказанное, станет понятно, почему в современных турбинах чаще всего применяется свежий пар давлением 90—135 ата и температурой 500—565°С, а в конце процесса перехода тепла в работу давление падает до 0,04—0,06 ата и температура до 28—35°С.

Наши рассуждения об экономичности относятся пока только к термическому к. п. д., т. е. к теоретически возможной экономичности перехода тепла в работу. Потери здесь — только отдаваемое воде тепло. Термическая экономичность зависит только от начального и конечного состояния пара, но не зависит от совершенства машин. Она даже не зависит от того, где будет происходить переход тепла в работу — в паровой машине или турбине.

Термический к. п. д. процесса нельзя смешивать с к.п.д. турбины, который учитывает совершенство работы турбины, т. е. потери в ней независимо от начального и конечного состояния пара.



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

11 + 18 =