Техническая термодинамика

В представленной курсовой работе произведен подробный расчет КПД паротурбинной установки, работающей по термодинамическому циклу Ренкина с вторичным перегревом пара. Для выполнения поставленной задачи нами были определены параметры состояния рабочего тела в характерных точках термодинамического цикла. Для рассматриваемого цикла Ренкина с вторично перегретым паром по расчетным данным были построены Ts- и hs- диаграммы.
Термический и внутренний КПД установки при КПД турбины, составляющем 80% без учета потерь энергии при работе равны соответственно 46,14% и 36,91%.
Термический КПД, установки работающей на вторично перегретом паре, обозначенной как А, в 1,345 раза больше термического КПД установки, работающей по циклу Ренкина без вторичного перегрева пара при тех же параметрах рабочего тела ...

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6
1.1 Взаимосвязь теплоты и работы 6
1.2 Формулировки первого и второго закона термодинамики 8
1.2.1 Первое начало термодинамики 8
1.2.2 Второе начало термодинамики 10
1.2 Циклы паротурбинных установок 12
1.2.1 Цикл Карно 12
1.2.2 Цикл Ренкина 14
1.2.3 Цикл ПТУ Ренкина с вторичным перегревом пара 16
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 19
2.1 Задание для расчетной работы 19
2.2 Расчет цикла с промежуточным перегревом 20
2.3 Расчет значений КПД цикла 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 28

Техническая термодинамика имеет определяющее значение в теплоэнергетике и промышленности многих отраслей народного хозяйства. Вся современная энергетика основывается на преобразовании теплоую энергию в механическую, а, затем, и в электрическую тепловой энергию. Источником тепловой энергии может быть как ядерный реактор АЭС, так и парогенератор и котел двигателя внутреннего сгорания. Для этих преобразований применяют специальные рабочие тела (воду, газ и т.д.), с помощью специального оборудования (турбин, насосов, подогревателей, конденсаторов и т.п.), совершающих определенные процессы в соответствующем оборудованием.
Несмотря на то, что в наше время основным источником энергии является электроэнергия, 70 % потребляемой в промышленности и быту энергии до сих пор приходится на тепловую энерг ию, а большинство технологических процессов в промышленной и бытовой технике до сих пор связаны с потреблением или выделением тепловой энергии.
По этой причине изучение свойств рабочих тел, а также законов, по которым эти свойства изменяются в промышленном, теплоэнергетическом и бытовом оборудовании представляется весьма актуальным. Важной проблемой технической термодинамики представляется поиск путей экономичного получения полезной работы из тепловой энергии при меньших ее потерях. В данной работе, основываясь на знание законов технической термодинамики и свойств рабочего тела, был произведен расчет процессов взаимного превращения теплоты и работы в паротурбинной установке, работающей по циклу Ренкина с вторичным перегревом пара.
Целью данного курсового проекта является расчет термодинамического цикла паротурбинной установки.


В работе решены следующие задачи:
 рассмотрены основные теоретическиезакономерности работы паротурбинных установок;
 охарактеризованы термодинамические циклы Ренкина и Карно,
 рассчитаны параметры в характерных точках цикла;
 рассчитан термический КПД цикла и сопоставлен с КПД этого цикла без вторичного перегрева;
 определен термический КПД цикла Карно, проведенного в том же температурном интервале, что и цикл с промежуточным перегревом;
 рассчитан внутренний абсолютный КПД цикла (без учета потерь от процессов в насосе).

2)или для обратимых процессов MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.3)Полученное уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики. Оно формулируется так: «изменение удельной внутренней энергии термодинамической системы равно алгебраической сумме полученной системой энергии в форме удельной теплоты δq и совершенной ею внешней удельной работой δ1, или подведенная к рабочему телу энергия в форме удельной теплоты расходуется на изменение удельной внутренней энергии тела и на совершение телом внешней работы».Основное уравнение первого закона термодинамики, как закона сохранения энергии, было получено для процессов, в которых единственным видом работы является работа расширения p-dv. Но, строго говоря, оно является справедливымдля любых систем как неподвижных, так и перемещающихся в пространстве.1.2.2 Второе начало термодинамикиВторой закон термодинамики имеющий несколько эквивалентных между собой формулировок, определяет условия превращения энергии и вероятные направления протекания процессов. Например, если бы действие не второго начала, то легко можно было бы решить энергетическую проблему построения двигатель, который, отбирая из незамерзающего Мирового океана тепло, целиком бы превращал его в работу.Тепловой машиной, либо тепловым двигателем называют периодически действующий двигатель, который совершает работу за счет получаемой извне теплоты. Тепловая машина всегда состоит из рабочего тела, нагревателя и холодильника. Нагреватель и - это два тепловых резервуара, имеющих постоянные температуры T1 >T2. Тепловой резервуар с большей температурой T1 - нагреватель, а с низкой температурой - холодильник. При тепловом контакте двух тел с разными температурами, тепло всегда самопроизвольно переходит от более горячего тела к более холодному (одна из формулировок второго начала - формулировка Клаузиуса). В результате, происходит выравнивание температур, и в системе устанавливается состояние термодинамического равновесия. Процесс перехода тепла от горячего тела к холодному является необратимым. Важно подчеркнуть, что никакой работы при этом не производится. Таким образом, для получения работы необходимо привлечь еще одно, вспомогательное тело, которое называют рабочим телом. Например, это может быть газ в цилиндрическом сосуде под поршнем.Работа любого теплового двигателя получается в результате повторяющихся циклов. При этом за цикл от нагревателя с температурой T1 отнимается количество теплоты Q1, а холодильнику с температурой Т2 передаётся количество теплоты Q2. После завершения цикла рабочее тело возвращается в исходное состояние, поэтому изменение его внутренней энергии за цикл равно нулю. Таким образом, полезная работа, совершаемая рабочим телом за цикл, равна [1, c.31]: А = Q1 - Q2, MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.4)а коэффициент полезного действия тепловой машины:Pис.2.Принцип действия теплового двигателя Необратимые процессы препятствуют совершению работы, поэтому для повышения коэффициента полезного действия тепловых двигателей необходимо избегать необратимых процессов. Максимальный коэффициент полезного действия будет у идеальной тепловой машины, использующей так называемый цикл Карно, где рабочим телом служит идеальный газ в цилиндре с поршнем. Поэтому одна из формулировок второго закона термодинамики гласит: вечный двигатель второго рода невозможен. Это двигатель, который бы работал без холодного источника и всю подводимую теплоту (q1) преобразовывал в работу. Таким образом, работа полностью превращается в теплоту, в то время как теплота превращается в работу только частично. Математическое выражение второго закона термодинамики для обратимых процессов имеет вид:dq = Tds, MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.5), MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.6)где q – подводимая (извне) или отводимая от рабочего тела теплота;s, Дж/(кг.К) – удельная энтропия, являющаяся параметром состояния.На основании (1.5) можно сделать следующие выводы. При подводе тепла к рабочему телу (dq > 0) энтропия возрастает (ds > 0). При отводе тепла от рабочего тела (dq < 0) энтропия убывает (ds < 0). В адиабатных процессах и системах (dq=0) энтропия не изменяется (d=0, s=const).В изотермических процессах выполняется равенство:q = T(s2 – s1) , MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.7)Математическое выражение второго закона термодинамики для необратимых процессов:dq < Tds, MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.8), MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.9)Трение и неравновесность реальных процессов сжатия и расширения относят к внутренней необратимости. Необратимый теплообмен между телами при конечной разности температур - внешняя необратимость. И внутренняя, и внешняя необратимости сопровождаются увеличением энтропии (∆s), что и учитывают уравнения (1.5) и (1.6) [2, 5].1.2 Циклы паротурбинных установок1.2.1 Цикл Карно Цикл Карно — круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов (см. окно теории). Если его проводить достаточно медленно, то все промежуточные состояния можно считать практически равновесными, а сам процесс квазистатическим.Пароэнергетические установки применяются как главные двигатели на крупных морских судах, а также как вспомогательные для привода электрогенераторов. На рис. 3 показан цикл Карно 1234 для пароэнергетической установки, состоящий из адиабатного сжатия 1-2, изотермического процесса подвода теплоты 2-3, адиабатного расширения 3-4 и изотермического отвода теплоты 4-1. Следует отметить, что процессы подвода и отвода теплоты являются не только изотермическими, но и изобарными - в этом проявляются особенности процессов кипения и конденсации [5, c.54].Рис.4. рV- и Ts-диаграммы цикла КарноТермический кпд цикла Карно равен MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.10) где - температура подвода теплоты, - температура отвода теплоты.Подведённая теплота цикла равна MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.11)а отведённая теплота -, MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.12)где - удельные энтальпии рабочего тела в точках цикла.КПД цикла с учётом вышесказанного составит: MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.13)Несмотря на то, что в заданном интервале температур цикл Карно имеет наибольшее значение термического кпд, в реальных пароэнергетических установках он не применяется. Причин этому несколько.Цикл Карно, осуществлённый в области влажного пара, как это показано на рисунке 4, имеет невысокое предельное значение термического кпд, так как температура критической точки составляет 374С и даже в идеальном случае при температуре теплоотвода КПерегрев пара в цикле Карно не приводит к повышению термического кпд, так как температуры теплоподвода и теплоотвода в цикле без перегрева пара (1234) и в цикле с перегревом пара () одинаковы.Осуществить цикла Карно в зоне перегретого пара сложно, так как изотермические процессы происходят при переменных давлениях и объемах. Поэтому в реальных пароэнергетических установках используются другие циклы, о которых будет сказано ниже.1.2.2 Цикл РенкинаВ парогенераторе паротурбинной установки, работающей по циклу Ренкина, происходит превращение воды в сухой насыщенный пар, который затем перегревается в специальном теплообменнике - пароперегревателе и направляется в паровую турбину. Процессы, происходящие в паровой турбине, аналогичны процессам, протекающим в газовых турбинах. Отработавший пар поступает в конденсатор и в процессе охлаждения превращается в жидкость. Питательным насосом вода подаётся вновь в парогенератор и процесс повторяется. На диаграммах на рис.5 участки 1-2 - адиабатный процесс расширения пара в турбине, 2-3 - изобарно-изотермический процесс отвода теплоты в конденсаторе (конденсация пара), 3-4 - адиабатный процесс подачи воды питательным насосом в парогенератор, 4-5 - изобарный процесс нагрева воды до температуры кипения в парогенераторе, 5-6 - изобарно-изотермический процесс парообразования (кипение воды в парогенераторе), 6-1 - изобарный перегрев пара в парогенераторе [3, 5].Рис.5. pV- и Ts-диаграммы цикла РенкинаТермический кпд цикла Ренкина равен, MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.14)где - подведённая в цикле теплота на нагрев воды, парообразование и перегрев пара; - отведённая теплота в процессе конденсации; h1,…h4 – удельные энтальпии пара в соответствующих точках цикла.Энтальпия воды в процессе сжатия и перемещения её в насосе изменяется незначительно и можно принять равенство.С учётом последнего замечания формула термического кпд, после подстановки значений подведённой и отведённой теплоты, имеет вид MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.15)Рисунок 11.3При определении термического кпд значения удельных энтальпий, входящих в формулу (1.15), находятся по диаграммам или таблицам воды и водяного пара. Удельная работа цикла Ренкина равна разности удельных работ турбины и питательного насоса : MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.16)Удельная работа пара в турбине характеризуется на диаграмме p - v площадью 12аб и равна, MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.17)а удельная работа, совершаемая над водой в питательном насосе, изображается в диаграмме p - v площадью 34ба и равна MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.18)Удельная работа насоса по абсолютной величине составляет обычно менее 3-4 % от работы турбины, поэтому иногда в расчётах этой работой пренебрегают.1.2.3 Цикл ПТУ Ренкина с вторичным перегревом параРассмотрим циклы и схемы ПТУ с вторичным перегревом пара. Цикл с перегревом пара имеет следующие недостатки (рис.6).Рис.6. Цикл Ренкина без вторичного перегреваУчасток “ а ” (расширение в паровой турбине) в области влажного пара. Влажный пар – капли воды, из-за большой скорости потока (100 – 200 м/с) вызывают эррозию металла (лопаток турбин). Кроме того, характерна невысокая средняя температура Тср передачи тепла [3, c.37-38].Любые возможные усовершенствования в ПТУ должны проводится в следующих направлениях:повышение средней температуры подвода тепла;-понижение средней температуры отвода тепла;уменьшение удельной величины сжатия;уменьшение потерь от необратимости процессов как внутренней, так и внешней.Цикл с вторичным (промежуточным) перегревом пара применяется при повышенных начальных давлениях для понижения степени влажности отработанного пара (капли воды). Пар после расширения в первых частях турбины отбирается и подвергается еще раз нагреву (перегреву) при постоянном р. Затем он поступает в след. ступень, где расширясь совершает работу. Степень сухости повышается. Повышается термический КПД за счет повышения сред. Тср подвода тепла.Рис.7. Цикл Ренкина с вторичным перегревом параПроцесс расширения «уводится» из области влажного пара. Повышается Тср передачи тепла (чем выше Тср тем выше КПД). MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.17) MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.17)Если КПД дополнительного цикла > КПД основного или КПД полного цикла > КПД основного (без промежуточного перегрева), то вторичный перегрев выгоден.Схема паротурбинной установки с вторичным перегревом пара приведена на рис. 8.Рис. 8. Схема паротурбинной установки с вторичным перегревом пара:ПК – паровой котел, ПП – пароперегреватель, ВПП – вторичный пароперегреватель, ПТ – паровая турбина, К-р – конденсатор паровой турбины, Н – насос, ЭГ – электрогенератор [3, 5]2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ2.