11.1. Цикл карно

Использование рабочего тела, изменяющего в тече­ние цикла свое агрегатное состояние, позволяет осуществить на практи­ке цикл Карно.

Напомним, что цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Практически осуществление адиабатных процессов не представляет особых трудностей. Отклонения реальных адиабатных процессов рас­ширения и сжатия от изоэнтропы, обусловленные необратимостью про­цессов течения, конечно, приводят к уменьшению термического КПД цикла, однако это уменьшение не слишком велико.

Практическое осуществление изотермических процессов подвода и отвода теплоты в газовых теплосиловых установках сопряжено с непре­одолимыми трудностями. Как было показано в § 7.9 и в гл. 10, для того чтобы по возможности приблизить реальные процессы к изотермичес­ким, применяют многоступенчатое сжатие воздуха с промежуточным охлаждением (в компрессорах) и ступенчатый подвод теплоты (в газо­турбинных установках).

Совершенно иначе обстоит дело в паросиловых циклах.

В случае потока вещества технически наиболее просто осуществи­мым процессом подвода или отвода теплоты является изобарный про­цесс. Ранее были рассмотрены условия протекания изобарного процесса подвода или отвода теплоты при постоянной температуре. Это — про­цесс фазового перехода чистого вещества из жидкого в газообразное состояние. В самом деле, внутри двухфазной области состояний чистого вещества изобары совпадают с изотермами; следовательно, изобарный процесс подвода теплоты к влажному пару (т.е. парообразование), равно как и изобарный процесс отвода теплоты от влажного пара (т. е. конденсация), легко осуществимые на практике, представляют собой в то же время изотермические процессы. Отсюда следует, что если ис­пользовать влажный пар в качестве рабочего тела и осуществить цикл, составленный из двух адиабат и двух изобар (которые в то же время являются изотермами), то это и будет цикл Карно.

Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется цикл Кар­но на влажном паре, представлен на рис. 11.1. В паровой котел 1 посту­пает влажный водяной пар малой степени сухости х. За счет сгорания в топке котла топлива (уголь, мазут, природный газ и др.) к влажно­му пару подводится теплота, и степень сухости пара повышается до значений х, близких к единице. Процесс подвода теплоты в котле про­исходит при постоянном давлении pi и при постоянной температуре Т₁.

Из котла пар поступает в паровую турбину 2. При расширении в турбине поток пара приобретает значительную кинетическую энергию. На лопатках рабочего колеса турбины эта энергия превращается в ки­нетическую энергию вращения рабочего колеса и затем в электроэнер­гию с помощью электрогенератора 3, вращаемого турбиной.

На выходе из турбины влажный пар имеет давление p₂ и соответ­ствующую этому давлению температуру Т₂. Далее пар поступает в кон­денсатор 4 — теплообменник, в котором с помощью охлаждающей воды от пара отводится теплота, пар конденсируется и, следовательно, сте­пень его сухости уменьшается.

Процесс отвода теплоты от пара в конденсаторе осуществляется при постоянном давлении.

После конденсатора влажный пар поступает в компрессор 5, в кото­ром он адиабатно сжимается до давления p₁. Затем влажный пар вновь поступает в котел, и цикл замыкается.

Таким образом, на участке цикла от выхода из компрессора до вхо­да в турбину давление рабочего тела равно p₁, а на участке цикла от выхода из турбины и до входа в компрессор давление рабочего тела равно p₂; конечно, вследствие неизбежных гидравлических потерь при течении пара в трубопроводах давление вдоль потока пара несколько

снижается, но этими потерями напора в первом приближении можно пренебречь.

Описанный цикл изображен в ρ,υ- и Т, s-диаграммах на рис. 11.2.

Подвод теплоты q₁ к пару в котле осуществляется по изобаре-изо­терме 4-1, процесс расширения в паровой турбине — по адиабате 1-2, отвод теплоты q₂ в конденсаторе — по изобаре-изотерме 2-3, сжатие па­ра в компрессоре — по адиабате 3-4. При расширении по адиабате от состояния вблизи правой пограничной кривой степень сухости пара уменьшается; при адиабатном сжатии в состоянии вблизи левой погра­ничной кривой влажность пара возрастает. Отвод теплоты в конденса­торе должен осуществляться до тех пор, пока влажный пар не достиг­нет состояния, которое определяется следующим условием: при сжатии по адиабате от состояния 3 с давлением р₂ до давления p₁ конечное со­стояние рабочего тела не должно оказаться за пределами области на­сыщения.

Термический КПД обратимого цикла Карно, осуществляемого во влажном паре, как и цикла Карно с любым другим рабочим телом, определяется уравнением (3.32):

Реальный цикл, осуществляемый во влажном паре и составленный из двух изобар-изотерм и двух адиабат, условно изображен в Т, s-диаграмме на рис. 11.3 с учетом необратимых потерь на трение при расши­рении пара в турбине и при его сжатии в компрессоре. Здесь S₂—S₁ — увеличение энтропии пара в процессе адиабатного расширения, обуслов­ленное трением, а S₄—S₃ — увеличение энтропии пара при его сжатии в компрессоре.

Из сказанного выше следует, что осуществление цикла Карно во влажном паре вполне возможно. Поскольку критическая температура воды сравнительно невысока (374,15°С), невелик и интервал темпера­тур между нижней (порядка 25 °С) и верхней (не выше 340—350 °С) 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 термический КПД цикла неизоэнтропные участки 1-2 и 3-4; степень заполнения цикла уменьшается (рис. 11.3). Однако даже в этом срав­нительно узком интервале предельных температур величина η_т для об­ратимого цикла Карно, осуществляемого во влажном паре, оказывается весьма значительной:

C учетом условий работы теплосило­вого оборудования практическое осуще­ствление этого цикла нецелесообразно, так как при работе на влажном паре, который представляет собой поток сухого насыщен­ного пара со взвешенными в нем капелька­ми воды, условия работы проточных частей турбин и компрессоров оказываются тяжелыми, течение — газодинамически несовершенным и внутренний относи­тельный КПД этих машин η_0i снижается.

Вследствие этого внутренний абсолютный КПД цикла η_i = η_т η_0i оказывается сравнительно малым.

Важно и то, что компрессор для сжатия влажного пара с малыми давлениями и большими удельными объемами представляет собой весь­ма громоздкое, неудобное в эксплуатации устройство, на привод кото­рого затрачивается чрезмерно большая энергия.

По этим причинам цикл Карно, осуществляемый во влажном паре, не нашел практического применения.