7.5 Паровой цикл карно
Схема паросиловой установки, работающей по циклу Карно с насыщенным паром в качестве рабочего тела, представлена на рис. 7.13. Подвод теплоты в котле паросиловой установки происходит при p1 = const и T1 = const. Из парового котла 1 сухой насыщенный пар поступает в паровую турбину 2, где, расширяясь от давления р1 до р2, совершает полезную работу, вырабатывая электричество (электрогенератор 3). Из турбины пар поступает в конденсатор 4, где частично конденсируется, отдавая часть теплоты охлаждающей воде, которая проходит по трубкам конденсатора. Отвод теплоты от пара в конденсаторе происходит при постоянном давлении р2 и постоянной температуре Т2. Из конденсатора влажный пар поступает в компрессор 5, где адиабатно сжимается до давления р1 , равного давлению в паровом котле. Затем конденсат подается в паровой котел 1, где цикл завершается.
Цикл Карно насыщенного пара (рис. 7.14) состоит из следующих процессов: 4-1 – изобарно-изотермический подвод теплоты q1 к пару в котле; 1-2 – адиабатное расширение пара до давления р2 в турбине; 2-3 – изобарно-изотермический отвод теплоты q2 в конденсаторе; 3-4 – адиабатное сжатие конденсата в компрессоре. Отвод теплоты в конденсаторе происходит до тех пор, пока влажный пар не достигнет такого состояния, в результате которого при сжатии по адиабате 3-4 смесь воды и пара (т. 3) превратится в воду (т. 4).
Термический КПД обратимого цикла Карно определяется уравнениями:
.
Критическая температура воды равна 374,15ºС (критическое давление 22,127 МПа), поэтому температурный интервал между нижней (t2= 25ºС) и верхней (не выше t1=340…350ºС) температурами цикла сравнительно мал. Например, для обратимого цикла Карно, осуществляемого с влажным паром в интервале температур от 25 до 2500С, равен:
.
Однако, в паросиловых установках цикл Карно не применяется по следующим причинам. В цикле Карно конденсация пара в изотермическом процессе 2-3 осуществляется не полностью, поэтому в адиабатном процессе 3-4 сжимается не вода, а влажный пар, который имеет относительно большой объем. Компрессор для сжатия влажного пара с малыми давлениями и большими удельными объемами является металлоемким. На сжатие влажного пара затрачивается относительно большая работа, численно равная площади n-4-3-m (рис. 7.14а).
Кроме того, затрата работы на сжатие увеличивается при повышении начальных параметров пара р1 и Т1 или уменьшении конечных параметров р2 и Т2. Так, например, при увеличении начальных параметров р1 и Т1 до параметров в точке 1´ работа, затрачиваемая на сжатие влажного пара, численно равна пл. n’-4’-3’-m, и, как видно из рисунка, пл. n-4-3-m < n’-4’-3’-m. Следовательно, несмотря на увеличение термического КПД цикла Карно при увеличении начальных и уменьшении конечных параметров рабочего тела экономическая эффективность использования теплоты в установке уменьшается. Последнее обстоятельство связано с относительно большим объемом компрессора и повышенными потерями. Таким образом, практически обесцениваются преимущества паровой установки, работающей по циклу Карно (максимальный термический КПД), вследствие повышенной работы, необходимой для сжатия отработавшего конденсата. При работе во влажном паре происходит механический износ лопаток последних ступеней турбины и компрессора каплями воды. Течение пара оказывается газодинамически несовершенным и внутренний относительный КПД установки уменьшается.
По этим причинам цикл Карно практически не применяется в паросиловых установках. а сохраняет лишь теоретическое значение как эталонный цикл, имеющий в заданном температурном интервале максимальный термический КПД