Ответ
В пароэнергетических установках рабочим телом является водяной пар, который получают в котле в результате парообразования. Парообразованием называется процесс перехода жидкости в пар вследствие ее испарения или кипения.
Испарение с поверхности жидкости происходит в результате теплового движения молекул при любой температуре. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры, площади испарения и быстроты удаления паров, образующихся над жидкостью, но резко снижается при образовании на поверхности жидкости пленки масла или мазута.
Кипение — процесс парообразования, происходящий с образованием в объеме жидкости пузырьков пара. Пузырьки увеличиваются вследствие испарения в них жидкости, всплывают, на поверхности воды разрываются и переходят в паровую фазу над жидкостью. При установившемся процессе кипения наступает динамическое равновесие между жидкостью и паром (состояние насыщения): число молекул, вышедших из жидкости и переходящих в пар, равно числу молекул пара, возвратившихся в жидкость за
то же время.
Процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией.
Свойства пара. Пар, образовавшийся при температуре насыщения, называется насыщенным. Насыщенный пар, не содержащий влаги, называется сухим, а имеющий капли жидкости — влажным. Насыщенный пар имеет ту же температуру и давление, что и кипящая жидкость, но существенно больший удельный объем. Состояние сухого насыщенного пара крайне неустойчиво, так как при малейшем отводе теплоты пар частично конденсируется и превращается во влажный, а при незначительном увеличении теплоты становится перегретым.
Перегретым называется пар, который имеет давление кипящей жидкости, а температуру выше температуры насыщения. Перегретый пар способен иметь значительные температуры (до 515°С).
Состояние кипящей жидкости определяется давлением и температурой. Состояние влажного насыщенного пара — давлением или температурой, а также степенью сухости, которая учитывает
массовую долю сухого пара во влажном. Состояние сухого насыщенного пара — давлением, температурой или удельным объемом (определяется по таблицам водяного пара). Каждому давлению соответствует вполне определенная температура кипения (или конденсации) жидкости, а следовательно, и ее насыщенного пара. Состояние перегретого пара характеризуется давлением, температурой и энтальпией (определяется по таблицам водяного пара или по специальной диаграмме).
Энтальпия (Н) — функция состояния термодинамической системы, равная сумме ее внутренней энергии U и произведения давления р на объем V системы:
H = U + pV.
Перегревая насыщенный пар, ему сообщают дополнительную теплоту, т. е. увеличивают начальную энтальпию, что приводит к повышению к. п. д. установки в целом. Кроме того, за счет перегрева пар может совершить большую работу по сравнению с насыщенным паром при том же давлении. Конденсация перегретого пара начнется только с момента перехода его в насыщенное состояние.
С увеличением давления увеличивается температура кипения и плотность насыщенного пара, а плотность жидкости уменьшается. Критической температурой является наивысшая температура жидкости и ее насыщенного пара. Эта температура характери-|ует критическое состояние, при котором исчезает различие в свойствах пара и жидкости. Критические параметры поды: давление 22,1 МПа, температура 374,15 °С, плотность 803 кг/м3. В судовых паровых котлах используют пар докритических параметров, а в стационарных котлах — даже сверхкритических.
Изобразим рассмотренный в предыдущем параграфе процесс парообразования при постоянном давлении графически на ри-диаграмме (рис. 1). Допустим, что при - заданном давлении p 1 и температуре 0° С удельный объем жидкости равен v '() (точка а1 на диаграмме). Так как процесс нагревания жидкости и парообразования протекает при постоянном давлении, то линия его является
изобарой, идущей от точки а1 вправо. Положим, что в момент начала кипения, когда температура подогреваемой жидкости станет равной ts состояние ее определится точкой b 1 в этот момент удельный объем жидкости увеличится до v '. При дальнейшем подводе теплоты будет получаться влажный насыщенный пар, а когда вся жидкость перейдет в пар, он станет сухим насыщенным (точка c 1). Так как в процессе получения насыщенного пара температура его остается постоянной, то участок
Рис. 1. Процессы парообразования, протекающие при постоянном давлении
в осях р — v
изобары b 1 - c 1 является одновременно и изотермой. Итак, точка b 1 показывает начало, а точка с1 — конец кипения, поэтому в точке b 1 степень сухости х = 0, а в точке с1 х = 1. Все промежуточные точки относятся к влажному насыщенному пару. Понятно, что чем правее на линии b 1 - c 1 располагается точка, определяющая состояние влажного насыщенного пара, тем он суше.
При сообщении сухому насыщенному пару теплоты он переходит в перегретый пар, состояние которого определяется, например, точкой d 1 Чем теплоты будет подведено больше, тем удельный объем перегретого пара v будет также больше, и точка d 1 расположится дальше от точки c 1.
Если подобный процесс парообразования проодить при более высоком давлении р2, то изобара, соответсвующая этому давлению, расположится выше.
Жидкость считают практически несжимаемой и подтают, что удельный объем ее не зависит от давления. Поэтому без заметной погрешности можно точку а2, определяющую состояние жидкости при давлении р2 и температуре 0° С, расположить на одной вертикали с точкой а1 (в действительности точка а2 должна быть расположена несколько левее точки а1, как показано на рисунке).
Как уже отмечалось, с увеличением давления температура кипения ts повышается. Поэтому, чтобы довести жидкость до кипения при более высоком давлении, ей нужно сообщить больше теплоты. С увеличением давления, а следовательно и температуры, удельный объем кипящей жидкости v ' увеличивается. Ясно, что и точка b 2, определяющая состояние жидкости в момент начала кипения, должна быть расположена на изобаре р2 несколько правее точки b 1.
Точка c 2, определяющая на диаграмме состояние сухого насыщенного пара при давлении р2, расположится на изобаре р2 левее точки с1 так как с увеличением давления удельный объем сухого насыщенного пара уменьшается.
В процессе парообразования, при еще более высоком давлении р3 получим точки а3, b 3 и с3, определяющие состояние жидкости соответственно при 0° С, в начале кипения и когда пар становится сухим насыщенным.
Если через одноименные точки провести плавные линии, то получим линию АВ удельных объемов жидкости при 0° С, а также линии МК и NK, сходящиеся в точке К. Линия МК представляет собой геометрическое место точек, характеризующих состояние кипящей жидкости, а линия N К — геометрическое место точек, характеризующих состояние сухого насыщенного пара. Т/аким образом, линии МК и NK разделяют всю диаграмму на три области: область жидкости, лежащую между линиями АВ и МК, область влажного насыщенного пара, расположенную между пограничными линиями МК и NK, и область перегретого пара, находящуюся правее линии NK а линия МК называется пограничной кривой жидкости, а линия NK — пограничной кривой пара. Очевидно, что в точке К кипящая жидкость и сухой насыщенный пар имеют одинаковые параметры ркр, t кр и u кр, называемые критическими, а сама точка К — критической.
Вопрос 2. Особенность турбин, как теплового двигателя. В чем она состоит в сравнении с поршневым двигателям ДВС, начертите схему проточной части трехступенчатой турбины активными ступенями давления и графики смены давления Р и скорости пара на ступенях. Достоинства этих турбин и где они применяются на СЭУ.
Ответ
Турбина (от латинского слова «turbo», т. е. «вихрь») является тепловым ротационным двигателем, в котором потенциальная тепловая энергия пара (или газа) превращается в кинетическую, а последняя в свою очередь преобразуется в механическую работу вращения вала. (В дальнейшем слово «газ» опущено, однако все излагаемое относится как к пару, так и к газу.)
Такое преобразование может осуществляться одновременно на одних и тех же подвижных частях турбины или же преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить на неподвижных частях турбины, а превращение кинетической энергии в механическую paботу — на подвижных. В первом случае турбина будет чисто реактивной, а во втором — чисто активной.
Наконец, превращение потенциальной энергии пара в кинетическую может происходить частично на неподвижных частях турбины и частично — на подвижных; в этом случае турбина работает с некоторой степенью реактивности. Все современные турбины действуют по последнему принципу.
Турбины, действие которых основано преимущественно на активном принципе, называют активными, а турбины, действие которых основано наполовину на реактивном принципе — реактивными.
Рис. 2. Примеры действия активной силы
Многоступенчатые турбины се ступенями давления. Идея ступеней давления пара заключается в следующем: вместо того чтобы расширить пар от начального до конечного давления в одной ступени, его заставляют расширяться в нескольких последовательно расположенных ступенях, используя в каждой ступени небольшие перепады теплоты и давления. Ступени давления применяют как в активных, так и в реактивных турбинах.
Рассмотрим активную турбину с тремя ступенями давления (рис. 3). На валу 1 насажены три диска 2, 8, 4, на которых укреплены рабочие лопатки 6, 8, 10. Корпус турбины разделен диафрагмами на три отдельные камеры. Сопла 5 первой ступени расположены в передней стенке турбины, а сопла 7 второй и 9 третьей ступеней — в диафрагмах по их окружности.
Свежий пар давлением р0 со скоростью с0 подводят к соплам первой ступени, где он расширяется до давления p 1, а скорость увеличивается до значения с2. После этого пар попадает на рабочие лопатки 6 и отдает им свою кинетическую энергию. Скорость пара уменьшается с2, давление же пара по обе стороны диска остается постоянным. Затем пар поступает в сопла второй ступени 7, где расширяется от давления р11 до давления р"1, и, приобретая снова кинетическую энергию, поступает на рабочие лопатки 8, где отдает эту энергию. При прохож-дении по рабочим лопаткам 5 пар сохраняет давление р"1 неизменным. Расширение пара в соплах третьей ступени 9 и преобразование кинетической энергии в механическую работу на рабочих лопатках 10 происходит так же, как в первой и второй ступенях, после чего пар давлением р2 со скоростью с2 поступает по паровыпускному патрубку в конденсатор.
Таким образом, расширение пара от давления р0 до давления р2 происходит не сразу, а в три приема, т. е. тремя ступенями. Ввиду того что по мере расширения пара его объем возрастает, высоту сопл и лопаток турбины приходится постепенно увеличивать.
Благодаря равномерному распределению перепада энтальпий в этих турбинах удается достичь высокой экономичности. Они могут быть изготовлены практически на любую мощность и являются наиболее распространенным помощником современных главных судовых турбин.
Рис 3. Активная турбина с тремя ступенями давления
Рис. 4. Турбина со ступенями скорости