Принцип действия и КПД тепловых двигателей. Физика. 10 класс. Турбина кпдМОЩНОСТЬ И КПД ТУРБИНЫ — МегаобучалкаРабота турбины как теплового двигателя характеризуется внутренней (индикаторной) мощностью, развиваемой лопатками, и эффективной (на валу) мощностью Эффективная мощность Ne меньше внутренней Ni на значение механических потерь (в подшипниках, на привод вспомогательных механизмов и т д ) Внутренняя мощность Ni меньше мощности N0, которую развивала бы идеальная турбина, на значение внутренних потерь (от трения и завихрения в каналах, от перетечек пара в зазорах помимо сопл и т. д.) Внутренний относительный КПД учитывает внутренние потери турбины и определяется отношением (20.5) Механические потери оцениваются механическим КПД: (20.6) Для большинства современных турбин [14] ηoi = 0,7÷0,88; ηмех = 0,99÷0,995.
КЛАССИФИКАЦИЯ ТУРБИН Турбины паровые стационарные для привода турбогенераторов (ГОСТ 3618— 82) выпускаются мощностью от 2,5 до 1600 МВт на параметры свежего пара ро = 3,4÷23,5 МПа и to = 435÷565 °С. Турбины изготовляются следующих типов: конденсационные (К), конденсационные с отопительным (теплофикационным) отбором пара с давлением отбора 0,18 МПа (Т), с производственным отбором пара для промышленного потребления (П), с двумя регулируемыми отборами пара (ПТ), с противодавлением (Р), с производственным отбором и противодавлением (ПР) и теплофикационные с противодавлением и отопительным отбором пара (ТР).В обозначении после буквы (тип турбины) приводится ее номинальная мощность в МВт, а затем номинальное давление пара (перед стопорным клапаном турбины) в кгс/см2. Для турбин П и ПТ в обозначении давления под чертой отмечается номинальное давление производственного отбора или противодавления турбины в кгс/см2. Пример. Турбина номинальной мощностью 60 МВт на начальное давление 12,74 МПа (130 кгс/см2) с двумя регулируемыми отборами пара — производственным 1,274 МПа (13 кгс/см2) и теплофикационным отбором обозначается ПТ-60-130/13. Мощные конденсационные турбины типа К характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, направляется в конденсатор и выделяющаяся при конденсации теплота полностью теряется. Из нескольких промежуточных ступеней турбины часть пара отбирается для регенеративного подогрева питательной воды, повышающего, как показано в § 6.4, термический КПД цикла. Таких отборов, называемых нерегулируемыми (давление отбора колеблется при изменении нагрузки), может быть от двух до девяти. В конденсационных турбинах типа Т, предназначенных для совместной выработки электроэнергии и теплоты, пар в количестве, значительно большем, чем на регенерацию, отбирается на теплофикацию, а оставшийся, пройдя последние ступени турбины, направляется в конденсатор. Давление пара, отбираемого на теплофикацию, поддерживается постоянным, отсюда отбор называют регулируемым. Турбины типа П отличаются от турбин типа Т лишь тем, что пар из них отбирается для промышленного потребления и имеет более высокие параметры. Промышленный отбор также является регулируемым, так как потребители требуют постоянного давления. Турбины типа Р отличаются от всех предыдущих типов тем, что после них отсутствует конденсатор и весь отработавший пар идет на отопление или производственные нужды. Турбинами с противодавлением являются также предвключенные турбины, после которых пар используется в турбинах среднего давления. Такие турбины применяют и для «надстройки» турбинного оборудования электрических станций при переводе их на пар более высоких параметров с целью повышения экономичности. При расширении пара в многоступенчатых турбинах удельный объем его от ступени к ступени возрастает, вызывая увеличение общего объема пара, проходящего через проточную часть турбины. Например, пар, входя в турбину с давлением 2,85 МПа и температурой 400 °С, имеет удельный объем, равный 0,103 м3/кг, а при выходе из турбины в конденсатор, где давление пара 4 кПа и влажность 12 %, удельный объем составляет уже 31 мэ/кг, т. е. в 300 раз больше. Для пропуска возрастающего объема пара приходится увеличивать живое сечение сопл и лопаточных кана-
лов Но с увеличением высоты лопаток и диаметра дисков возрастают окружные скорости их движения, превышать которые по условиям прочности сверх допустимых (н = 350-=-400 м/с) нельзя. Так как наибольшую высоту имеют лопатки последних ступеней, то именно их пропускная способность по пару лимитирует предельную мощность турбины В настоящее время предельная мощность однопоточной конденсационной турбины на высокое давление не превышает 50 МВт.
megaobuchalka.ru Коэффициент полезного действия турбины Обратная связь ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими Целительная привычка Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Тренинг уверенности в себе Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Как слышать голос Бога Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
Совершенство проточной части турбины оценивается внутренним КПД, величина которого зависит от совершенства основных элементов турбины. Суммарная величина потерь энергии в турбине складывается из потерь в газоподводящем корпусе и сопловом аппарате D , потерь в рабочем колесе D , потерь с выходной скоростью D , а также потерь в газоотводящем корпусе. Кроме того, в суммарные потери в турбине входят потери из-за протечек газа в зазоре между лопатками и кожухом D , потери трения и вентиляции D , и механические потери в подшипниках D . Потери энергии в газоподводящем корпусе обычно малы и ими можно пренебречь ( или их относят к потерям в сопловом аппарате ), то по сумме потерь, кроме механических, может быть определена величина внутреннего КПД турбины:
, (4.2)
где - располагаемая работа турбины. Потери энергии в сопловом аппарате D определяются в долях от располагаемой работы соплового аппарата:
. (4.3) В турбокомпрессорах с осевой турбиной коэффициент скорости лежит в пределах j = 0,95…0,97; с радиально – осевой турбиной - j = 0,94…0,96. В турбокомпрессоре для наддува ДВС используют, как правило, реактивные турбинные ступени со степенью реактивности =0,4…0,5. Эти ступени на переменных режимах имеют больший КПД. Это вызвано тем, что в реактивных ступенях рабочие лопатки имеют скругленные входные кромки, которые менее чувствительны к повышенным углам атаки. Располагаемую работу соплового аппарата можно определить по выражению:
. (4.4)
Потери энергии в рабочем колесе D определяются в долях от кинетической энергии газа на выходе из рабочих лопаток:
. (4.5)
Коэффициент скорости в осевых ступенях = 0,93…0,96; в радиально-осевых = 0,85…0,94. Потери энергии с выходной скоростью:
(4.6) Эти потери обычно составляют 8…10 %. Потери энергии из-за утечек газа в зазорах зависят главным образом от величины зазоров , высоты лопатки и угла выхода потока . Потери энергии от утечек обычно больше относительного расхода рабочей среды через зазоры. Это связано с дополнительным возмущением основного потока в зонах, примыкающих к зазорам, поэтому для расчета потерь энергии от утечек желательно использовать зависимости, полученные при исследовании турбинных ступеней. В результате обобщения экспериментов на двух реактивных ступенях с закрученными безбандажными лопатками без уплотнения радиального зазора, В.К. Гребневым получена зависимость для определения коэффициента потерь:
, (4.7) где - относительная площадь зазора. ; (4.8) - степень реактивности ступени в районе зазора. Потери энергии от утечек через зазоры определяются по выражению:
. (4.9)
Потери на трение диска и вентиляцию в кВт определяются по выражению:
, (4.10) где - плотность газа в осевом зазоре. Коэффициент потерь энергии от трения диска и вентиляции определяется по формуле:
. (4.11) Для ступени с полным подводом газа по окружности: 0,005.
4.3. Лопатки сопловых и рабочих решеток осевых турбин.
При подводе газа к ступени близкому к осевому, сопловое лопатки изготавливаются одинаковыми с углом входа = 90°. При боковом подводе газа, как правило, не делают закрутки газоподводящих каналов по направлению вращения ротора, поэтому здесь также = 90°. Форма профиля должна обеспечивать безотрывность обтекания. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет параболический и гиперболический профили. Толщина выходной кромки должна быть минимальной, ее следует выбирать из технологических условий изготовления. Обычно в турбокомпрессорах сопловые лопатки изготавливаются литьем, и по этому толщина выходной кромки равна 0,8…1,2 мм. Большие размеры относятся к турбокомпрессорам больших размеров. Угол потока на выходе из сопловой решетки определяется типом профиля. Этот угол приблизительно равен эффективному углу выхода потока , который находится по выражению:
, (4.12) где - горло межлопаточного канала; - шаг сопловой решетки. От угла существенно зависят потери энергии в сопловом аппарате. Уменьшение угла ведет к увеличению угла поворота потока в межлопаточном канале и увеличению потерь. Однако, значительное увеличение угла приводит к необходимости увеличения угла , а следовательно, и к росту скорости на выходе из ступени и уменьшению КПД ступени. Окружной шаг решетки находится по выражению:
. (4.13)
Число лопаток соплового аппарата обычно = 20…40 и определяется по величине относительного шага решетки и зависит от размеров турбокомпрессора. Оптимальное значение относительного шага на среднем диаметре обычно = 0,7…0,8. Скорость, направления потока и давления газа на выходе из решетки существенно меняются по шагу. Однако, по мере удаления от соплового аппарата происходит выравнивание параметров газа. По результатам экспериментальных исследований оптимальная величина осевого зазора на среднем диаметре составляет приблизительно 1/3 ширины решетки. С целью уменьшения осевых размеров турбокомпрессора осевой зазор принимается равным 0,15…0,2 меридиональной ширины решетки. Профилирование рабочих лопаток и выбор основных геометрических параметров решетки лопаток сводится к обеспечению изменения параметров в соответствии с результатами газодинамического расчета турбины и получению минимальных потерь энергии. В то же время выбранные профили рабочих лопаток должны максимально удовлетворять требованиям прочности и простоты изготовления. Высокая эффективность работы межлопаточного канала может быть достигнута лишь при условии безотрывного обтекания лопаток, которое обеспечивается, прежде всего, отсутствием диффузорных участков и равномерным сужением каналов по всей длине. Обычно углы на входе рабочей лопатки осевой турбины при = 0,4…0,5 на среднем диаметре = 48…60°, = 24…28°. В импульсных турбинах угол лопатки на входе следует брать несколько меньше расчетного, так как при срабатывании в турбине импульса давления поток газа имеет большую энергию, соответствующую максимальным значениям давления. Число рабочих лопаток осевой турбины обычно 26…45. От количества рабочих лопаток существенно зависит, при сохранении оптимального шага, жесткость лопатки, а, следовательно, и ее вибропрочность. Поэтому при относительно большой длине целесообразно иметь меньшее количество лопаток. Это упрощает изготовление литых лопаток и цельнолитых колес. Уменьшение числа рабочих лопаток и соответствующее увеличение хорды и толщины профиля приводит к увеличению толщины диска рабочего колеса и момента инерции ротора турбины, что отрицательно сказывается на приемистости дизеля. Поэтому, когда это допустимо по условиям вибропрочности, число рабочих лопаток выбирается ближе к верхнему пределу. Толщина выходной кромки лопатки зависит от технологии изготовления и обычно равна 0,8…1,5 мм. В периферийных сечениях толщина выходной кромки меньше, чем в корневых. Радиус входной кромки лопатки составляет (0,03…0,05) . В осевых турбинах в связи с изменением параметров потока по высоте лопатки и с целью обеспечения безударного обтекания профиля по всей длине лопатки при < 10 выполняют закрутку лопаток, то есть их профилирование по высоте. В газовых турбинах наибольшее распространение получил тип закрутки по условию постоянства циркуляции по высоте: . При профилировании рабочей лопатки по высоте необходимо обеспечить минимальные потери энергии в решетке, минимальные напряжения в лопатке, максимальную вибропрочность, минимальный момент инерции лопатки относительно оси ротора и максимальную технологичность. Минимум потерь энергии в турбинной ступени достигается при относительном шаге: для периферийных сечений = 0,8…0,9; на среднем диаметре = 0,7…0,8; в корневых сечениях = 0,6…0,7.
4.4. Решетки лопаток радиально - осевых турбин
В радиально – осевых турбинах газ может подводиться к сопловым лопаткам по направлению вращения ротора или в обратном направлении. В связи с этим профилировать лопаточные аппараты следует исходя из условий подвода газа. С целью обеспечения безударного входа, средний геометрический угол на входе в сопловые лопатки должен быть близким к основному направлению потока газа. В случае попутного подвода газа конструкция соплового аппарата аналогична конструкции лопаточного диффузора компрессора. В импульсных турбинах с двумя и более подводами газа в большинстве случаев сопловой аппарат составляется из лопаток двух видов: к части лопаток газ подводится в попутном направлении, к другой части – во встречном направлении. При попутном направлении угол лопаток на входе определяется из условия:
, (4.14) где - площадь поперечного сечения улитки на входе. При встречном подводе газа лопатки соплового аппарата оказываются очень изогнутыми, и определяется из условия:
. (4.15) Как правило, сопловые аппараты с попутным подводом газа имеют меньшие потери энергии, чем сопловые аппараты со встречным подводом. При встречном подводе газа профилирование сопловых лопаток ведётся с учётом дополнительных условий. Число лопаток принимают на 20…30% больше, чем при попутном подводе; радиальная протяжённость соплового аппарата выбирается из условия обеспечения равномерного сужения вдоль всего межлопаточного канала. При встречном подводе газа требуется значительная радиальная протяжённость соплового аппарата. При малой радиальной протяжённости приходится применять сопловые аппараты с большим числом лопаток, что для малых турбин ведет к снижению и, соответственно, . При смешанном (попутном и встречном) подводе газа необходимо фиксировать правильное положение соплового аппарата (например, штифтованием) Угол потока на выходе из соплового аппарата в первом приближении можно считать равным эффективному углу выхода и определить по формуле:
. (4.16)
Угол потока и ширина сопловых лопаток определяются в результате газодинамического расчета. Обычно - 12…23°, а отношение 0,08…0,15. Толщина выходной кромки зависит от типа размера турбокомпрессора и равна 0,5…1,0 мм. Радиальная протяженность сопловых лопаток , существенно влияющая на габариты и вес турбины, частично зависит от угла и не может быть уменьшена за счёт увеличения числа лопаток в связи с ограничением по конфузорности и . При = 12…20, = (0,15…0,20) , то есть = 1,35…1,50. Относительный шаг соплового аппарата выбирают в пределах = 0,55…0,75. Большие значение соответствуют сопловым лопаткам с попутным подводом газа, меньшие – со встречным. Условия работы колеса турбины и вероятность поломки лопаток из-за вибрации существенно зависят от неравномерности поля скоростей и давлений на входе в рабочее колесо, которая определяется величиной радиального зазора между сопловыми и рабочими лопатками. Увеличение радиального зазора между сопловыми и рабочими лопатками приводит к снижению неравномерности параметров газа на входе в колесо и существенному снижению уровня шума. В тоже время, увеличения радиального зазора приводит к росту потерь энергии на трение в безлопаточной части. Применение увеличенного зазора в турбине, работающей в потоке переменного давления, может привести к росту потерь энергии вследствие перетекания газа из одного патрубка в другой. Во избежание такого явления необходимо установить разделительные лопатки с минимальным зазором между их кромками и колесом. В выполненных конструкциях радиально- осевых турбин радиальный зазор между сопловыми лопатками и рабочим колесом составляет (0,04…0,08) . Число лопаток колеса определяется его геометрическими размерами, быстроходностью, технологией изготовления и условиями работы турбины. Достижение высоких значений КПД турбины возможно при безотрывном течении потока газа в межлопаточных каналах колеса. Профиль и форма межлопаточного канала зависят от количества лопаток. Время разгона ротора турбокомпрессора пропорционально его моменту инерции. Момент инерции колеса турбины составляет 70…80% от момента инерции ротора и пропорционален числу лопаток колеса турбины. В ряде случаев целесообразно идти на уменьшение числа лопаток для получения минимального момента инерции, допускается даже некоторое снижение КПД турбины. Число лопаток колеса турбины определяет возможность создание жестких и прочных лопаток, что может явиться основным фактором, определяющим надёжность турбокомпрессора. Жесткие и прочные лопатки получаются при их достаточной толщине у корня. Число лопаток в радиально - осевых турбинах равно 12…18. Угол потока газа на выходе из рабочего колеса в относительном движении ,
где =1,0…1,1- коэффициент, зависящий от формы и толщины выходной кромки лопаток. Некоторое увеличение КПД турбины может быть получено за счет выбора минимально допустимого угла , но при этом может произойти ухудшение межлопаточного канала в меридиональном сечении. Обычно в радиально – осевых турбинах = 15…25°;
; 90°; =70…90°; 25…45°; ; 0,5…0,6.
Газоотводящий корпус
Когда позволяют габариты, для снижения потерь энергии с выходной скоростью за рабочим колесом турбины устанавливают диффузор. Повышение давления газа в диффузоре происходит за счет преобразования части кинетической энергии в потенциальную энергию давления. В этом случае давление газа за выходными кромками рабочих лопаток будет ниже давления в случае без диффузора, что позволит увеличить располагаемую работу и повысить мощность турбины. Давление газа за турбиной с диффузором можно определить по выражению:
, (4.17) где - скорость газа на выходе из диффузора; и - площади проходных сечений соответственно на входе в диффузор и на выходе из него; - КПД диффузора. КПД кольцевых диффузоров с углами раскрытия менее 15° составляет 0,65…0,8. Незначительные углы раскрытия диффузоров позволяют исключить отрыв потока от стенок и обеспечить достаточно высокий КПД. Однако при этом существенно увеличиваются осевые размеры турбины. Увеличение угла раскрытия более 15° приводит к резкому снижению КПД диффузора, что делает его не эффективным. Длину кольцевого диффузора можно определить по уравнению:
, (4.18) где - средний диаметр рабочей решетки; - длина рабочей лопатки; - угол раскрытия диффузора; - степень диффузорности; . В этом выражении: - внутренний диаметр кольцевого диффузора на выходе; - наружный диаметр кольцевого диффузора во входном сечении. Для турбокомпрессоров степень диффузорности целесообразно выбирать меньшей 1,6. В большинстве турбокомпрессоров диффузор за турбиной не устанавливается.
megapredmet.ru Повышение КПД двигательных установок способом рекуперации сбросного тепла от их работы с помощью парового двигателя ЕмелинаПовышение КПД двигательных установок способом рекуперации сбросного тепла от их работы с помощью парового двигателя Емелина, на примере паротурбинной и дизельной силовой установки. В статье описан принцип действия и конструкция парового двигателя Емелина. Описано применение устройства с целью повышения КПД двух таких распространённых типов двигателей как паровая турбина и дизельный двигатель. Рассказано об аспектах работы паровой турбины, ограничивающих её КПД. Известно, что все существующие в настоящее время типы двигателей прошли большой путь развития и достигли высокой степени совершенства. КПД современного дизельного двигателя 40-45%, бензинового двигателя около 30%, КПД современных паротурбинных силовых установок достигает 40–42 %. В попытках повысить КПД инженеры борются сейчас уже не за проценты, а за доли процентов. Одним из способов значительно повысить КПД, является рекуперация тепла, вырабатываемого двигателям, получение за счёт этого дополнительной механической энергии и снижения за счёт этого расхода топлива. Например, у дизельного двигателя около 60 процентов тепловой энергии теряются в виде тепла, причем примерно половина из них это теплота выхлопных газов, а остальное — теплота, поглощённая в системе охлаждения двигателя. Почему именно это устройство? Двигатель Емелина способен использовать для своей работы пар низкого давления, с высокой степенью влажности. Это уникальное свойство, присущее только этому типу парового двигателя, позволяет эффективно использовать бросовую теплоту, остающуюся после работы технических устройств и рекуперировать её в полезную механическую энергию на валу. В том числе способен использовать теплоту, остающуюся после работы паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. Изобретение защищено заявкой в Роспатент № 2013129116 от 25 июня 2013г. Полное название: «Способ преобразования тепловой энергии в механическую с помощью двигателя внешнего сгорания и двигатель Емелина» А будет-ли это работать? Увидев чертежи этого двигателя, многие воскликнут: «Что-же тут нового! Этот механизм давно известен и широко используется в технике!» Это и к лучшему. Меньше сомнений в работоспособности предложенного технического решения. Основу конструкции двигателя составляет ротационно-лопастной механизм. Известны: пневматический двигатель, газовый компрессор, гидравлический мотор и гидравлический насос ротационно-лопастной конструкции. Теперь появился и ротационно-лопастной паровой двигатель, он же двигатель Емелина. Рассмотрим аспекты работы паровой турбины. Скорость потока пара внутри турбины превышает скорость звука. Большая скорость необходима для получения большой мощности. Пока пар сухой, горячий, турбина работает отлично. Но пар, совершая механическую работу, теряет температуру и набирает влажность. Внутри потока пара появляются мелкие капли жидкой воды и начинают увеличиваться в размерах. Известно, что капля воды диаметром 2 мм, движущаяся со скоростью 750 м/с, вызывает разрушение алмаза, карбида вольфрама и деформацию высокопрочных сплавов. При меньших скоростях – порядка 200-600 м/с, многократные удары вызывают эрозию материала. Появляются и растут усталостные микротрещины внутри поверхностного слоя материала лопаток турбины. Затем начинается выкрашивание частиц металла. Это явление называется каплеударной эрозией. Появляется дисбаланс, вибрации, и как результат- поломки лопаток. Как это выглядит, видно на фотографиях с комментариями, с сайта научно-технического журнала «Надежность и безопасность энергетики», адрес в интернете http://www.sigma08.ru/jur1-11.htm
Рис. 1а и 1б. Эрозия входных кромок рабочих лопаток ротора низкого давления турбин Т-250/300-240. Наиболее часто возникающий дефект этих лопаток – эрозионный износ входных кромок. Рабочие лопатки последних ступеней изготавливаются из стали 15Х11МФ и связываются тремя рядами демпферных связей из двух разных материалов – титанового сплава ВТ-5 (наружная связь) и стали 20Х13 (внутренние связи). Можно подать на вход турбины пар такого высокого давления и температуры, что на выходе турбины пар будет иметь низкую влажность. Лопатки турбины будут работать неограниченно долго. Но из-за плохого использования теплоты конденсации упадёт общий КПД процесса. Остаточная теплоемкость пара будет очень велика. Можно наоборот, подать на вход турбины пар относительно небольшого давления. Влажность пара на выходе турбины будет высокая. Благодаря хорошему использованию теплоты конденсации общий КПД процесса будет высокий. Но из-за каплеударной эрозии лопаток ресурс турбины будет низким. Вывод: У паровой турбины КПД находится в противоречие с ресурсом. Чем выше КПД, тем ниже ресурс и наоборот. На практике применяют компромиссный вариант. Выбирают такой режим работы, при котором влажность пара на выходе из турбины составляет 13-14%. Ресурс турбины при этом составляет несколько лет. Хотя конечный итог всегда одинаковый-капитальный ремонт с заменой лопаток. Для защиты от повреждений, наносимых каплеударной эрозией, применяют высокопрочные высоколегированные стали и сплавы, специальные виды термообработки, многослойные покрытия и т.д. В результате характеристики улучшаются, но гораздо скромнее, чем хотелось бы. Проблема капле-ударной эрозии стоит как непреодолимая преграда на пути повышения КПД паровых турбин. Но ведь если проблема не решается «в лоб», можно найти обходное решение. Например, можно пар, достигший критической для турбины степени влажности, дорабатывать на паровой машине, работающей по другому принципу, которая способна использовать влажный пар низкого давления без ущерба для своей работоспособности. Именно таким является паровой двигатель Емелина. О том, какой КПД будет иметь связка паровая турбина плюс паровой двигатель Емелина, сейчас можно только гадать. Можно надеяться, что к 40% КПД паровой турбины двигатель Емелина добавит 15-20%, по скромным прикидкам. Остаточная теплоемкость пара, после работы в двух паровых машинах, будет относительно небольшой и может быть рассеяна в радиаторе, охлаждаемом набегающим потоком воздуха, аналогично радиатору системы охлаждения автомобиля или тепловоза. Пар будет конденсироваться в воду и снова подаваться в паровой котёл. Таким образом, будет обеспечен полностью замкнутый оборот воды. Важным следствием будет являться то, что паровая силовая установка станет независимой от источников воды, по настоящему мобильной. Повышение КПД двигателя автомобиля Одним из способов значительно повысить КПД автомобильного двигателя внутреннего сгорания, является рекуперация тепла, вырабатываемого двигателем и снижения за счёт этого расхода топлива. Попытки решения этой задачи предпринимались неоднократно. Последнюю по времени такую попытку предприняли разработчики баварского концерна BMW. Проект называется Turbosteamer. Система Turbosteamer состоит из двух ключевых узлов. Первый - двухступенчатый теплообменник, в котором выхлопные газы нагревают рабочую жидкость, превращающуюся в результате в пар высокого давления с температурой несколько сотен градусов. Второй главный узел — паровая турбина, куда перегретый пар поступает по магистрали, расширяется и выполняет полезную работу, помогая вращаться коленчатому валу основного мотора. После прохождения через турбину пар преобразуется обратно в жидкость в теплообменнике-конденсаторе, прежде чем попасть обратно в резервуар жидкости. Остаточная теплота пара через теплообменник передается жидкости системы охлаждения двигателя и рассеивается в атмосфере с помощью радиатора. Экономичность двигателя возрастает на 10%-15%. Естественно, радиатор системы охлаждения должен иметь увеличенные размеры. То, что прирост эффективности составляет всего 10%-15%, объясняется просто. Малогабаритная турбина имеет те-же недостатки, что и большая, Не способна использовать пар с влажностью выше 13-14% и потому КПД процесса не более 40%. Усовершенствовать такую систему рекуперации тепла можно, заменив паровую турбину паровым двигателем Емелина. Причём в данном случае он может применяться самостоятельно, а не в связке с турбиной. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:
Для работы в составе автомобильной двигательной установки двигатель Емелина имеет полезные опции. Предусмотрена возможность предварительного прогрева перед пуском после нахождения в условиях отрицательных температур. Предусмотрен режим запуска двигателя с обеспечением максимального вращающего момента, начиная с нулевой скорости вращения.
Устройство двигателя Емелина Двигатель состоит из статора 1, ротора 2, имеющего вал. На валу ротора установлен шкив (или звездочка или шестерня или полумуфта, в зависимости от типа передачи), закрепленный при помощи гайки. К торцам статора 1 с обеих сторон прикреплены при помощи болтов передняя и задняя крышки, соответственно 3 и 4. В пазах ротора 2 свободно установлены лопатки 5. Ротор 2 расположен эксцентрично относительно внутренней цилиндрической поверхности статора 1. Лопатки 5 могут свободно перемещаться в пазах ротора 2 в радиальном направлении. Вал ротора 2 установлен в двух подшипниковых узлах. В передней крышке 3 находится передний подшипниковый узел. В задней крышке 4 находится задний подшипниковый узел. В передней и задней крышках 3 и 4 установлены уплотнения. Изюминкой конструкции парового двигателя является то, что все поверхности внутри двигателя, контактирующие с паром, покрыты фторопластом, выполняющим 3 важные функции. 1. Удаление конденсата пара из двигателя происходит под воздействием центробежной силы. Водоотталкивающие свойства фторопластового покрытия не позволяет воде задерживаться на поверхностях деталей двигателя даже в виде тонкой плёнки. Свежий пар, попадая в двигатель, не тратит никакой части своей энергии на испарение остатков воды. 2. Фторопластовое покрытие снижает трение между деталями двигателя. Фторопласт называют «Скользким чемпионом» за низкий коэффициент трения. 3. Покрытие резко снижает вредный теплообмен между паром и поверхностями деталей двигателя, поскольку теплопроводность фторопласта в 180 раз меньше, чем у стали. Статор двигателя, состоит из гильзы, расположенной в центре, к которой с обоих торцов присоединены два фланца. На гильзе имеются: Впускные отверстия, тангенциально расположены относительно внутреннего диаметра гильзы. Для размещения впускных отверстий, на наружной поверхности гильзы имеется прилив материала. Выпускные отверстия, группа, для выброса отработавшего пара и конденсата. Расположены в шахматном порядке в пределах сектора выпуска. Внутренний диаметр гильзы покрыт фторопластом.
Ротор двигателя имеет пустотелую сборную сварную конструкцию. Все поверхности ротора, кроме концов вала, имеют фторопластовое покрытие. Перед сваркой на все поверхности деталей, предназначенные под нанесение покрытия, наносят искусственную шероховатость (насечки). Сборка ротора выполняется поочередной приваркой к валу отдельных сегментов. Сначала приваривают боковые стенки 7 сварным швом изнутри сегмента, потом к ним шпангоуты 8 сварными швами изнутри сегмента. Потом приваривают крышку 9 наружным сварным швом. После проведения сварки наружные сварные швы зачищают. Ширина пазов между сегментами после сварки больше, чем у готового ротора, за счёт толщины покрытия на стенках. Для снятия остаточных напряжений после сварки выполняют отжиг по технологии, обычной для сварных корпусов. Наносят фторопластовое покрытие толщиной в несколько миллиметров, с припуском на механическую обработку. Пазы заполняют полностью материалом покрытия. При последующей механической обработке пазы вновь прорезают дисковой фрезой с использованием делительной головки. Обработку паза производят в два приема, черновое и чистовое прорезание фрезой. Подшипниковые узлы двигателя могут иметь различные варианты конструкции, в зависимости от типов используемых подшипников. На чертеже, показан вариант конструкции с использованием в подшипниковых узлах шариковых радиальных однорядных подшипников с защитными шайбами. С целью недопущения перегрева подшипников, подшипниковые узлы отодвинуты от центральной, нагреваемой паром, части двигателя. Находятся в удлиненных пустотелых бобышках, снабжённых вентиляционными окнами. Лопатки изготавливаются из листового материала, например стеклотекстолита. Покрыты со всех сторон слоем фторопласта.
Подготовка к работе двигателя после хранения в условиях отрицательных температур. С целью прогрева замёрзшего двигателя, без вращения вала, в дополнительное отверстие для пара в одной из крышек 3 или 4, подают пар. Через другое отверстие пар выпускают. Пар, проходя через пазы ротора 2 под лопатками 5, вдоль оси вращения двигателя, нагревает двигатель изнутри.
Пуск двигателя С целью обеспечения полного вращающего момента на валу, начиная с нулевой скорости вращения, в конструкции двигателя применено принудительное поджатие лопаток 5 к статору 1 в момент пуска. Для этого перед пуском двигателя подают пар в дополнительное отверстие для пара в одной из крышек 3 или 4. Дополнительное отверстие в другой крышке при этом заглушают. Давление пара, попавшего в пазы ротора 2 под лопатки 5, раздвигает лопатки 5 и прижимает их к внутренней поверхности гильзы статора 1. После этого подают пар во впускные отверстия в статоре 1, двигатель запускается, набирает рабочие обороты. После этого прекращают подачу пара в дополнительное отверстие в крышке. На рабочих оборотах поджатие лопаток 5 к статору 1 обеспечивается центробежными силами.
Работа двигателя Пар низкого давления, поступая в двигатель через впускные отверстия, давит на выступающие части лопаток 5 и заставляет ротор 2 вращаться. Лопатки 5 при вращении прижимаются центробежной силой к внутренней поверхности статора 1, препятствуя перемещению пара из одной камеры в другую. Резко расширившись и совершив механическую работу, пар охлаждается и в нём начинается интенсивный процесс конденсации. Отработавший пар и конденсат, под действием центробежной силы, через выпускные отверстия в статоре 1, выбрасывается из двигателя. Свежий пар, поступающий в двигатель при следующем такте, встречает сухие стенки рабочих камер и не тратит энергию на испарение оставшейся жидкой воды.
Подробнее о принципе действия. В отличии от паровой турбины, в которой для получения механической энергии на валу используют кинетическую энергию потока пара, в паровом двигателе Емелина для получения механической энергии на валу используют потенциальную энергию давления пара. Таким образом, по принципу действия двигатель Емелина ближе к поршневой паровой машине. Циклы работы этих двух двигателей включает одинаковые фазы:
Собственно, конструкция двигателя Емелина появилась в результате попыток улучшить конструкцию поршневой паровой машины, устранив её недостатки. Основным недостатком поршневой паровой машины является плохое использование теплоты конденсации пара. Как известно, теплоёмкость пара состоит из двух составляющих-теплоты конденсации (парообразования) и теплоты перегрева пара. Теплоту перегрева пара поршневая паровая машина использует отлично. Если говорить в кулинарных терминах, то для паровой машины теплота перегрева пара является полезной легкоусвояемой пищей, а теплота парообразования (конденсации) - пища тяжёлая, плохо перевариваемая. Проблема в том, что из-за особенностей физических свойств воды, теплота парообразования (конденсации) водяного пара, как правило, значительно больше теплоты перегрева пара. Логически рассуждая, при хорошем использовании теплоты конденсации значительная часть пара будет переходить в жидкое состояние прямо внутри двигателя, в течении фазы расширения пара, совершающего механическую работу. В фазе выпуска отработавшего пара конденсат должен полностью удаляться из поршневой полости. Но выпуск из поршневой паровой машины возможен только в виде пара. Выпуск жидкости не предусмотрен конструкцией. У поршневой паровой машины есть и другие недостатки, которые были хорошо изучены ещё во времена её широкого использования, в том числе на железнодорожном транспорте. Ниже приведена цитата из книги «Курс паровозов. Устройство и работа паровозов и техника их ремонта: 2 тома, под редакцией профессора Сергея Петровича Сыромятникова. Государственное транспортное железнодорожное издательство. Москва. 1937год. – 524 с.», том 2, стр. 31: «Основным источником тепловых потерь, возникающих в паровом цилиндре, на почве теплообмена между паром и стенками цилиндра, является то обстоятельство, что впуск свежего и выпуск мятого пара происходит через одни и те же каналы и окна. Порция свежего пара, попадая в цилиндр, встречает там металлические поверхности стенок, только что перед этим охлажденные током уходящего в конус отработанного пара. Вследствие этого в период впуска пара происходит интенсивное отнятие от него тепла, вызывающее в случае насыщенного пара частичную его конденсацию, а при работе перегретым паром — контракцию, т.е. снижение температуры, сопровождающееся уменьшением удельного объёма пара. И в том и в другом случае для осуществления в цилиндре заданной индикаторной работы приходится впускать в него большее количество пара, чем его требуется по теоретическому расчёту для заполнения объёма отсечки. Отдача тепла холодным стенкам продолжается в течении всего периода впуска и на части периода расширения, пока быстро падающая при расширении температура пара не сделается ниже температуры стенок. Начиная с этого момента, теплообмен меняет своё направление, - происходит обратная отдача тепла пару, особенно интенсивная в период предварения выпуска. К сожалению, эта запоздалая компенсация приносит мало пользы, так как в конце периода расширения тепло отдаётся пару при давлении его в цилиндре, гораздо более низком, чем в период получения тепла стенками; возвращаемое же пару тепло в период выпуска не приносит никакой пользы, так как целиком уносится в конус». Конец цитаты.
Какой величины КПД можно достичь? Чтобы достигнуть максимального КПД, требуется максимально использовать теплоту конденсации пара, что соответствует максимально возможной конденсации пара в жидкость. Как добиться конденсации пара? Тут всё просто: пар, совершая механическую работу и одновременно расширяясь, охлаждается и конденсируется. Всё дело только в коэффициенте расширения. То-есть, во сколько раз увеличился первоначальный объём пара. Для пара низкого давления — один коэффициент расширения, для перегретого пара высокого давления потребуется гораздо больший коэффициент расширения. Конечный результат одинаков. Пар превратится в воду. Почти весь. Небольшая часть останется в виде насыщенного пара. Если есть жидкая вода, есть и пар над её поверхностью, независимо от температуры. Даже над поверхностью снега и льда всегда есть небольшое количество водяного пара. КПД равный 100% невозможен, потому что весь пар не может перейти в жидкость. Да и для перехода всего пара в жидкость, возможно, потребуется коэффициент расширения, равный бесконечности. У любого парового двигателя коэффициент расширения пара - величина конечная и не очень большая. Практически увеличить степень расширения можно, использовав многоступенчатое расширение пара, подобно тому, как это сделано в поршневых паровых тандем-машинах. Чем больше степень расширения, тем выше КПД. Насколько близко удастся приблизиться к недостижимой отметке 100%, зависит от конструктивных ограничений. Использование больших коэффициентов расширения требует увеличенных габаритов и веса оборудования. Другими словами, чем больше габариты, тем выше КПД. Насколько большого КПД удастся достичь, покажет только время. В любом случае, паровой двигатель низкого давления должен иметь большие габариты, обусловленные большим объёмом и низкой плотностью пара. Одно из достоинств двигателя Емелина то, что основные элементы конструкции двигателя пустотелые и тонкостенные. Это позволяет при росте габаритов сохранить вес оборудования в разумных пределах. Тут кстати стоит вспомнить о винтовых паровых машинах, они также допускают использование влажного пара. Но их рабочие органы представляют из себя винтовые валы, выполненные из монолитной стали. При увеличении габаритов винтовых валов будет резкое нарастание веса. Это ограничивает их использование в области пара низкого давления.
Заявка на изобретение № 2013129116 от 25 июня 2013г. «Способ преобразования тепловой энергии в механическую с помощью двигателя внешнего сгорания и Двигатель Емелина». Автор: Емелин Сергей Александрович. E-mail: [email protected] Идея устройства создана с использованием ТРИЗ. Ход выработки технического решения освещен на сайте ТРИЗ по адресу http://www.metodolog.ru/node/896 Статья об использовании двигателя Емелина в энергетике «Деньги на ветер или как решить проблему современной энергетики» по адресу: http://izobretatel.by/
www.metodolog.ru Принцип действия и КПД тепловых двигателей. Физика. 10 класс. - Паровая турбина.КПД теплового двигателя.Комментарии преподавателяПринцип действия теплового двигателя Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей. Определение. Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).
Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (Источник), (Источник) Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции. Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):
Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя (Источник) Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).
Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя (Источник) Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке. При данном условии работа газа (на том участке графика, где объём растёт) больше работы над газом (на том участке, где объём уменьшается) (рис. 4).
Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД. В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.
Ротор паровой турбины Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.
Схема паровой турбины В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии. На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока. В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт. Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях. Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа. Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве. Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее. Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД. Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя. Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»). КПД теплового двигателя определяют по формуле
где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 - Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах. Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% . КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%. Домашняя работаЗадание 1. Ответить на вопросы.
Задание 2. Решить задачи. ☝ При равномерном перемещении груза массой 30 кг по наклонной плоскости была приложена сила 80 Н. Вычисли КПД плоскости, если ее длина 3,6 м, а высота – 60 см. ☝ Какова длина наклонной плоскости, если при перемещении груза массой 1 кг была приложена сила 5 Н? Высота наклонной плоскости 0,2 м, а КПД 80%. ☝ Груз массой 300 кг подняли с помощью рычага на высоту 0,5 м. При этом к длинному плечу рычага была приложена сила 500 Н, а точка приложения силы опустилась на 4 м. Вычислите КПД рычага. ☝ Какая сила была приложена к длинному плечу рычага с КПД 40%, если груз массой 100 кг был поднят на высоту 10 см, а длинное плечо рычага опустилось на 50 см? ИНТЕРЕСНО 1. Мощные механизмы приводят в движение не паровыми поршневыми машинами, а паровыми турбинами. Ведь поршневые машины при той же мощности имеют большие размеры и вес и меньший кпд. В ряде случаев это технически неудобно и экономически невыгодно. 2. Чтобы поднять КПД парового двигателя стенки парового котла лучше делать из железа или меди. Эти металлы улучшат теплопроводность котла и этим поднимут его КПД. Кстати, слой накипи ухудшает теплопроводность котла и приводит к появлению на нем трещин и, в конце концов, к порче котла, поэтому-то так необходимо очищать котел от накипи. К занятию прикреплен файл «Изобретение и распространение паровых турбин.». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время. Использованные источники:
www.kursoteka.ru Внутренний относительный КПД паровой турбины
При рассмотрении цикла Ренкена принималось, что он состоит из обратных процессов. В действительном цикле паровой турбины каждый из процессов, составляющих цикл, является необратимым, поэтому термический КПД действительной установки получается термическим КПД обратимого процесса. Степень необратимости во всех этих процессах мала, их можно не учитывать. Основная необратимость в паровой турбине связана с потерей кинетической энергии на трение пара при его расширении в соплах и на лопатках турбины, поскольку течение пара происходит с большой скоростью. Необратимый процесс 1-6 может быть условно изображен на термической диаграмме, если известны начальные и конечные параметры. Полезная работа, совершенная потоком в адиабатном процессе не зависит от пути процесса и равна разности энтальпий в начале и конце процесса. Т.к. в необратимом процессе 1-6 энтропия всегда возрастает, то в точке 6 она должна быть больше, чем в точке 2. Не превратившаяся в работу теплота идет на увеличение энтальпии пара, поэтому площадь 21678 измеряет теплоту, воспринятую отработанным паром, вследствие необратимости процесса. Разность между теоретической и действительной работой равно: Отношение действительной работы, совершаемой потоком пара в турбине, к теоретической называют внутренним относительным КПД турбины.
Тепловые схемы АЭС
Возможность использовать ядерное топливо в качестве источника теплоты связано с образованием цепной реакции деления вещества и выделения огромного количества энергии. В виду эффективности деления ядер урана (235U), бомбардировка их медленными тепловыми нейтронами преобладают реакторы на медленных тепловых нейтронах. Освоены реакторы на быстрых нейтронах, отличающиеся большим коэффициентом воспроизводства ядерного горючего типа плутоний (239P), уран (238U). Для снижения скорость деления нейтронов применяются замедлители (графит, вода). В реакторе ядерное горючее находится в твердом состоянии в особых тепловых элементах. В реакторе имеются регулирующие стержни, изготовленные из материала, легкопоглощающего нейтроны (бор, кадмий). Изменяя глубину погружения стержня в топливо, меняется количество поглощаемых нейтронов, а, следовательно, мощность реактора. Энергия деления ядер урана очень велика и при делении 1 кг 235U выделяется энергия эквивалентная 20 млн. кВт/ч. Большую сложность в атомных установках представляет отвод теплоты, который выделяется в реакторе. Существует много схем отвода теплоты, но все они строятся по одному принципу. Теплота отводится с помощью какой-либо циркулирующей жидкости или газа.
В реакторе 1 осуществляется деление ядер тяжелых элементов, при котором выделяется большое количество теплоты, отводимой теплоносителем, в качестве которого используют воду или газы. Теплоноситель, омывающий тепловыделяющие элементы, является радиактивным. Радиактивный теплоноситель направляется в промежуточный теплообменник (парогенератор 3), который отдает свою теплоту рабочему телу второго контура, после насосом 6 возвращается в реактор. 1-й и 2-й контур отгорожены друг от друга биологической защитой. Во 2-м контуре циркулирует вода. Пар поступает в турбину 4 для генерации электроэнергии в генератор, а отработанный пар направляется в конденсатор, где конденсируется и насосом 6 опять подается в парогенератор. Вода, как теплоноситель, обладает недостатком, не позволяющий получить высокие значения параметров водяного пара. Если вода-носитель имеет давление 10 МПа и tо=3200С, то рабочее тело 2-го контура будет сухой насыщенный пар при давлении P=3 МПа, соответственно tо=2300С. При такой низкой температуре термический КПД составляет 17-20%. Водяной пар более высокого давления можно получить, применяя другой теплоноситель. Если в качестве теплоносителя применять жидкие металлы, которые бурно реагируют с водой, то осуществляют два промежуточных контура. АЭС по трехконтурной схеме, жидкометаллические носители в 1-м и 2-м контуре, водой и водяным паром в 3-м контуре, используют на АЭС города Шевченко. Использование жидкометаллических теплоносителей допускает температуру тепловыделяющих элементов до 25000С, а значит повышение параметров цикла АЭС. На АЭС с натриевым теплоносителем применяются начальные параметры цикла P=10 МПа и tо=4800С и применен промежуточный перегрев пара с tо=4800С и термическим КПД повышенным до 37%. Большинство АЭС работают на слабоперегретом или насыщенном паре. Для ограничения степени влажности пара в турбине применяют специальные устройства для влагоотведения (сепараторы).
Пар поступает во 2-ой контур, то есть в часть высокого давления турбины 5, соединенной с генератором 6 и проходит через влагоотделитель 4, а затем поступает в часть низкого давления турбины. Конденсат из конденсатора 7 через систему регенеративного подогрева 8 поступает в парогенератор 2 для испарения. Во 2-ом контуре возможны и допустимы потери воды. Полное количество теплоты, которое выделяется в реакторе за 1 час или тепловая мощность оценивается в кВт/ч и определяется Qэ=Qm/3600, где Qm=Km * Kp * F * Tср
Km – коэффициент теплоты от ядерного горючего в теплоносителе Кр – коэффициент неравномерности тепловыделения элементов, расположенных по радиусу реактора F – омываемая площадь поверхности тепловыделяющих элементов реактора Тср – разность температур по оси тепловыделяющего элемента и теплоносителя. Тср=ω(Т0 – Т1ср) ω – постоянный коэффициент Т0 – предельное значение температуры Т1ср – средняя температура подвода теплоты в цикле
Электрическая мощность АЭС определяется
Nэл = Qm * ηt * η0t * ηм * ηг * ηсн где ηt –термический КПД цикла η0t– относительный КПД турбины ηм – механический КПД турбины ηг – КПД генератора ηсн – КПД собственных нужд установки
Похожие статьи:poznayka.org Принцип действия и КПД тепловых двигателей. Физика. 10 класс. - Паровая турбина.КПД теплового двигателя.Комментарии преподавателяПринцип действия теплового двигателя Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей. Определение. Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).
Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (Источник), (Источник) Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции. Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):
Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя (Источник) Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).
Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя (Источник) Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке. При данном условии работа газа (на том участке графика, где объём растёт) больше работы над газом (на том участке, где объём уменьшается) (рис. 4).
Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД. В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.
Ротор паровой турбины Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.
Схема паровой турбины В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии. На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока. В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт. Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях. Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа. Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве. Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее. Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД. Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя. Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»). КПД теплового двигателя определяют по формуле
где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 - Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах. Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% . КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%. Домашняя работаЗадание 1. Ответить на вопросы.
www.kursoteka.ru Коэффициент полезного действия турбокомпрессора - Справочник химика 21Установка БР-1 является одним из наиболее совершенных и экономичных агрегатов для производства технологического кислорода. Создано несколько модификаций этой установки (БР-1М, БР-1 А, БР-1 К и др.). Еще более эффективной работы установок разделения воздуха можно достигнуть путем повышения коэффициента полезного действия турбокомпрессоров и понижения давления воздуха на входе в регенераторы. Это возможно в результате уменьшения гидравлического сопротивления на пути прямого и обратного газовых потоков. [c.128] Применение только турбинных машин дает возможность достигнуть в одном агрегате очень большой производительности. При изотермическом коэффициенте полезного действия турбокомпрессора 0,65 расход энергии на 1 кг жидкого воздуха может быть снижен до 1,40 квт-ч. При дальнейшем повышении к, п. д. турбокомпрессора расход энергии будет соответственно понижаться. [c.58]Мощность турбогазодувки и турбокомпрессора определяется по тем же уравнениям (111.10) и (111.11), что и для поршневого компрессора, но с несколько иным выражением полного коэффициента полезного действия [c.153] Более эффективным охлаждением является межступенчатое, при этом процесс сжатия приближается к изотермическому. О степени совершенства процесса сжатия в турбокомпрессоре судят по величине его полного изотермического коэффициента полезного действия [c.189] Иногда в турбокомпрессоре накапливается кислота, которая вызывает разрушение лопастей, лабиринтных уплотнений и т. д. Это приводит к снижению производительности турбокомпрессора, уменьшению его коэффициента полезного действия и выходу, машины из строя. [c.229] Стадия подготовки состоит из двух этапов — сжатия газов и их нагрева. Сжатые и нагретые газы поступают на стадию химического превращения, после которого они проходят через котел-утилизатор и теплообменник. В котле-утилизаторе вода превращается в пар. Последний попадает на лопатки турбины, находящейся на одном валу с турбокомпрессором, сжимающим поступающую на синтез реакционную смесь. Продукты реакции после котла-утилиза-тора проходят через теплообменник, отдают свое тепло сжатым газам и направляются на разделение. Подобное построение схемы не только позволяет значительно увеличить энергетический коэффициент полезного действия, но в ряде случаев получать необходимую в производстве дополнительную энергию. Энерготехнологические схемы в настоящее время реализованы в промышленности, в частности, при получении аммиака, серной кислоты и других продуктов. Они показали высокую эффективность и получают все большее распространение в промышленной практике. [c.70] При сжатии газа в турбокомпрессорах малой мощности питание колонн газом регулируется перекрытием клапанов на всасывающей линии компрессора, что связано с дополнительной затратой энергии на преодоление сопротивления клапанов и приводит к снижению коэффициента полезного действия электродвигателя вследствие его неполной нагрузки. [c.148] При внутреннем коэффициенте полезного действия 0,77 и механическом 0,98 мощность, потребляемая первой ступенью турбокомпрессора, составляет [c.176] Режим работы турбокомпрессора характеризуется производительностью (подачей) Q, конечным давлением Р, а также числом оборотов п, потребляемой мощностью N и коэффициентом полезного действия -т). [c.30] Как видно из диаграммы, приведенной на рис. 92, с увеличением производительности турбокомпрессора возрастает потребляемая мощность N и уменьшается коэффициент полезного действия Т , причем производительность турбокомпрессора может быть значительно повышена, если уменьшить общее гидравлическое сопротивление. [c.228] Очень часто в турбокомпрессоре накапливается кислота, которая вызывает разрушение лопастей, лабиринтовых уплотнений и т. д., что приводит и снижению производительности турбокомпрессора и уменьшению его коэффициента полезного действия. [c.112] Конусообразность (отклонение профиля продольного сечения) 81, 95, 140 Концентрация предельно допустимая (ПДК) 41 Корпус турбокомпрессора — Дефекты 138, 139 — Ремонт 138 Коэффициент полезного действия (КПД) компрессора 40 Краны -- Ремонт 148 [c.185] Режим работы турбокомпрессора характеризуется, с одной стороны, производительностью Р и конечным давлением воздуха Р, а с другой стороны, числом оборотов п, потребляемой мощностью N и коэффициентом полезного действия /]. [c.241] Преимущества винтового компрессора следующие высокий коэффициент полезного действия, отсутствие контакта хладагента с маслом отсутствие клапанов в полости сжатия, малые габариты уравновешенность движущихся частей и отсутствие вибраций фундамента непрерывность всасывания и нагнетания возможность широкого регулирования производительности отсутствие явления помпажа, характерного для турбокомпрессоров. [c.31] Коэффициенты полезного действия машин турбокомпрессора = 0,65 поршневого компрессора = 0,59 турбодетандера = 0,65. [c.422] В современных воздушных машинах, вследствие больших количеств циркулирующего воздуха, применяют турбокомпрессоры и турбодетандеры. Потери в турбокомпрессорах и турбодетандерах обычно оцениваются с помощью адиабатических коэффициентов полезного действия. В соответствии с рис. 43, б адиабатический к.п.д. компрессора у]адк выразится отношением работ адиабатического и действительного процессов [c.107] Установка Кт-12 является одним из наиболее современных и экономичных агрегатов для производства технологического кислорода. Существует несколько модификаций этой установки. Наиболее новыми из них являются К-11-1, КтКАр-12 КтК-12-1 КтА-12-2. Ббльшая эффективность установок разделения воздуха достигается повышением коэффициента полезного действия турбокомпрессоров и понижением давления воздуха на входе в регенераторы. Это достигается при уменьшении гидравлических сопротивлений на пути прямого и обратного газовых потоков. [c.136] Коэффициенты полезного действия Т1ад современных центробежных турбокомпрессоров имеют значения 3,75—0,85, осевых 0,85—0,92. [c.89] Индивидуальной, нли частной, характеристикой турбогазодувки и турбокомпрессора называют график зависимости напора Н (давления или степени сжатия газа pjpi), мощности на валу машины и коэффициента полезного действия т] от производительности V (по объему всасываемого газа) при постоянном числе оборотов рабочего колеса и определенном состоянии всасываемого газа. Эта характеристика строится на основании данных испытания машины и имеет в принципе тот же вид, что и для центробежного насоса (см. рис. П-9, а). Кривая зависимости Н (р) = f (V) и в данном случае имеет точку относительного максимума, левее которой (восходящая ветвь кривой) располагается область неустойчивой работы машины ( помпажа ), характеризующаяся резкими колебаниями производительности, толчками и вибрацией. Как и в случае центробежного насоса, на кривой зависимости г] = f (V) также имеется экстремальная точка, соответствующая конкретной паре значе- [c.153] Срасширением использования искусственного холода изменяются и типы холодильных и компрессорных машин, увеличивается степень их автоматизации. В установках кондиционирования воздуха все больше применяют фреоновые турбокомпрессоры для охлаждения промежуточных холодильных систем. Турбокомпрессоры имеют значительную производительность и высокие коэффициенты полезного действия. В настоящее время на ряде предприятий уже внедрены производительные винтовые компрессоры. [c.3] chem21.info |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.
Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.
газу, нагревая тот до больших температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется, совершая работу 
. Конечно же, так как всегда существует теплопередача с корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно равняться переданной теплоте – часть энергии 
уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда.
