Циклы Карно для водяного пара

Паротурбинная установка отличается от двигателя внутреннего сгорания тем, что продукты сгорания топлива являются промежуточным теплоносителем, а рабочим телом является пар из какой-либо жидкости.

В паротурбинных установках процесс получения работы происходит следующим образом: химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания, которая затем в виде теплоты передается воде и пару в котле и перегревателе. Полученный пар направляется в паровую турбину, где и происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем в электрическую энергию. Самым совершенным идеальным циклом является цикл Карно. Для насыщенного пара цикл Карно представим в виде PV-диаграммы.

0-1-2-3 – цикл Карно.

т. О характеризует начальное состояние кипящей воды при давлении Р₁. В воде при постоянной температуре t₁ и постоянном давлении Р₁ сообщает удельное количество теплоты равной теплоте парообразования R (процесс 0-1). Полученный сухой насыщенный пар от т.1 расширяется по адиабате в цилиндре паровой турбины до давления Р₂ (процесс 1-2). В этом процессе температура пара понижается до температуры t₂ – конденсатора и степени сухости уменьшается с Х=1 до любого Х₂. Образовавшийся влажный пар со степенью сухости Х₂, частично конденсируется при постоянной температуре t₂ и давлении Р₂ до т.3 (процесс 2-3). При этом сухость его уменьшается до любого Х₃. От пара отводится удельное количество теплоты

q₂ = r(X₂ – X₃)

От т.3 пар по адиабате сжимается в компрессоре до начального состояния и пар превращается в кипящую воду. Паротурбинная установка, работающая по циклу Карно должна состоять из парового котла (процесс 0-1) и парового двигателя (процесс 1-2), конденсатора (процесс 2-3) и компрессора (процесс 3-0). Термический КПД цикла Карно, где в качестве рабочего тела используют насыщенный пар, определяется выражением

η_t = (T₁ – T₂) = (q₁-q₂)

T₁ q₁

Применение перегретого пара в цикле Карно не увеличивает его КПД, если пределы температуры остаются без изменения.

Цикл Карно с TS-диаграммой определяется площадью 0123, а для перегретого пара площадью 0453. Из рисунка видно, что КПД обоих циклов одинаково. Паросиловые установки, работающие по циклу Карно, имеют недостатки, которые заключаются в следующем: в процессе 2-3 (PV) конденсация пара осуществляется не полностью, вследствие чего объем цилиндра компрессора должен быть весьма значительным, а значит большого количества металла. Кроме того размеры компрессора увеличиваются с возрастанием начального давления пара и уменьшения давления в конденсаторе, то есть при переходе к более выгодным температурным режимам. Кроме того цикл Карно не позволяет иметь высокую начальную температуру, ограниченную в пределе критической температуры, то есть не позволяет иметь более высокий КПД. Главное заключается в том, что затрачиваемая работа на привод компрессора значительно больше теоретической вследствие потерь.