Moyens d'augmenter l'efficacité centrales à vapeur. Centrales à vapeur

Comme mentionné ci-dessus, une installation réacteur peut être représentée comme un moteur thermique dans lequel s'effectue un certain cycle thermodynamique.

Le cycle théorique d’une centrale à vapeur moderne est le cycle de Rankine.

Le mélange vapeur-eau formé à la suite du transfert d'énergie thermique à l'eau dans le noyau pénètre dans le séparateur à tambour où se produit la séparation de la vapeur et de l'eau. La vapeur est envoyée vers une turbine à vapeur, où elle se dilate de manière adiabatique et fonctionne. De la turbine, la vapeur d'échappement est envoyée au condenseur. Là, la chaleur est transférée à l'eau de refroidissement qui traverse le condenseur. La vapeur est ainsi complètement condensée. Le condensat résultant est continuellement aspiré du condenseur par une pompe, comprimé et renvoyé vers le tambour séparateur.

Le condensateur joue un double rôle dans l'installation.

Premièrement, il comporte un espace de vapeur et d'eau, séparé par une surface à travers laquelle se produit un échange thermique entre la vapeur d'échappement et l'eau de refroidissement. Par conséquent, le condensat de vapeur peut être utilisé comme eau idéale ne contenant pas de sels dissous.

Deuxièmement, dans le condenseur, en raison d'une forte diminution du volume spécifique de vapeur lorsqu'elle passe à l'état goutte-liquide, un vide s'installe qui, maintenu pendant toute la durée de fonctionnement de l'installation, permet à la vapeur de se dilater. dans la turbine par une autre atmosphère (Pk 0,04-0,06 bar ) et effectuez un travail supplémentaire à cause de cela.

Cycle de Rankine dans le diagramme TS.

Ligne bleue dans Diagramme TS l'eau se sépare, à l'entropie et à la température correspondant aux points situés sur le diagramme au-dessus de cette ligne, seule la vapeur existe, en dessous du mélange vapeur-eau.

La vapeur humide dans le condenseur est complètement condensée le long de l'isobare p2=const (point 3). Ensuite, l'eau est comprimée par une pompe de la pression P2 à la pression P1, ce processus adiabatique est représenté dans le diagramme T-S par le segment vertical 3-5.

La longueur du segment 3-5 dans le diagramme T-S est très petite, car dans la région liquide, les isobares (lignes de pression constante) dans le diagramme T-S sont très proches les unes des autres. De ce fait, avec la compression isotropique (à entropie constante) de l'eau, la température de l'eau augmente de moins de 2-3 °C, et on peut considérer avec un bon degré d'approximation que dans la région liquide, les isobares de l'eau coïncident pratiquement. avec la courbe limite gauche (ligne bleue) ; par conséquent, souvent lors de la représentation du cycle de Rankine dans un diagramme T-S, les isobares de la région liquide sont représentées en train de fusionner avec la courbe limite gauche. La petite valeur du segment adiabatique 3-5 indique petit travail dépensé par la pompe pour comprimer l’eau. La faible quantité de travail de compression par rapport à la quantité de travail produite par la vapeur d'eau pendant le processus d'expansion 1-2 est un avantage important du cycle de Rankine.

Depuis la pompe, l'eau sous pression P2 entre dans le ballon séparateur, puis dans le réacteur, où de la chaleur lui est apportée de manière isobare (processus 5-4 P1=const). Tout d’abord, l’eau dans le réacteur est chauffée jusqu’à ébullition (section 5-4 isobares P1=const), puis, une fois le point d’ébullition atteint, le processus de vaporisation se produit (section 4-3 isobares P2=const). Le mélange vapeur-eau pénètre dans le tambour séparateur, où l'eau et la vapeur sont séparées. La vapeur saturée du tambour séparateur entre dans la turbine. Le processus d'expansion dans la turbine est représenté par l'adiabatique 1-2 (ce processus fait référence au cycle de Rankine classique ; dans une installation réelle, le processus d'expansion de la vapeur dans la turbine est quelque peu différent du processus classique). La vapeur humide épuisée entre dans le condenseur et le cycle se ferme.

En termes d'efficacité thermique Le cycle de Rankine apparaît moins avantageux que le cycle de Carnot décrit ci-dessus, puisque le degré de remplissage du cycle (ainsi que la température moyenne d'apport de chaleur) pour le cycle de Rankine s'avère inférieur à celui du cycle de Carnot. Cependant, compte tenu des conditions réelles de mise en œuvre, le rendement du cycle Rankine est supérieur au rendement du cycle Carnot correspondant en vapeur humide.

Afin d'augmenter l'efficacité thermique. Le cycle de Rankine, appelé surchauffe de la vapeur, est souvent utilisé élément spécial installation - un surchauffeur de vapeur, où la vapeur est chauffée à une température dépassant la température de saturation à une pression donnée P1. Dans ce cas, la température moyenne d’apport de chaleur augmente par rapport à la température d’apport de chaleur dans le cycle sans surchauffe et, par conséquent, le rendement thermique. le cycle augmente. Le cycle de Rankine à vapeur surchauffée est le cycle principal des centrales thermiques utilisées dans l'ingénierie thermique moderne.

Puisqu'il n'existe actuellement pas de centrales industrielles avec surchauffe de vapeur nucléaire (surchauffe de vapeur directement dans le cœur d'un réacteur nucléaire), alors pour les circuits simples réacteurs nucléaires BWR et RBMK utilisent un cycle avec surchauffe intermédiaire de la vapeur.

Diagramme T-S d'un cycle avec surchauffe intermédiaire de la vapeur.

Pour accroître l'efficacité dans un cycle avec surchauffe intermédiaire de la vapeur, on utilise une turbine à deux étages, constituée d'un cylindre haute pression et plusieurs (4 pour RBMK) cylindres basse pression. La vapeur du tambour séparateur est dirigée vers le cylindre haute pression (HPC) et une partie de la vapeur est prélevée pour la surchauffe. À mesure que le processus du diagramme 1-6 se développe dans le cylindre haute pression, la vapeur fonctionne. Après le HPC, la vapeur est envoyée au surchauffeur, où, en raison du refroidissement de la partie de la vapeur sélectionnée au début, elle est séchée et chauffée à une température plus élevée (mais à une pression plus faible, processus 6-7 po le schéma) et entre dans les cylindres basse pression de la turbine (LPC). Dans le LPC, la vapeur se dilate, fonctionne à nouveau (processus 7-2 dans le schéma) et entre dans le condenseur. Les processus restants correspondent aux processus du cycle de Rankine évoqués ci-dessus.

Cycle régénératif.

La faible valeur d'efficacité du cycle de Rankine par rapport au cycle de Carnot est due au fait que grand nombre L'énergie thermique lors de la condensation de la vapeur est transférée à l'eau de refroidissement dans le condenseur. Pour réduire les pertes, une partie de la vapeur de la turbine est sélectionnée et envoyée vers des réchauffeurs de régénération, où l'énergie thermique libérée lors de la condensation de la vapeur sélectionnée est utilisée pour chauffer l'eau obtenue après condensation du flux de vapeur principal.

Dans les cycles réels de production de vapeur, la régénération est réalisée à l'aide d'échangeurs de chaleur régénératifs, de surface ou à mélange, dont chacun reçoit de la vapeur des étages intermédiaires de la turbine (ce qu'on appelle la sélection régénérative). La vapeur se condense dans des échangeurs de chaleur régénératifs, chauffant l'eau d'alimentation entrant dans le réacteur. Le condensat de vapeur de chauffage est mélangé au flux d'eau alimentaire principal.

Le bilan énergétique d’une centrale à vapeur équipée d’une turbine est illustré à la Fig. 519. Il est exemplaire ; Le rendement d'une centrale à vapeur peut être encore plus élevé (jusqu'à 27 %). Les pertes d'énergie qui surviennent lors du fonctionnement d'une centrale à vapeur peuvent être divisées en deux parties. Une partie des pertes est due à une conception imparfaite et peut être réduite sans modifier la température dans la chaudière et le condenseur. Par exemple, en aménageant une isolation thermique plus poussée de la chaudière, il est possible de réduire les déperditions thermiques dans la chaufferie. La deuxième partie, beaucoup plus importante - la perte de chaleur transférée à l'eau de refroidissement du condenseur, s'avère tout à fait inévitable à des températures données dans la chaudière et le condenseur. Nous avons déjà indiqué (§ 314) que la condition de fonctionnement d'un moteur thermique est non seulement de recevoir une certaine quantité de chaleur du radiateur, mais aussi de transférer une partie de cette chaleur au réfrigérateur.

Vaste expérience scientifique et technique dans la conception de moteurs thermiques et profonds recherche théorique concernant les conditions de fonctionnement des moteurs thermiques, il a été établi que le rendement d'un moteur thermique dépend de la différence de température entre le chauffage et le réfrigérateur. Plus cette différence est grande, plus l'efficacité d'une centrale à vapeur est grande (bien entendu, à condition d'éliminer toutes les imperfections techniques de conception mentionnées ci-dessus). Mais si cette différence est faible, alors même la machine la plus avancée techniquement ne peut pas fournir une efficacité significative. Le calcul théorique montre que si la température thermodynamique du radiateur est égale à , et celle du réfrigérateur est égale à , alors l'efficacité ne peut pas être supérieure à.

Riz. 519. Bilan énergétique approximatif d'une centrale à vapeur avec turbine

Ainsi, par exemple, dans une machine à vapeur, la vapeur qui a une température de 100 (ou 373) dans la chaudière et de 25 (ou 298) dans le réfrigérateur, le rendement ne peut pas être supérieur , soit 20 % (en pratique, en raison de l'imperfection de l'appareil, le rendement d'une telle installation sera nettement inférieur). Ainsi, pour améliorer le rendement des moteurs thermiques, il est nécessaire de passer à des températures plus élevées dans la chaudière, et donc à des pressions de vapeur plus élevées. Contrairement aux centrales précédentes, qui fonctionnaient à une pression de 12 à 15 atm (ce qui correspond à une température de vapeur de 200), les centrales à vapeur modernes ont commencé à installer des chaudières de 130 atm ou plus (température d'environ 500).

Au lieu d’augmenter la température dans la chaudière, il serait possible de baisser la température dans le condenseur. Cependant, cela s’est avéré pratiquement impossible. À très basse pression, la densité de la vapeur est très faible et avec une grande quantité de vapeur transmise par seconde par une turbine puissante, le volume de la turbine et du condenseur devrait être prohibitif.

En plus d’augmenter l’efficacité d’un moteur thermique, vous pouvez utiliser la « chaleur perdue », c’est-à-dire la chaleur éliminée par le refroidissement par eau du condenseur.

Riz. 520. Bilan énergétique approximatif de la centrale thermique

Au lieu de rejeter l’eau chauffée par un condenseur dans une rivière ou un lac, elle peut être acheminée via des conduites de chauffage à eau chaude ou utilisée à des fins industrielles dans les industries chimiques ou textiles. Il est également possible de détendre la vapeur dans les turbines uniquement jusqu'à une pression de 5 à 6 atm. Dans le même temps, de la vapeur très chaude sort de la turbine, qui peut être utilisée à de nombreuses fins industrielles.

Une station utilisant la chaleur résiduelle fournit aux consommateurs non seulement de l'énergie électrique obtenue grâce à un travail mécanique, mais également de la chaleur. C’est ce qu’on appelle une centrale de production combinée de chaleur et d’électricité (CHP). Un bilan énergétique approximatif d’une centrale thermique est présenté sur la Fig. 520.

Centrale à vapeur(PSU) est un complexe d'équipements électriques qui utilisent la vapeur d'eau comme fluide de travail. Différents cycles PSU sont connus, dont le cycle de Carnot qui, comme le montre le Chap. 4, l'efficacité thermique la plus élevée de tous les cycles possibles dans une plage de température donnée. L'avantage de la vapeur d'eau est précisément que pendant le processus de vaporisation, de la chaleur peut lui être fournie le long d'une isotherme et la chaleur peut également être évacuée le long d'une isotherme lors de la condensation. Si les processus d'apport de chaleur ne sont pas associés à des transformations de phase, il est techniquement très difficile de les réaliser strictement à températures constantes. On peut affirmer que techniquement, le cycle de Carnot n’est possible que dans le domaine de la vapeur humide.

Pour ce faire, le liquide, qui est en état de saturation (vol. 7, fig. 8.1), doit être envoyé vers un générateur de vapeur, dans lequel de la chaleur lui est fournie, par exemple à partir des produits de combustion de combustible organique. ou libérés lors d’une réaction nucléaire. Dans la région de la vapeur humide, l'isotherme et l'isobare coïncident, de sorte que le processus d'ébullition essentiellement isobare dans le générateur de vapeur se produit également à température constante. Du générateur de vapeur, séchez la vapeur saturée (c.-à-d. 2) envoyé pour expansion adiabatique à la pression du condenseur

Riz. 8.1.

(T. 3 ) dans une machine à vapeur - une machine à vapeur à piston ou une turbine à vapeur. Dans un condenseur, la chaleur est évacuée de la vapeur d'échappement à pression et température constantes et la vapeur se condense, mais pas complètement (c'est-à-dire 4). Condensateur - Ce échangeur de chaleur, dans lequel l'eau dite en circulation se déplace à travers de nombreux tuyaux de petit diamètre, évacuant la chaleur générée par la vapeur lors de la condensation sur la surface extérieure des tuyaux. La vapeur humide après le condenseur pénètre dans un compresseur à piston ou à pales à vapeur et est comprimée de manière adiabatique jusqu'à l'état d'eau saturée, y compris. 1.

Efficacité thermique du cycle Carnot dans le domaine de la vapeur humide

Ce rendement est la valeur la plus élevée possible pour tous les cycles effectués dans la plage de température T (_2 et G3_4.

Malheureusement, le ratio ne peut pas être réduit arbitrairement

manière à gagner en efficacité. Pour la vapeur d'eau, la limite naturelle de T (_2 est Tcr = 647 K, et pour la température de condensation, la limite inférieure est la température ambiante à laquelle la chaleur doit être évacuée - G 3 _ 4 > 300 K. Ainsi,

L'efficacité effective réelle du cycle considéré sera nettement moindre, puisque la détente et, surtout, la compression de la vapeur humide s'accompagnent de grosses pertesénergie. De plus, une machine de compression adiabatique de vapeur humide, qui doit fonctionner d'abord comme compresseur, comprimant la vapeur avec un degré de siccité relativement élevé, puis comme pompe, doit également avoir conception complexe et ne peut pas être fiable et bon marché.

Il est à noter que l'utilisation de températures 7\_ 2 proches de T kr, entraîne une diminution du travail utile produit par 1 kg de vapeur dans un cycle. Pour le vérifier, il suffit de comparer les zones 1-2-3-4i G-2"-3"-4" sur la fig. 8.1.

Les inconvénients constatés du cycle Carnot lui sont organiquement inhérents et empêchent son utilisation pratique. Dans le même temps, des améliorations mineures au cycle considéré, proposées par William John McQuarne Rankine (1820-1872), en font un cycle par lequel plus de 80 % de toute l'électricité produite sur Terre est générée dans des centrales thermiques et nucléaires.

Thermodynamique technique

1. La production combinée de chaleur et d’électricité constitue un moyen systématique d’augmenter l’efficacité des installations de production d’électricité. Les schémas les plus simples des centrales de production combinée de chaleur et d'électricité à turbine à vapeur. Caractéristiques énergétiques des centrales thermiques.

2. La production combinée de chaleur et d'électricité constitue un moyen systématique d'augmenter l'efficacité des installations de production d'électricité. Les schémas les plus simples de centrales de production combinée de chaleur et d'électricité basés sur des moteurs à combustion interne à gaz. Caractéristiques énergétiques des centrales thermiques.

3. Centrales à vapeur (SPS) : Surchauffe intermédiaire de la vapeur, raisons d'utilisation, schémas, cycles théoriques et réels, efficacité et puissance des SPS.

4. Centrales électriques à vapeur (SPU) : schémas de régénération avec extractions, cycles de régénération en diagrammes Ts, hs. Efficacité des cycles régénératifs. Utilisation de la chaleur surchauffée de la vapeur d'extraction et de la chaleur de sous-refroidissement des condensats dans des réchauffeurs régénératifs.

5. Thermodynamique de l'écoulement : vitesses caractéristiques et paramètres de l'écoulement adiabatique Vitesse du son, équation de Laplace. Vitesses maximales et critiques, nombres de base sans dimension. Conditions de transition de la vitesse d'écoulement à travers la vitesse du son. Le principe d'inversion des influences extérieures.

6. Thermodynamique des flux : Paramètres statiques et de freinage. Relation entre paramètres statiques et paramètres de freinage.

7. Thermodynamique de l'écoulement : sortie de gaz et de vapeurs des buses.

8. Procédés de base avec des gaz réels en utilisant la vapeur d'eau comme exemple et leur calcul à l'aide de tableaux et de diagrammes : procédé isobare (condenseur, refroidisseur de condensat, refroidisseur de surchauffe).

9. Procédés de base avec des gaz réels prenant comme exemple la vapeur d'eau et leur calcul à l'aide de tableaux et de diagrammes : procédé isobare (évaporateur, surchauffeur, économiseur).

10. Procédés de base avec des gaz réels en prenant comme exemple la vapeur d'eau et leur calcul à l'aide de tableaux et de schémas : procédé adiabatique (turbine et détendeur, pompe, ventilateur).

11. Air humide : concepts de base et caractéristiques air humide. Dépendances calculées pour la constante des gaz, la masse molaire apparente, la densité, la capacité thermique, l'enthalpie de l'air humide.

12. Air humide. Diagramme HD de l'air humide. Processus de base de l'air humide.

13. Substances réelles. État critique. Diagrammes de phases d'état : рv-, Ts-, hs-. Propriétés thermodynamiques de l'eau. Tableaux thermodynamiques, diagrammes et équations d'état de l'eau.

14. Conditions d'équilibre et de stabilité des systèmes thermodynamiques : conditions généraleséquilibre stable d'un système monophasé. Équilibre d'un système biphasé avec une interface de phase plate et courbe.

15. Conditions d'équilibre et de stabilité des systèmes thermodynamiques : équilibre d'un système triphasé. Règle de phase de Gibbs. Transitions de phases du 1er ordre. Équation de Clapeyron-Clausius. Diagramme de phase de l'état.

16. Diagramme de phase de l'état pT. Diagrammes de phases d'état : рv-, Ts-, hs-

17. CGU. informations générales. Cycle idéalisé l'unité de turbine à gaz la plus simple avec apport de chaleur isobare.

18. CGU. Informations générales. Un cycle idéalisé de l'unité de turbine à gaz la plus simple avec apport de chaleur isochore.

19. CGU. Informations générales. Un cycle de l'unité de turbine à gaz la plus simple avec un apport de chaleur isobare et des processus irréversibles de compression et de détente du fluide de travail.

20. CGU. Informations générales. Régénération dans une unité à turbine à gaz.

21. Moteurs à fluide de travail gazeux. Informations générales. Moteurs à combustion interne à pistons et leurs cycles mécaniques. Cycle Otto idéal : (données initiales, calcul des points caractéristiques, chaleur d'entrée et de sortie du cycle, travail du cycle, rendement thermique, pression indicatrice moyenne).

22. Moteurs à fluide de travail gazeux. Informations générales. Moteurs à combustion interne à pistons et leurs cycles mécaniques. Cycle Diesel Idéal : (données initiales, calcul des points caractéristiques, chaleur d'entrée et de sortie du cycle, travail du cycle, rendement thermique, pression indicateur moyenne).

23. Moteurs à fluide de travail gazeux. Informations générales. Cycle Trinkler idéal : (données initiales, calcul des points caractéristiques, chaleur d'entrée et de sortie du cycle, travail du cycle, rendement thermique, pression moyenne de l'indicateur).

24. Compresseur. Informations générales. Diagramme indicateur d'un vrai compresseur. Compresseur mono-étage idéal. Fonctionnement du compresseur, influence de la nature du procédé sur le fonctionnement du compresseur.

25. Compresseur. Informations générales. Compression irréversible dans le compresseur, efficacité adiabatique et isotherme du compresseur. L'influence de l'espace nuisible sur le fonctionnement du compresseur. Efficacité volumétrique du compresseur.

26. Compresseur. Informations générales. Compresseur à plusieurs étages. Raisons d'utilisation, diagramme, diagrammes de processus, répartition de la pression entre les étages de compression, chaleur évacuée dans les échangeurs de chaleur intermédiaires.

27. Processus thermodynamiques d'un gaz parfait. Méthodologie d'étude des processus de base. Groupes de processus dans les diagrammes pv et Ts. Température intégrale moyenne de l’apport de chaleur du procédé.

28. Thermodynamique d'un gaz parfait. Mélanges de gaz parfaits. Dispositions générales. La loi de Dalton. Méthodes de spécification d'un mélange. Constante des gaz, masse molaire apparente, densité, capacité thermique, énergie interne, enthalpie, entropie mélange gazeux. Entropie du mélange.

29. La première loi de la thermodynamique. Types d'énergie. La chaleur et le travail sont des formes de transfert d'énergie. Bilans énergétiques et thermiques système technique. Absolu et caractéristiques relatives système technique basé sur les équations d'équilibre de la 1ère loi.

30. Deuxième loi de la thermodynamique. Formulations et leurs relations les unes avec les autres. Le sens du concept de réversibilité. Irréversibilité externe et interne. Entropie. Changement d'entropie dans des processus réversibles et irréversibles. Expression analytique de la 2ème loi de la thermodynamique. Une équation (identité) unifiée de la thermodynamique pour systèmes fermés

La production combinée de chaleur et d’électricité est un moyen systématique d’augmenter l’efficacité des installations de production d’électricité. Les schémas les plus simples des centrales de production combinée de chaleur et d'électricité à turbine à vapeur. Caractéristiques énergétiques des centrales thermiques.

La production combinée d’énergie thermique et électrique est appelée chauffage urbain. Si l'on tient compte du fait que l'utilisation de l'énergie thermique des centrales thermiques est considérablement retardée dans le temps, alors l'utilisation généralisée de grandes chaufferies urbaines ces dernières années devient compréhensible.

Les installations de cogénération, construites dans les grandes villes ou les zones industrielles, sont destinées à la production combinée d'énergie thermique et électrique.

Dans la production combinée d'énergie thermique et électrique, qui constitue la principale caractéristique du chauffage urbain, la chaleur dégagée par les appareils de chauffage lors de la condensation de la vapeur, qui traverse auparavant la turbine, est utilisée. Cette chaleur dans les centrales électriques à condensation, comme déjà indiqué, est perdue avec l'eau de refroidissement.

Avec la production combinée d'énergie thermique et électrique, la vapeur est fournie au consommateur à partir de (Sélection intermédiaire. À partir de 1 kg de vapeur fraîche, le consommateur reçoit de la chaleur d'un montant de (/ - fk shd) kcal / kg, où / k est le contenu calorifique de la vapeur à la sortie des chaudières sans pression, et / cond - condensat restitué par le consommateur à partir de 1 kg de vapeur provenant de l'extraction par turbine, le consommateur reçoit (/ otb - / k.

La production combinée d’énergie thermique et électrique présente des avantages significatifs. Dans les cas où, outre les consommateurs électriques, il existe également des consommateurs d'énergie thermique (pour le chauffage, à des fins technologiques), la chaleur de la vapeur d'échappement d'une turbine à vapeur peut être utilisée. Mais en même temps, la pression de la vapeur d'échappement, ou, comme on l'appelle communément, la contre-pression, est entièrement déterminée par les paramètres de vapeur nécessaires aux consommateurs thermiques. Ainsi, par exemple, lors de l'utilisation de vapeur pour des marteaux et des presses, la pression requise est de 10 à 12 ata, en un certain nombre processus technologiques une pression de vapeur de 5 à 6 ata est utilisée. À des fins de chauffage, lorsqu'il est nécessaire de chauffer l'eau à 90 - 100 C, de la vapeur avec une pression de 1 1 - 1 2 atm peut être utilisée.

a-centrale thermique industrielle ;
b- chauffage cogénération ;
1 - chaudière (générateur de vapeur) ;
2 - carburant ;
3 - turbine à vapeur ;
4 - générateur électrique ;
5 - condenseur de vapeur d'échappement de turbine ;
6 - pompe à condensats ;
7- chauffage régénératif ;
8 - pompe d'alimentation de la chaudière à vapeur ;
Réservoir de condensats à 7 collectes ( Il vaut mieux y mettre un déaérateur)
9- consommateur de chaleur ;
10—chauffe-eau de ville ;
Pompe à 11 réseaux ;
Pompe à 12 condensats pour chauffage réseau

L'efficacité du fonctionnement de la cogénération est généralement caractérisée coefficient d'utilisation de la chaleur :

La quantité d'énergie électrique et thermique respectivement fournie au consommateur par unité de temps

B – consommation de carburant pour le même temps

Pouvoir calorifique inférieur du combustible

2 La production combinée de chaleur et d'électricité est un moyen systématique d'augmenter l'efficacité des installations de production d'électricité. Les schémas les plus simples de centrales de production combinée de chaleur et d'électricité basés sur des moteurs à combustion interne à gaz. Caractéristiques énergétiques des centrales thermiques.

1ère partie à la question n°1 ( La production combinée de chaleur et d’électricité est un moyen systématique d’augmenter l’efficacité des centrales électriques.)

La production combinée de chaleur et d'électricité est une production intégrée conjointe (combinée) de 2 produits : l'énergie thermique et électrique. Un diagramme schématique de la centrale thermique la plus simple basée sur une turbine à gaz (CCGT) est présenté sur la figure :

Description de la technologie :

L'unité de turbine à gaz (GTU) la plus simple se compose d'une chambre de combustion (1), d'une turbine à gaz (2) et d'un compresseur d'air (3). Une turbine à gaz est utilisée ici pour entraîner un générateur synchrone (4) et un compresseur. Le principe de fonctionnement d'une CCGT est simple : l'air comprimé par un compresseur est refoulé dans une chambre de combustion, dans laquelle est alimenté du carburant gazeux ou liquide. Les produits de combustion résultants sont envoyés vers la turbine, dont ils constituent le fluide de travail. Les gaz rejetés dans la turbine ne sont pas émis dans l'atmosphère comme dans une simple unité de turbine à gaz, mais pénètrent dans la chaudière de chaleur résiduelle (8), où leur chaleur est utilisée pour produire de la vapeur et assurer un cycle thermodynamique selon le schéma habituel. La vapeur est acheminée vers la turbine à vapeur (5), d'où elle est acheminée vers le consommateur.

Ce système utilise une turbine de chauffage pour produire du travail et de la chaleur. 2 extractions de vapeur d'une turbine à vapeur. 11 est un condensateur.

L'efficacité du fonctionnement de la cogénération est caractérisée par le coefficient d'utilisation de la chaleur :

Le rapport entre la quantité de travail et de chaleur fournie au consommateur et la chaleur dégagée lors de la combustion du carburant

Qнр - pouvoir calorifique inférieur ;

B – chaleur de combustion ;

Nous et Qtp - la quantité d'énergie électrique (chaque générateur a le sien) et thermique fournie au consommateur

PSU : schéma de génération avec extractions, cycles régénératifs en diagrammes T-s et w-s, efficacité régénérative. cycles, utilisation chaleur de surchauffe des vapeurs d'extraction et chaleur de surfusion des condensats dans les réchauffeurs régénératifs.

Une centrale à vapeur (SPU) est une machine thermique dans laquelle le fluide de travail subit des transformations de phase. Les blocs d'alimentation sont largement utilisés dans le domaine thermique centrales électriques(TPP) pour produire de l’électricité. Les PSU sont également utilisés sur l'eau, transports ferroviaires. En tant que moteur de transport, le PSU est insensible aux surcharges et est économique dans tous les modes. Il se distingue par sa simplicité et sa fiabilité de conception, ainsi que par sa moindre pollution environnementale par rapport à un moteur à combustion interne. À un certain stade du développement technologique, lorsque le problème de la pollution de l'environnement n'était pas si urgent et qu'un foyer à flamme nue semblait dangereux, les moteurs à gaz ont remplacé les moteurs à gaz dans les transports. Actuellement, la machine à vapeur est considérée comme prometteuse tant sur le plan économique qu’environnemental.

Dans le bloc d'alimentation en tant qu'unité de dérivation du fluide de travail travail utile Un cylindre à piston ou une turbine à vapeur peuvent être utilisés. Les turbines étant désormais plus largement utilisées, nous ne considérerons à l'avenir que les installations de turbines à vapeur. Les blocs d'alimentation peuvent être utilisés comme fluide de travail diverses substances Cependant, le principal fluide de travail est (et restera dans un avenir prévisible) l'eau. Cela s’explique par de nombreux facteurs, dont ses propriétés thermodynamiques. Par conséquent, à l’avenir, nous considérerons le PSU avec de l’eau comme fluide de travail. Diagramme schématique le bloc d'alimentation le plus simple montré sur l'image

DANS chaudière à vapeur 1 eau se transforme en vapeur surchauffée avec paramètres p 1, t 1, je 1, qui entre dans la turbine 2 par une conduite de vapeur, où il subit une détente adiabatique jusqu'à la pression p2 avec la commission travail technique, qui met en rotation le rotor du générateur électrique 3. Puis la vapeur entre dans le condenseur 4, qui est un échangeur de chaleur tubulaire. Surface intérieure Les tubes du condenseur sont refroidis par circulation d'eau.

Dans le condenseur, à l'aide de l'eau de refroidissement, la chaleur de vaporisation est évacuée de la vapeur et la vapeur passe à pression constante. page 2 et la température t 2 dans le liquide qui est amené à la chaudière à vapeur 1 à l'aide de la pompe 5. Le cycle est ensuite répété.

Caractéristiques Les PSU sont :

La présence de transformations de phase dans le bloc chaudière et le condenseur ;

Les produits de combustion du carburant ne sont pas directement impliqués dans

cycle, mais ne sont qu'une source de chaleur q1 transférée à travers

paroi du fluide de travail ;

Le cycle est fermé et la chaleur q2 est transférée environnementà travers la surface d'échange thermique ;

Toute la chaleur est évacuée à température minimale cycle, qui ne change pas en raison d'une transition de phase isobare ;

Au PSU, nous mettrons fondamentalement en œuvre le cycle de Carnot.

1.2. Augmenter l'efficacité thermique des centrales à vapeur grâce à l'utilisation d'un cycle régénératif

Malgré le développement massif de paramètres de vapeur élevés et ultra-élevés ( = 23...30 MPa ;
= 570...600°C) et vide poussé dans le condenseur (97%, ou p2 = 0,003 MPa), le rendement thermique du cycle Rankine ne dépasse pas 50 %. Dans les installations réelles, la part de chaleur utilement utilisée est encore plus réduite en raison des pertes liées à l'irréversibilité interne des processus. À cet égard, d'autres méthodes ont été proposées pour augmenter l'efficacité thermique des centrales à vapeur. En particulier, l'utilisation du préchauffage de l'eau d'alimentation à l'aide de vapeur d'échappement (cycle régénératif). Regardons ce cycle.

La particularité de ce cycle est que le condensat, qui après le condenseur a une température de 28...30 ° C, avant d'entrer dans la chaudière, est chauffé dans des échangeurs de chaleur spéciaux P1-PZ (Fig. 8, a) avec de la vapeur prélevée. des étages intermédiaires de la turbine. En effectuant un chauffage progressif de l'eau grâce à l'extraction progressive de la chaleur de la vapeur lors de son expansion, il est possible de mettre en œuvre l'idée d'un cycle de Carnot régénératif, comme le montre la Fig. 8, b pour la section de cycle dans la région de la vapeur saturée.

Riz. 8. Schéma de p.s. toi. (a) et image du cycle régénératif (b)

En augmentant le nombre de sélections à l'infini (cycle finalement régénératif), le processus d'expansion peut être rapproché d'une courbe en pointillés, qui sera équidistante de la courbe du processus de chauffage. 4 – 4". Cependant, cela est techniquement impossible à réaliser et l'utilisation de cinq à huit étages de chauffage est pratiquement économiquement justifiée. Cycle p.s.u. avec régénération, à proprement parler, ne peut pas être représenté sur un diagramme T-s, puisqu'il est construit pour une quantité constante (1 kg) de substance, alors que dans un cycle avec régénération, la quantité de vapeur varie le long de la longueur de la turbine. Par conséquent, le cycle représenté sur la Fig. 8, b, est quelque peu conditionnel. Lorsque de la vapeur est extraite pour chauffer les condensats, d'une part, la consommation de chaleur pour produire de la vapeur est réduite, mais d'autre part, le travail de la vapeur dans la turbine est simultanément réduit. Malgré la nature opposée de ces influences, la sélection augmente toujours. Ceci s'explique par le fait que lors du chauffage de l'eau d'alimentation en raison de la chaleur de condensation de la vapeur sélectionnée, l'apport de chaleur d'une source externe dans la section 4 - 4" est éliminé, et donc la température moyenne de l'apport de chaleur d'un la source externe dans le cycle de régénération augmente (l'apport de chaleur externe q 1 s'effectue uniquement dans la zone 4" – 5 – 6– 7).

De plus, le chauffage régénératif de l'eau d'alimentation réduit l'irréversibilité du processus de transfert de chaleur des gaz à l'eau dans la zone. 4" – 5, puisque la différence de température entre les gaz et l'eau préchauffée diminue.

Il est pratique de résoudre les problèmes liés à la mise en œuvre du cycle régénératif à l'aide d'un schéma. Pour ce faire, considérez le circuit et le cycle de régénération du p.s.u. avec une seule sélection (Fig. 9). L'intersection de l'expansion adiabatique 1 – 2 (Fig. 9, b) avec l'isobare de sélection donne le point 0, qui caractérise l'état de la vapeur dans la sélection.

Riz. 9. Schéma de p.s. toi. avec une extraction de vapeur régénérative

(a) et image des processus i – diagramme s (b)

De la fig. 9, il est clair qu'à partir de 1 kg de vapeur entrant dans la turbine, le kg de vapeur ne se dilate que jusqu'à la pression d'extraction, produisant un travail utile, et () kilos se dilate dans la turbine jusqu'à la pression finale. Le travail utile de ce flux de vapeur. Travaux généraux 1 kg de vapeur en cycle régénératif :

Quantité de chaleur dépensée pour produire 1 kg de vapeur : (10)

Efficacité thermique du cycle régénératif : . (11)

Les processus dans les réchauffeurs régénératifs sont considérés comme isobares et on suppose que l'eau quitte le réchauffeur dans un état de saturation à la pression de vapeur dans la sélection correspondante (etc.).

La quantité de vapeur prélevée est déterminée à partir de l’équation du bilan thermique du réchauffeur mélangeur :

de : , (13)

où est l'enthalpie du liquide à la pression d'extraction ; – l'enthalpie de la vapeur extraite de la turbine ; – l'enthalpie du condensat sortant du condenseur. De même, vous pouvez déterminer la consommation de vapeur aux endroits de n'importe quelle sélection.

L'utilisation du chauffage régénératif de l'eau d'alimentation augmente l'efficacité thermique du cycle p.s. toi. de 8...12 %.

But de l'exécution travail indépendant est de maîtriser la méthodologie de calcul du cycle régénératif d'une centrale à turbine à vapeur et de déterminer les principaux indicateurs thermodynamiques du cycle étudié, dont l'efficacité thermique, avec une évaluation des pertes exergétiques dans les principaux éléments de la centrale à vapeur.

Thermodynamique de l'écoulement : vitesses caractéristiques et paramètres de l'écoulement adiabatique Vitesse du son, équation de Laplace. Vitesses maximales et critiques, nombres de base sans dimension. Conditions de transition de la vitesse d'écoulement à travers la vitesse du son. Le principe d'inversion des influences extérieures.

La notion de vitesse du son est importante dans la thermodynamique de l'écoulement, puisque les écoulements subsoniques et supersoniques du milieu présentent des différences qualitatives : toute influence donne des résultats opposés dans les écoulements subsoniques et supersoniques ; Tous les paramètres d'écoulement dans un écoulement subsonique changent continuellement ; dans un écoulement supersonique, les paramètres peuvent changer brusquement, rompant la continuité de l'écoulement.

La vitesse du son (a, m/s) est la vitesse de propagation des ondes sonores. Les ondes sont des perturbations d'une certaine grandeur physique se propageant dans un milieu qui caractérisent l'état de ce milieu. Les ondes sonores sont de faibles perturbations se propageant dans un milieu élastique – des vibrations mécaniques de faibles amplitudes.

Par exemple, à un moment donné, un corps extérieur, appelé source sonore, provoque de faibles perturbations mécaniques. Le résultat est une augmentation de pression dp. La vitesse de propagation de ce sursaut est la vitesse du son, notée « a ».

Le processus de propagation des perturbations sonores est un processus adiabatique décrit par l'équation de Laplace

Pour cela, l'équation du processus adiabatique d'un gaz parfait (7.19) est valable, que nous représentons sous la forme

r/ rk = const

La vitesse du son dépend donc de la nature du milieu (kR) et de la température du milieu.

Étant donné que la température du milieu (10 5) dans le flux change avec les changements de la coordonnée x, la vitesse du son change lors du passage d'une section à une autre. À cet égard, la nécessité du concept de vitesse locale du son est claire. .

Vitesse locale du son est la vitesse de propagation du son en un point donné de l’écoulement.

Débits maximaux et critiques

Le débit peut être déterminé à partir de l'équation de l'énergie du flux

Dans le cas où la vitesse d'écoulement initiale peut être négligée (W| = 0), la dernière relation prend la forme

Dans les formules (10.29), (10.30), l'enthalpie est substituée uniquement en J/kg, alors la vitesse aura la dimension m/s. Si l'enthalpie est définie en kJ/kg, la relation (10.30) change en conséquence

La vitesse actuelle atteint valeur maximale w MaKc dans la section où l'enthalpie de l'écoulement atteint la valeur nulle h = 0, cela se produit lors de l'écoulement dans le vide (p = 0) et, selon la relation des paramètres dans le processus d'expansion adiabatique (7.21), T = 0. Lorsque le flux atteint sa vitesse maximale, la transformation correspond à toute l'énergie du mouvement chaotique (thermique) des molécules en énergie du mouvement dirigé et ordonné.

L'analyse ci-dessus nous permet d'établir que le débit peut prendre des valeurs comprises entre 0...Wmax

De l’équation de quantité de mouvement (10.12) découle un lien entre le changement de pression et le changement de vitesse d’écoulement : l’accélération du débit (dw > 0) s’accompagne d’une chute de pression (dp< 0) и наоборот. Возвращаясь к соотношению параметров в адиабатном процессе расширения, устанавливаем неизбежное уменьшение температуры ускоряющегося адиабатного потока и, согласно (10.28), падение величины скорости звука. Изменение параметров адиабатного ускоряющеюся потока, установленное выше, иллюстрирует рис. 10.5.

Le graphique montre qu'il existe une section transversale de l'écoulement dans laquelle sa vitesse coïncide en amplitude avec la vitesse locale du son. On l'appelle la section critique de l'écoulement, car elle sépare les parties subsoniques et supersoniques de l'écoulement, qui diffèrent qualitativement les unes des autres. Les paramètres d'écoulement critiques sont des paramètres dans la section du canal où la vitesse d'écoulement est égale à la vitesse locale du son.

Le débit dans ce cas est appelé débit critique.

Le rapport de pression critique (P cr) est le rapport de la valeur critique de la pression du débit de gaz (p cr) à sa pression (p ()) dans la section d'entrée du canal à une vitesse initiale égale à zéro

∏cr = Pcr/Ro- (10,32)

Dans les calculs et les analyses de débit, il est pratique d'utiliser non pas des valeurs de vitesse absolues, mais des caractéristiques relatives :

nombre M - le rapport de la vitesse d'écoulement dans une section donnée à la vitesse locale du son

M = avec un.; (10.33)

~ nombre λ - rapport de la vitesse d'écoulement dans un temps donné

section transversale à la vitesse d'écoulement critique

λ = w/acre ; (10.34)

~ nombre ƹ - le rapport entre la vitesse d'écoulement dans une section donnée et la vitesse du son dans un écoulement stagnant

nombre A - le rapport entre la vitesse d'écoulement dans une section donnée et la vitesse d'écoulement maximale : A = w/wmax

informations générales

Presque jusque dans les années 70 du 20e siècle, le seul moteur thermique utilisé dans l'industrie était un moteur à vapeur à piston, inefficace et fonctionnant avec de la vapeur saturée à basse pression. Le premier moteur thermique continu (machine à vapeur) a été développé par I.I. Polzounov. La première voiture était à aspiration naturelle. Lorsqu'une des cavités du sous-piston était reliée à la chaudière, le piston montait sous l'influence de la pression de la vapeur, après quoi la vanne de distribution de vapeur tournait et coupait la cavité du sous-piston de la chaudière. De l'eau était injectée à travers le tube, la vapeur se condensait et un vide était créé sous le piston. Sous influence pression atmosphérique le piston est descendu et a fait un travail utile.

Dans les années 80, le cycle de fonctionnement des moteurs à combustion interne (cycle Otto) était pratiquement maîtrisé, mais, pour l'essentiel, ce cycle reflète les principes de nombreux autres inventeurs, et notamment le principe de Beau de Rocha.

Le cycle idéal d'un tel moteur, appelé cycle des moteurs à combustion interne avec chaleur fournie au gaz à volume constant, comprend la compression adiabatique du gaz de travail, l'apport isochore de chaleur au gaz, la dilatation adiabatique du fluide de travail et le transfert isochore de chaleur au fluide de travail.

Le moteur thermique de Nikolaus August Otto ne permettait pas une compression élevée, et son rendement était donc faible. Dans le but de créer un moteur à combustion interne plus moderne et à haut rendement, l'ingénieur allemand R. Diesel a développé un principe de fonctionnement différent de celui du moteur Otto.

La première tentative pour se débarrasser du compresseur appartient à notre compatriote Prof. G.V. Trinkler, qui a construit un moteur sans compresseur en 1904. Le moteur Trinkler n'est pas entré en production de masse, bien qu'il ait été fabriqué dans l'une des usines allemandes (usine de Kerting). Un nouveau troisième cycle de travail a été mis en œuvre dans les moteurs diesel sans compresseur. Le cycle idéal de ce moteur, appelé cycle d'apport de chaleur mixte, est constitué d'une compression adiabatique de l'air, d'un apport de chaleur isochore puis isobare, d'une détente adiabatique des gaz et d'un transfert de chaleur isochore.

Les moteurs thermiques dans lesquels des produits de combustion gazeux constituent également le fluide de travail sont appelés moteurs à combustion interne. Les moteurs à combustion interne se présentent sous la forme de moteurs à pistons, de turbines à gaz 1 et de moteurs à réaction.

Moteurs thermiques ( machines à vapeur), dans lesquels les produits de combustion ne sont qu'un réchauffeur (transmetteur de chaleur) et les fonctions de fluide de travail sont assurées par les phases liquide et plume, sont appelés moteurs à combustion externe. Moteurs à combustion externe - centrales à vapeur : machines à vapeur, turbines à vapeur, centrales nucléaires.

Cycle Otto parfait

Efficacité adiabatique et isotherme

En fait, le fonctionnement du compresseur est affecté non seulement par l'influence du volume nocif, mais également par la friction du gaz et les changements de pression du gaz lorsqu'il est aspiré et retiré du cylindre.

La figure 1.85 montre un diagramme d'indicateur réel. Sur la conduite d'aspiration, en raison du mouvement irrégulier du piston, de l'inertie du ressort et de la soupape, la pression du gaz dans le cylindre fluctue et est inférieure à la pression initiale du gaz p1. Pour les mêmes raisons, sur la conduite où le gaz est poussé hors de la bouteille, la pression du gaz s'avère supérieure à la pression finale p2. La compression polytropique mise en œuvre dans les compresseurs réfrigérés est comparée à la compression isotherme réversible utilisant l'efficacité isotherme. ηiz = liz/lkp.

La compression adiabatique irréversible mise en œuvre dans les compresseurs non refroidis est comparée à la compression adiabatique réversible utilisant l'efficacité adiabatique. ηad = garçon/lka.

Pour différents compresseurs, la valeur du rendement isotherme varie dans la plage ηiz = 0,6÷0,76 ; la valeur de l'efficacité adiabatique - ηad = 0,75÷0,85.

Entropie du mélange.

∆s cm = – R cm ∑ r je ln r i - entropie de mélange pour un mélange de 2 gaz.

Plus il est grand, plus le processus de mélange est irréversible.

Cela dépend de la composition du mélange, ne dépend pas de la température et de la pression.

∆s cm /R cm dépend des proportions quantitatives des composants du mélange et ne dépend pas de leur nature.

Première loi de la thermodynamique. Types d'énergie. La chaleur et le travail sont des formes de transfert d'énergie. Bilans énergétiques et thermiques d'un système technique. Caractéristiques absolues et relatives d'un système technique basées sur les équations d'équilibre de la 1ère loi.

Première loi de la thermodynamique– la loi de conservation et de transformation de l’énergie pour les systèmes et procédés thermodynamiques

Analytiquement, cela peut s'écrire W = const, ou

W1 – W2 = 0,

où W 1, W 2 sont l'énergie du véhicule isolé considéré dans les états initial et final, respectivement.

De ce qui précède, la formulation de la première loi de la thermodynamique suit : La destruction et la création d'énergie sont impossibles.

Pour un véhicule adiabatique fermé, le changement d'énergie du système est déterminé par la quantité de travail L, qu'il échange avec l'environnement dans un certain processus thermodynamique de changement d'état.

W1 – W2 = L.

Pour un véhicule fermé, qui ne peut échanger de l'énergie avec son environnement que sous forme de chaleur Q, le changement d'énergie au cours d'un certain processus thermodynamique peut être déterminé

W 1 – W 2 = - Q.

Pour un véhicule fermé qui change d’état au cours du processus 1 – 2, dans le cas général, la relation suivante est vraie :

W 1 – W 2 = L – Q. (1,29)

La chaleur et le travail sont les seules formes possibles de transfert d'énergie d'un corps à un autre. une autre formulation de la première loi de la thermodynamique pour véhicules fermés.

Si un véhicule fermé subit un processus thermodynamique circulaire, alors après son achèvement, tous les paramètres du système prennent la valeur initiale, ce qui permet d'écrire la dernière égalité sous la forme

De là découle la formulation la plus populaire de la première loi de la thermodynamique : une machine à mouvement perpétuel du premier type est impossible.

Types d'énergie: interne (U), chimique, nucléaire, cinétique. Dans certains cas, il est pratique de diviser l’énergie sur la base de la transformation quantitative d’un type d’énergie en d’autres. L'énergie, qui peut être entièrement convertie d'un type à un autre, appartient à ce qu'on appelle le premier type. Si, pour une raison ou une autre, la transformation en tout autre type d'énergie est totalement impossible, elle est classée dans ce qu'on appelle le deuxième type.

Dans le cas général, l'énergie du véhicule peut être déterminée

W = W sueur + W parents + U

L'unité de mesure de l'énergie dans le système SI d'unités physiques est 1 J (Joule). Lorsque vous utilisez d'autres systèmes, vous devez composer avec d'autres unités de mesure d'énergie : calories, erg, kilogramme-mètre, etc.

Deuxième loi de la thermodynamique. Formulations et leurs relations les unes avec les autres. Le sens du concept de réversibilité. Irréversibilité externe et interne. Entropie. Changement d'entropie dans des processus réversibles et irréversibles. Expression analytique de la 2ème loi de la thermodynamique. Équation (identité) unifiée de la thermodynamique pour les systèmes fermés

Deuxième loi de la thermodynamique.

La deuxième loi, comme la première, est généralisée par des données expérimentales et ne peut en aucun cas être prouvée. Il fait référence à un système en état d’équilibre, au processus de transition d’un système d’un état d’équilibre à un autre. Il considère la direction des processus naturels et dit que différents types les énergies sont inégales.

Tous les processus dans la nature se déroulent dans le sens de la disparition de la force motrice (température, pression, gradient de concentration). Sur la base des faits énoncés une des formulations de la loi: la chaleur ne peut pas passer d'un corps moins chaud à un corps plus chauffé. Conclusion de la 2ème loi : elle établit l'inégalité de la chaleur et du travail, et si, lors de la conversion du travail en chaleur, on peut se limiter à changer l'état d'un récepteur de chaleur, alors lors de la conversion de la chaleur en travail, une compensation est nécessaire.

Autre Énoncé de la loi : Une machine à mouvement perpétuel du 2ème type est impossible, c'est-à-dire qu'il est impossible de créer une machine dont le seul résultat serait de refroidir le réservoir thermique.

Le concept de réversibilité.

La notion de réversibilité est centrale :

1) c'est la frontière entre la thermodynamique phénoménologique et la physique statique ;

2) la notion de réversibilité permet d'obtenir un point de référence pour évaluer la perfection thermodynamique du procédé.

Un processus réversible est un processus thermodynamique après lequel le système et les systèmes (OS) qui interagissent avec lui peuvent revenir à l'état initial sans qu'aucun changement résiduel ne se produise dans le système et le système d'exploitation.

Un processus irréversible est un processus thermodynamique après lequel le système et les systèmes (OS) qui interagissent avec lui ne peuvent pas revenir à l'état initial sans provoquer de modifications résiduelles dans le système ou le système d'exploitation.

Il existe de nombreux internes et facteurs externes, qui créent l'irréversibilité des processus.

Irréversibilité interne Provoque une friction interne entre les molécules liquides en raison des forces moléculaires et des turbulences.

Irréversibilité externe découle de facteurs externes au système. L'un des plus raisons courantes irréversibilité externe - frottement mécanique. La friction est présente dans tous les processus où la surface d'un corps ou d'une substance frotte contre une autre surface. Une autre raison de l'irréversibilité externe est le processus de transfert de chaleur. De par sa nature, le transfert de chaleur s’effectue dans une seule direction : d’une zone plus chaude vers une zone plus froide. Par conséquent, le processus ne peut pas être complètement inversé, puisque la chaleur n’est pas transférée des régions les plus froides vers les régions les plus chaudes sans travail.

Entropie.

L'entropie est fonction de l'état d'un système thermodynamique, déterminé par le fait que son différentiel (dS) au cours d'un processus d'équilibre élémentaire (réversible) se produisant dans ce système est égal au rapport de la quantité infinitésimale de chaleur (dQ) transmise à le système à la température thermodynamique (T) du système.

L'introduction de l'entropie nous donne une autre équation pour calculer la chaleur d'un processus, dont l'utilisation est plus pratique que l'équation bien connue par capacité thermique. La zone sous le graphique du processus en T(S) - un diagramme à l'échelle représente la chaleur du processus.

Changement d'entropie dans des processus réversibles et irréversibles.

Dispositions générales. Dans les centrales thermiques modernes haute puissance La conversion de la chaleur en travail s'effectue dans des cycles dans lesquels de la vapeur d'eau à haute pression et température est utilisée comme fluide de travail principal. La vapeur d'eau est produite dans les générateurs de vapeur ( chaudières à vapeur), dans les fours desquels sont brûlés différents types de combustibles organiques : charbon, fioul, gaz, etc.

Le cycle thermodynamique de conversion de la chaleur en travail utilisant de la vapeur d'eau a été proposé au milieu du XIXe siècle. ingénieur et physicien W. Rankine. Fondamental diagramme thermique La centrale électrique fonctionnant sur le cycle de Rankine est illustrée à la Fig. 2.1.

Riz. 2.1.

1 - générateur de vapeur ; 2 - les turbines ; 3 - générateur électrique ; 4 - condensateur ; 5 - pompe

L'eau est pompée dans le générateur de vapeur 1 pompe 5 et, en raison de la chaleur du carburant brûlé, se transforme en vapeur d'eau, qui entre ensuite dans la turbine 2, qui fait tourner le générateur électrique 3. L'énergie thermique de la vapeur est convertie dans la turbine en travail mécanique, qui, à son tour, est convertie en électricité dans le générateur. La vapeur d'échappement de la turbine pénètre dans le condenseur 4. Dans le condenseur, la vapeur est transformée en eau (condensée) qui, à l'aide d'une pompe, 5 à nouveau fourni au générateur de vapeur. Le cycle est donc bouclé.

Sur la fig. La figure 2.2 montre le cycle de Rankine sur vapeur surchauffée dans p, v- Et T, 5 diagrammes, composés des processus suivants :

isobare 4-5-6-] - chauffage, évaporation de l'eau et surchauffe de la vapeur dans le générateur de vapeur en raison de la chaleur fournie par la combustion du carburant

Riz. 2.2. Cycle Rankine sur vapeur surchauffée : UN-V p, diagramme en V ; b- V T, s-diagramme

adiabatique 1-2 - détente de la vapeur dans une turbine avec réalisation de travaux externes utiles II;

isobare 2-3 - condensation de la vapeur d'échappement avec évacuation de la chaleur 2 par eau de refroidissement ;

adiabatique 3-4 - compression des condensats pompe d'alimentationà la pression initiale dans le générateur de vapeur avec le coût des travaux fournis de l'extérieur / a n.

Conformément à la deuxième loi de la thermodynamique, le travail utile par cycle est égal à la différence entre la chaleur fournie et évacuée dans le cycle :

L'efficacité thermique du cycle de Rankine est déterminée, comme d'habitude, par l'équation

Les études thermodynamiques du cycle Rankine montrent que son efficacité dépend en grande partie des valeurs des paramètres initiaux et finaux de la vapeur (pression et température).

Comme indiqué précédemment, l'énergie de la vapeur (fluide de travail) lorsque son état change est commodément évaluée par la valeur de l'enthalpie. Ainsi, la quantité de chaleur fournie dans un processus isobare 4-5-6-1 (voir Fig. 2.2) lors du chauffage de l'eau, de la vaporisation et de la surchauffe (J/kg), q x = / (- je 2, Où je 2- enthalpie des condensats fournis à la chaudière. La quantité de chaleur dégagée dans un processus isobare 2-3 lorsque la vapeur se condense, q2 = je 2 - je 2. Travaux utiles effectués dans une turbine

Efficacité thermique du cycle de Rankine dans ce cas

La quantité de vapeur qui doit traverser la turbine pour produire 1 kWh (3 600 J) d'énergie, soit théorique consommation spécifique paire

Alors la consommation totale de vapeur à la puissance N(kW) peut être déterminé par la formule

L'étude des expressions (2.1) et (2.2) montre que q augmente, a d diminue avec l'augmentation de / et la diminution de / 2, c'est-à-dire avec des paramètres de vapeur initiaux croissants px et /, et une diminution du final page 2 Et t2. Les paramètres finaux de la vapeur sont interconnectés, puisque la vapeur dans cette zone est humide, donc les réduire revient à réduire page 2, c'est-à-dire la pression dans le condenseur.

L'augmentation de / est limitée par la résistance thermique des matériaux ; l'augmentation de d est limitée par le degré d'humidité de la vapeur admissible en fin d'expansion. Humidité élevée (X> 0,80...0,86) entraîne une érosion des pièces de la turbine.

Actuellement, les paramètres de vapeur suivants sont principalement utilisés dans les centrales électriques : d, = 23,5 MPa (240 kgf/cm2) et t x= 565 °C. Les paramètres supercritiques sont également utilisés dans les usines pilotes : px= 29,4 MPa (300 kgf/cm 2) et /| = 600...650°C.

La pression dans le condenseur descend en dessous de la valeur page 2= 3,5... 4 kPa (0,035...0,040 kgf/m2), ce qui correspond à la température de saturation 1 2 = 26,2...28,6°C, limitée principalement par la température de l'eau de refroidissement/du liquide de refroidissement, qui fluctue en fonction de conditions climatiques de 0 à 30 °C. Pour les petites différences 1 2 - / refroidir l'intensité de l'échange thermique diminue et la taille du condenseur augmente. De plus, avec une diminution page 2 Le volume spécifique de vapeur devient de plus en plus important, ce qui entraîne une augmentation de la taille du condenseur ainsi que des derniers étages de la turbine. Sur la fig. 2.3 et 2.4 montrent graphiquement la nature de l'influence de l'augmentation de d, et /| et déclassements r g sur l'efficacité thermique.

Cycle régénératif. Pour augmenter l'efficacité de fonctionnement des installations de turbine à vapeur, en plus d'augmenter les paramètres de la vapeur, un cycle dit régénératif est utilisé, dans lequel l'eau d'alimentation, avant d'entrer dans la chaudière, est préchauffée avec de la vapeur extraite des étages intermédiaires du turbine à vapeur. Sur la fig. 2.5 présenté schéma de circuit centrale à vapeur avec chauffage régénératif de l'eau alimentaire, où a.|, un 2 et a 3 - la proportion de vapeur extraite de la turbine. L'image du diagramme G, 5 est conditionnelle, puisque la quantité de vapeur (fluide de travail) change le long du trajet d'écoulement de la turbine, et le diagramme est construit pour une quantité constante.

Riz. 2.3.

Il convient de noter que puisque la chaleur de la vapeur sélectionnée, y compris la chaleur de vaporisation, est transférée à l'eau d'alimentation et que seule une partie de la chaleur de la vapeur est utilisée pour obtenir du travail, sans compter la chaleur de vaporisation, la perte de le travail résultant des sélections sera nettement inférieur à l'augmentation de l'enthalpie de l'eau d'alimentation. Par conséquent, en général, l’efficacité du cycle augmente. Cependant, la consommation spécifique de vapeur augmentera également, car la partie sélectionnée de la vapeur ne participe pas pleinement au travail et pour obtenir une puissance donnée, sa consommation doit être augmentée. Certes, cette circonstance facilite la conception des derniers étages des turbines, permettant de réduire la longueur de leurs pales.

L'utilisation du chauffage régénératif permet, si nécessaire, d'éliminer l'économiseur pour chauffer l'eau d'alimentation avec les gaz d'échappement, en utilisant la chaleur des gaz d'échappement pour chauffer l'air entrant dans le four.

Riz. 2.4. L'effet de la diminution de la pression dans le condenseur sur la teneur en humidité de la vapeur en fin de détente (UN) et l'efficacité du cycle de Rankine ( b)

Riz. 2.5.

UN- schéma d'installation : 1 - chaudière ; 2 - surchauffeur à vapeur ; 3 - turbine à vapeur avec extraction de vapeur intermédiaire ; 4 - générateur électrique ; 5 - radiateurs régénératifs ; 6 - les pompes ; 7 - condensateur; 6 - image (conditionnelle) du processus en coordonnées G,5 : /...7-points du schéma

L'augmentation de l'efficacité lors de l'utilisation de la régénération est

10... 15 %. Dans le même temps, les économies de chaleur dans le cycle augmentent avec l'augmentation de la pression initiale de la vapeur. rx. Cela est dû au fait qu'avec une augmentation px Le point d'ébullition de l'eau augmente et, par conséquent, la quantité de chaleur pouvant être fournie à l'eau lorsqu'elle est chauffée avec de la vapeur sélectionnée augmente. Actuellement, le chauffage régénératif est utilisé dans toutes les grandes centrales électriques.

Cycle avec surchauffe de vapeur intermédiaire (secondaire). De l'analyse du cycle régénératif, il résulte que lorsqu'on utilise de la vapeur à haute pression, son humidité dans la turbine à la fin du processus de détente devient importante même à une température initiale très élevée. Pendant ce temps, le fonctionnement des turbines à vapeur humide est inacceptable, car il provoque une augmentation des pertes et de l'usure (érosion) des aubes de turbine en raison de l'impact mécanique sur elles des particules d'humidité contenues dans la vapeur.

Lors de l'utilisation de vapeur à haute pression, augmenter sa température initiale jusqu'aux valeurs admissibles pour des raisons de résistance du métal du surchauffeur et de la turbine à vapeur peut ne pas suffire à garantir humidité admissible vapeur à la fin du processus de détente dans la turbine. Par conséquent, à un certain stade de la détente, la vapeur doit être évacuée de la turbine et réchauffée dans un surchauffeur spécial, après quoi la vapeur surchauffée est réintroduite dans la turbine, où se termine son processus de détente. De ce fait, lors de la détente finale de la vapeur jusqu'aux pressions acceptées en pratique, son humidité ne dépasse pas les valeurs admissibles.

Les installations à turbine à vapeur qui utilisent cette méthode sont appelées installations à surchauffe intermédiaire de la vapeur. À faire le bon choix la pression d'extraction de vapeur pour sa surchauffe intermédiaire et la température de surchauffe intermédiaire empêchent non seulement une humidification excessive de la vapeur à la fin

Riz. 2.6. Surchauffe intermédiaire de la vapeur dans le cycle Rskin : UN- schéma d'installation : 1 - chaudière ; 2 - surchauffeur à vapeur ; 3 - les turbines ; 4 - générateur électrique ; 5 - surchauffeur intermédiaire (secondaire) ; 6 - condensateur ; 7 - pompe (nutriment); b- image du processus dans T,s- et /,3- coordonnées : 1...5- points du graphique

processus de dilatation, mais permet également d'obtenir une légère augmentation de l'efficacité thermique de l'installation.

L'utilisation d'une surchauffe intermédiaire de vapeur entraîne une augmentation du rendement thermique de l'installation de 2...3 %. Le schéma d'une centrale à vapeur avec surchauffe intermédiaire de la vapeur est illustré à la Fig. 2.6.

Riz. 2.7. Schéma de l'installation de chauffage la plus simple : / - chaudière ; 2- surchauffeur; 3 - les turbines ; 4 - condensateur ; 5- système de chauffage ; 6 et 7 - pompes

Cycle de chauffage. Dans les cas où les zones adjacentes aux centrales thermiques consomment de grandes quantités de chaleur, il est conseillé d'utiliser une méthode combinée de production de chaleur et d'électricité plutôt que de fournir séparément à ces zones la chaleur provenant de chaufferies spéciales et l'électricité provenant de centrales à condensation. Les installations qui servent à la production combinée de chaleur et d'électricité sont appelées centrales de cogénération (CHP). Ils fonctionnent selon ce qu'on appelle le cycle de chauffage.

Le schéma le plus simple d'une installation de chauffage est présenté sur la Fig. 2.7 avec les principaux éléments d'une centrale à vapeur. Le chiffre 5 indique un consommateur de chaleur (par exemple, un système de chauffage). Eau de refroidissement entraînée par pompe 6 circule dans un circuit fermé, qui comprend un consommateur de chaleur. La température de l'eau à la sortie du condenseur est légèrement inférieure à la température des condensats /n, mais suffisamment élevée pour chauffer les locaux.

Condensation en température ème est repris par la pompe 7 et après compression est introduit dans la chaudière 1. L'eau de refroidissement est chauffée grâce à la chaleur de la vapeur de condensation et sous la pression créée par la pompe. 6, pénètre dans le système de chauffage 5. Dans celui-ci, l'eau chauffée dégage de la chaleur dans l'environnement, fournissant la température ambiante requise. Après avoir quitté le système de chauffage, l'eau refroidie entre à nouveau dans le condenseur et est à nouveau chauffée par la vapeur provenant de la turbine.

S'il y a un consommateur plus ou moins constant de vapeur industrielle, on utilise une turbine fonctionnant en contre-pression sans condenseur.

Dans les installations de chauffage dont le cycle est illustré à la Fig. 2.8, UN, trois types de turbines sont utilisées : à contre-pression p2 = 1,2... 12 bars (Fig. 2.8, b); vide détérioré/^ = 0,5...0,9 bar (Fig. 2.8, V) et extraction de vapeur contrôlée (Fig. 2.8, G).

Turbines à contre-pression Ils sont relativement simples, de petite taille et bon marché, mais sont rarement utilisés, car la quantité d'électricité générée avec leur aide ne dépend pas des consommateurs électriques, mais thermiques, qui sont très instables.

Turbines à vide dégradé en l'absence de consommateurs thermiques, ils peuvent fonctionner avec détente de vapeur jusqu'à un vide poussé, comme ceux à condensation, mais leur production d'électricité dépend aussi de la consommation de chaleur.

Turbines à extractions contrôlées je n'ai pas les lacunes mentionnées, vous permettent de modifier librement les charges électriques et thermiques, c'est-à-dire travailler selon un horaire flexible. Ils sont principalement utilisés dans les centrales thermiques. Sur la fig. 2.8, G montre un schéma d'une telle installation avec une extraction de vapeur réglable en d og6 (en fonction des besoins en électricité et en chaleur), qui s'installe à l'aide d'une vanne 12, situé sur la ligne entre les étages de la turbine à grande vitesse 11 et faible 13 pression.

Riz. 2.8. Cycle de chauffage (UN) et trois types d'installations : avec contre-pression (b), vide détérioré (in) et extractions réglables

/... 10 - points du diagramme ; II- une partie de la turbine haute pression ; 12 - régulateur de la quantité de vapeur extraite ; 13 - une partie de la turbine basse pression

Le cycle de chauffage dans T, s- Le schéma est présenté sur la Fig. 2.9. La zone du contour délimitée par des traits épais correspond à la chaleur q non „, converti en travail mécanique dans la turbine. La zone située sous le contour indiqué et correspondant à la quantité de chaleur q2, emportée par l'eau de refroidissement, dans ce cas théorique n'est pas perdue inutilement, mais est utilisée pour le chauffage. Ainsi, la quantité totale de chaleur utile utilisée comprend le sol et q 2 ?

Riz. 2.9. Image du cycle de chauffage dans T, diagramme z

L'efficacité thermique du cycle de chauffage est inférieure à l'efficacité thermique du cycle de condensation correspondant, dans lequel la vapeur se détend dans la turbine jusqu'à une très faible pression (/> 2 = 3 ... 5 kPa), tout en produisant un travail utile, et est convertie en condensat dans le refroidisseur et évacuée dans le condenseur, la chaleur est complètement perdue avec l'eau de refroidissement. Ceci s'explique par le fait que dans le cycle de cogénération, la pression finale de la vapeur page 2 nettement supérieur pression normale dans le condenseur d'une turbine à vapeur fonctionnant en cycle de condensation. Pression accrue page 2, comme le montre le diagramme G.5 (voir Fig. 2.9), correspond une réduction de la quantité de chaleur q non „, utilisé dans turbine à vapeur(réduction de la superficie 1-2-3-4-5), et une augmentation de la quantité de chaleur q2, emporté par l'eau de refroidissement (augmentation de la surface 1-5-4"-G), et par conséquent - une diminution du Hz.

Par rapport au cycle de chauffage, son efficacité thermique ne peut pas servir de mesure d'efficacité à part entière, car elle ne prend pas en compte l'utilisation bénéfique par le consommateur de la partie de la chaleur qui n'est pas convertie en travail, c'est-à-dire chaleur Q2.

Par conséquent, pour évaluer l'efficacité des cycles de chauffage, ils utilisent ce qu'on appelle le coefficient d'utilisation de la chaleur, qui est le rapport de la quantité totale de chaleur utile utilisée (c'est-à-dire la quantité de chaleur convertie en travail et égale à q n0 „, et la chaleur utilisée par le consommateur sans la convertir en travail, égale à q2),à la quantité totale de chaleur fournie au corps en activité :

Théoriquement, puisque qt= P0L + q2, ce coefficient est égal à un. En pratique, sa valeur varie de 0,65 à 0,7.

Cela suggère que dans le cycle de chauffage, le degré d'utilisation de la chaleur est presque deux fois plus élevé que dans un cycle purement à condensation. Par conséquent, la méthode combinée de production de chaleur et d’énergie électrique est beaucoup plus économique que la méthode de production séparée.