Цикл Карно для водяного пара

Наиболее совершенным идеальным циклом паросиловой установки является прямой обратимый цикл Карно, термический КПД которого, как отмечалось выше, максимальный в заданном интервале температур и не зависит от природы рабочего тела.

Принципиальная схема паросиловой установки приведена на рисунке 22, а, rJ- и Ts-диаграммы цикла Карно для насыщенного пара показаны на рисунке 23. Установка включает: паровой котел (парогенератор) 1, в котором получают пар при постоянных температуре (t_н = const) и давлении (r = const), паровую турбину 2, где происходит адиабатное (без теплообмена) расширение пара (превращение теплоты пара в механическую работу), конденсатор 3, предназначенный для охлаждения отработавшего пара и частичной его конденсации (процесс в конденсаторе изотермический и изобарный). Влажный насыщенный пар из конденсатора поступает в компрессор 4, где в условиях адиабатного сжатия (без теплообмена, с затратой работы на привод компрессора) полностью конденсируется (полностью конденсируется (переходит в жидкое состояние при температуре насыщения t_н). Далее цикл повторяется.

Рис. 22. Принципиальная схема паросиловой установки на насыщенном водяном паре:

1 – паровой котел; 2 – турбина; 3 – конденсатор; 4 – компрессор.

Рис. 23. Цикл Карно для насыщенного пара.

Рассмотрим rJ- и Ts-диаграммы цикла. Точка а характеризует начальное состояние кипящей воды при давлении r₁. В паровом котле кипящей воде (состояния а, при температуре t_н и давлении r₁) сообщается теплота q₁, равная теплоте парообразования r в изобарно-изотермическом процессе a-b. Так как процесс подвода теплоты q1 в паровом котле, является изобарным, до q₁ = h_b – h_a. Полученный сухой пар состояния b адиабатно расширяется в паровой турбине до давления r₂ (процесс b-c). При этом температура пара понижается до t_с (температура конденсатора), а степень сухости пара уменьшается от x = 1 в точке b до х_с в точке с. Далее влажный пар со степенью сухости х_с в конденсаторе при постоянной температуре t_c = const и давлении r₂ = const конденсируется (линия c–d). При этом степень сухости пара уменьшается до x_d и от него отводится теплота q₂ = h_c – h_d. От точки d пар адиабатно сжимается в компрессоре до начального состояния (точка а) и полностью превращается в кипящую воду. На привод компрессора в адиабатном процессе d-a затрачивается работа, эквивалентная площади d-a-p₁-p₂-d.

Термический КПД цикла Карно для насыщенного водяного пара может быть подсчитан по формуле:

h_t = . (126)

В современных паросиловых установках давление в конденсаторе (r_c = r_d) не превышает 0,005 МПа, то есть удельный объем влажного пара, поступающего в компрессор, очень большой.

В связи с этим компрессор паросиловой установки получается громоздким, металлоемким, а работа, затрачиваемая на привод компрессора, составляет до 40% и более от работы, совершаемой паром в турбине. Кроме того, циклы на насыщенном паре невозможны при температуре выше критической (t_кр = 374,12 ⁰С), а современные металлы, применяемые для изготовления основных узлов паросиловых установок, позволяют перегревать пар до 550…600 ⁰С, что в значительной степени увеличивает термический КПД. В связи с этим цикл Карно для насыщенного водяного пара практического применения не имеет.