Круговой процесс. Цикл Карно

Ранее было показано, что величины работы и количество теплоты в каком-либо произвольном политропном термодинамическом про­цессе зависят от характера процесса (показателя политропы); знак работы (положительный или отрицательный) зависит от направления процесса (расширения или сжатия).

Если, например, рабочее тело осуществляет последовательно ряд процессов расширения, а затем также последовательно – ряд процессов сжатия, то в итоге рабочее тело совершит так называемый круговой процесс, или термодинамический цикл, описывающий изме­нение термодинамических параметров рабочего тела и преобразова­ние теплоты в работу в тепловых машинах.

Непрерывность действия тепловой машины обеспечивается тем, что рабочее тело, пройдя последовательно ряд процессов расширения и затем ряд процессов сжатия с изменением давления, объема и температуры, вновь возвращается в исходное состояние и цикл может быть повторен.

Цикл Карно. При исследовании свойств обратимых циклов особое значение имеет цикл, исследованный в 1824 г. французским ученым С. Карно. Цикл Карно состоит в преобразовании теплоты в работу при наличии только двух источников теплоты: верхнего, с температу­рой Т₁, и нижнего, с температурой Т₂ < Т₁.

Термический КПД цикла Карно полностью определяется только температурами верхнего и нижнего источников теплоты и возрастает с увеличением Т₁, и снижением Т₂. При этом КПД обратимого цикла Карно не зави­сит от рода теплоносителя и от величины полученной за цикл полез­ной работы.

Цикл Карно обладает также весьма важным свойством, которое позволяет использовать его как эталонный цикл, так как обратимый цикл Карно имеет наивысший (для данных температур источника и холодильника) термический КПД. Таким образом, можно утверж­дать, что при данной разности Т₁ и Т₂ термический КПД любого обрати­мого цикла не может быть больше КПД обратимого цикла Карно, осу­ществляемого при тех же температурах Т₁ и Т₂.

Это же утверждение может быть сделано и по отношению к любому обратному обратимому циклу, для температурных условий которого цикл Карно будет иметь наибольшие возможные значения холодиль­ного коэффициента эффективности. Для обратных циклов следует иметь в виду, что наиболее эффективным из них будет тот, который для переноса теплоты q₂ с температурного уровня Т₂ на Т₁ потребует подвода извне наименьшей работы, тогда как для прямого цикла эф­фективность определяется получением максимальной работы за счет подвода теплоты q₁.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1) Укажите основные параметры состояния рабочего тела и еди­ницы их измерения.

2)  Чем отличается реальный газ от идеального газа?

3)  Объясните сущность первого закона термодинамики и напи­шите его математическое выражение.

4)  Опишите основные термодинамические процессы и укажите энергобаланс этих процессов.

5)  Какова сущность второго закона термодинамики? Дайте неко­торые формулировки этого закона.

6)  Что такое цикл Карно? Чем оценивается его эффективность?

Лекция 5. ЦИКЛЫ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

План лекции:

Особенности тепловых электростанций

Паротурбинные электростанции.

Влияние КЭС на окружающую среду

Теплофикационный цикл ТЭЦ

Газотурбинные установки.

6. Атомные электростанции.

Особенности тепловых электростанций

Тепловые конденсационные электростанции (КЭС) строят по возмож­ности ближе к местам добычи топлива, удобным для водоснабже­ния. Их выполняют из ряда блочных агрегатов (котел – турбоге­нератор – повышающий трансформатор) мощностью от 200 до 1200 МВт, выдающих выработанную энергию в сети 110...750 кВ. Особенность агрегатов КЭС заключается в том, что они недоста­точно маневренны: подготовка к пуску, разворот, синхрониза­ция и набор нагрузки требуют от 3 до 6 ч. Поэтому для них пред­почтительным является режим работы с равномерной нагрузкой в пределах от номинальной до нагрузки, соответствующей тех­ническому минимуму, определяемому видом топлива и конст­рукцией агрегата. Коэффициент полезного действия КЭС состав­ляет 32...40 %. Они существенно влияют на окружающую среду – загрязняют атмосферу, изменяют тепловой режим источников во­доснабжения.

Теплофикационные электростанции строят вблизи потребителей тепла, при этом используется обычно привозное топливо. Работа­ют эти электростанции наиболее экономично (коэффициент ис­пользования тепла достигает 60...70%) при нагрузке, соответ­ствующей тепловому потреблению и минимальному пропуску пара в часть низкого давления турбин и в конденсаторы. Единичная мощность агрегатов составляет 30... 250 МВт. Станции с агрегата­ми до 60 МВт включительно выполняются в тепломеханической части с поперечными связями по пару и воде, в электрической части – со сборными шинами 6... 10 кВ и выдачей значительной части мощности в местную распределительную сеть. Станции с агрегатами 100...250 МВт выполняются блочного типа с выдачей мощности в сети повышенного напряжения. Теплофикационные, как и конденсационные электростанции, существенно влияют на окружающую среду.