Водяной пар и циклы паросиловых установок

Циклы паросиловых установок на судне представляет собой термодинамический процесс, используемый для преобразования тепловой энергии в механическую.

Он основан на принципах работы парового двигателя, где вода под действием нагрева превращается в пар, а затем используется для привода турбины или поршневого двигателя. При этом, установки снабжаются специальными системами для подачи топлива и охлаждения. Важным аспектом является эффективность работы циклов, которая зависит от множества параметров, включая температуру и давление в камере сгорания, а также теплопередачу в теплообменниках.

Процесс парообразования и изображение его в диаграммах р-v и Т-S. Молекулы воды находятся в постоянном движении. Они как бы «танцуют», и те из них, которые приобретают наибольшую энергию, вырываются и образуют над поверхностью воды пар.

Процесс перехода воды в пар называется парообразованием, а обратный процесс – конденсацией. При парообразовании в закрытом сосуде одновременно происходят оба процесса.

Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением. Испарение происходит при любой температуре. Для процесса испарения необходима поверхность раздела между жидкостью и паром, которая может быть и внутри жидкости; при этом в жидкости образуются пузырьки пара, и испарение будет происходить внутрь пузырьков. Это явление называется кипением. Температура, при которой вода начинает кипеть и которая сохраняется неизменной до того момента, пока вся вода не испарится, называется температурой кипения.

Если при парообразовании в закрытом сосуде число молекул, вылетающих из воды, равно числу молекул, возвращающихся в воду из парового пространства, то такой пар называется насыщенным.

Влажным насыщенным называется пар, содержащий взвешенные частицы жидкости. Такой пар фактически получается в закрытом сосуде при наличии в нем уровня воды. При дальнейшем нагревании закрытого сосуда с водой количество пара в нем будет увеличиваться, а количество воды уменьшаться до тех пор, пока последняя капля воды не превратится в пар. В этот момент пар становится сухим насыщенным.

Доля содержания сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости пара и обозначается буквой x. Таким образом, если говорят, что степень сухости влажного пара x = 0,96, это значит, что 1 кг пара содержит 0,4 кг воды и 0,96 кг сухого насыщенного пара. Доля содержания воды во влажном паре называется степенью влажности. Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту при постоянном давлении, то он становится перегретым, температура пара при этом повышается, а объем его увеличивается; теплосодержание перегретого пара становится большим.

Перегретый пар используют в энергетических установках (турбинах, машинах), насыщенный – в технологических установках (рыбообрабатывающих).

Получение пара в паровых котлах происходит при постоянном давлении и включает следующие стадии:

• нагрев воды до температуры кипения;
• образование пара из кипящей воды;
• образование перегретого пара из сухого насыщенного.

Весь процесс получения пара в паровых котлах можно изобразить на диаграмме p-v (рис. 1).

Предположим, что в действующий котел подали под давлением 1 кг холодной воды при 0°. Удельный объем v_в очень мал. На диаграмме это состояние представится точкой 1. Затем температура, а следовательно, и удельный объем поданной массы воды быстро начнут повышаться при том же давлении p₁. Одно из состояний процесса нагревания воды показано на диаграмме точкой 2, при нем удельный объем подогретой воды равен v_{п. в}.

В точке 3 вода уже перейдет в кипящее состояние при температуре кипения, соответствующей давлению p₁ и удельному объему v_к. Отрезок 1-3 на диаграмме представляет процесс подогрева воды от 0 °С до температуры кипения.

Если продолжать процесс нагревания сухого насыщенного пара (в пароперегревателе), то получаемая при этом характеристика пара графически изобразится горизонтальной прямой, являющейся продолжением линии 1-5. В точке 6 удельный объем теперь уже перегретого пара будет v_{п. п}. С удалением точки 6 от точки 5 как температура нагрева, так и удельный объем пара будут повышаться.

Если теперь рассмотреть работу котла при большем давлении (p₂), равном примерно 10 МПа ( ~ 100 кгс/см²), то весь процесс образования насыщенного пара из воды при температуре 0° и перегретого пара из сухого насыщенного изобразится штриховой линией 1′-6′. В точке 1′ удельный объем воды при 0 °С получается такой же, как при p₁, так как удельный объем воды почти не зависит от давления, он изменяется только с изменением температуры жидкости. Однако при давлениях свыше 10 МПа удельный объем воды начинает заметно уменьшаться; это уменьшение для наглядности показано на диаграмме штриховой линией 1′-C.

Если через одноименные точки провести плавные линии, то получим пограничные кривые ЕК и КМ, которые делят всю диаграмму на три области: область воды, лежащую левее линии ЕК, область влажного пара, расположенную между линиями ЕК и КМ, и область перегретого пара, находящуюся правее линии КМ. Линия 4-4′-4′′-К есть кривая постоянной сухости. Это значит, что при различных давлениях сухость пара в точках 4, 4′, 4′′ и К будет одинаковой.

Д. И. Менделеев в 1860 г. пришел к выводу, что существует такая температура жидкости, при которой ее поверхностное натяжение как результат действия сил сцепления между молекулами будет равно нулю. Выше этой температуры жидкость и пар обладают одинаковыми свойствами; различие между ними исчезает. Для воды такой температурой является 374,15° С. Она называется критической. Нагреть воду до такой температуры можно лишь при давлении не ниже 22,1 МПа (225,65 ата). Такое давление называется критическим.

При критическом давлении и температуре (точка К на диаграмме) между кипящей водой и сухим насыщенным паром не будет никакого различия. Так как вода и пар будут иметь одинаковую плотность, исчезнет граница, разделяющая эти две фазы вещества.

Процесс парообразования можно также изобразить в диаграмме T-S (рис. 2).

Предполагая, что энтропия воды при 0 °С (273 К) равна нулю, состояние воды при 0° изображают на диаграмме T-S точкой А, лежащей на оси ординат. Критическая точка на диаграмме T-S обозначается точкой К, в которой сходятся нижняя A₀K и верхняя КВ пограничные кривые. Эти кривые, так же как в диаграмме р-v, делят всю диаграмму на три области:

• жидкости,
• влажного пара,
• и перегретого пара.

Линии постоянных давлений (изобары) в области влажного насыщенного пара совпадают с линиями постоянных температур (изотермами) и проходят горизонтально. В области перегретого пара изобары круто поднимаются, а в области жидкости сливаются с нижней пограничной кривой.

Так как процесс парообразования в паровом котле происходит при постоянном давлении (по изобаре), то три стадии парообразования в диаграмме T-S будут изображены следующим образом:

1. нагрев воды до температуры кипения (насыщения) T_н – линия A₀A;
2. процесс образования пара из кипящей воды – линия АВ;
3. образование перегретого пара из сухого насыщенного – линия ВС.

Так как в диаграмме T-S площади изображают количество теплоты, участвующей в процессе, то легко установить, что площадь OA₀AaO представляет энтальпию жидкости, которая обозначается буквой i′ и является теплотой, идущей на нагревание 1 кг воды от 0 °С до температуры кипения. Площадь aABba – теплота парообразования; она представляет собой количество теплоты, которое расходуется на превращение 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар и обозначается буквой r. Площадь bBCcb – теплота, затраченная на перегрев сухого насыщенного пара – обозначается буквой q_п.

Энтальпия сухого насыщенного пара составляет:

Энтальпия перегретого пара:

Таблицы и диаграмма i-s для водяного пара. Несмотря на то, что диаграмма T-S наглядно представляет процесс парообразования и может служить для изображения изменений состояния пара, использование этой диаграммы для решения различных практических задач неудобно, так как определение количества теплоты связано с вычислением площадей.

Для практических целей удобнее пользоваться таблицами водяного пара или диаграммой с координатами энтропия-энтальпия, называемой сокращенно диаграммой i-s.

В таблицах водяного пара приводятся числовые значения основных параметров t, p, v, i, s, определенные опытным путем или вычисленные на основании теоретических исследований. Таблицы составлены для сухого насыщенного пара и воды и для перегретого пара. В первой колонке таблицы даются значения давлений p, расположенные в порядке их возрастания, в последующих колонках – остальные параметры состояния при соответствующих давлениях.

Принципиальная схема диаграммы i-s показана на рис. 3.

Примерно посредине диаграммы проходит жирная линия – пограничная кривая (x = 1), которая делит диаграмму на две области:

• верхнюю – перегретого пара;
• и нижнюю – насыщенного пара.

На диаграмме изображаются:

• изобары (0,01, …, 0,1, …, 10 МПа), которые в области влажного пара представляют собой прямые наклонные линии, а в области перегретого пара – поднимающиеся вверх кривые;
• изотермы (50, …, 150, …, 400 °С ) – кривые, имеющие некоторую выпуклость (в области влажного пара они совпадают с изобарами, так как каждому давлению насыщения соответствует определенная температура);
• линии одинаковой сухости (x), расположенные в области влажного пара.

Кроме этих линий на диаграмму i-s иногда наносят изохоры (v), которые идут в том же направлении, что и изобары, но более круто. Для ясности изохоры изображают штриховыми линиями.

Чтобы по диаграмме найти, например, теплосодержание сухого насыщенного пара при давлении p = 2 МПа, вначале ищем кривую постоянного давления, помеченную этим числом, затем находим точку пересечения ее с пограничной кривой (точка A). Точку A, как показано штриховой линией, проектируем на вертикальную ось и находим искомое теплосодержание: 2 800 кДж/кг.

Схема паросиловой установки. Упрощенная принципиальная схема Судовые котлы и котельные установкипаросиловой установки изображена на рис. 4.

В паровом котле 1 происходит нагревание воды до температуры кипения, а затем парообразование. Из парового котла влажный насыщенный пар направляется в пароперегреватель 2, где вначале подсушивается до степени сухости x = 1, а затем перегревается. Полученный перегретый пар по соединительному паропроводу 3 поступает в паровой двигатель (паровую машину или турбину) 4, где происходит его расширение и превращение теплоты в механическую работу, идущую на гребной винт.

Отработавший в машине или турбине пар поступает в специальное устройство – конденсатор 5, где конденсируется (сжижается) путем отнятия от него тепла при соприкосновении с охлаждающей водой, подаваемой циркуляционным насосом 9. В результате конденсации пара получается конденсат (вода), который специальным конденсатным насосом 6 подается в питательный бак 7, а оттуда питательным насосом 8 – в котел.

Цикл Ренкина. Цикл Ренкина является основным для паросиловых установок.

Рассмотренная ранее паросиловая установка работает по циклу Ренкина, а сам цикл Ренкина в диаграмме T-S изображен на рис. 5.

Основные процессы здесь:

• а-b – нагрев воды в паровом котле до температуры насыщения;
• b-с – парообразование;
• с-d – перегрев пара;
• d-е – адиабатное расширение пара в паровом двигателе;
• е-а – конденсация пара в конденсаторе.

Термический КПД цикла Ренкина оценивает экономичность паросиловой установки; он показывает, какое количество теплоты в паросиловой установке может быть превращено в механическую работу. Обозначается этот КПД буквой η с индексом t и определяется по формуле:

где:

• i₁ – энтальпия пара, поступающего в машину или турбину;
• i₂ – энтальпия пара на выходе из машины или турбины при поступлении его в конденсатор;
• i^′₂ – энтальпия конденсата.

Термический КПД цикла Ренкина составляет примерно 0,4. Это значит, что только 40 % теплоты может быть превращено в механическую работу. В действительности при работе паросиловой установки возникает ряд дополнительных тепловых потерь, в результате чего ее КПД еще меньше, чем КПД цикла Ренкина (0,15-0,30).

Одной из основных характеристик работы паросиловой установки служит удельный расход пара. Он обозначается буквой d и показывает, какое количество пара (в кг) расходуется паросиловой установкой в час для создания мощности 1 кВт (1 л. с.).

Удельный расход пара паросиловой установки определяется по формуле:

где:

• i₁ и i₂ в кДж/кг;

или:

где:

• i₁ и i₂ в ккал/кг.

Способы повышения экономичности цикла паросиловой установки. Теоретическими исследованиями установлено, что термический КПД цикла паросиловой установки увеличивается:

• с повышением давления пара, поступающего в паровой двигатель;
• с уменьшением давления в конденсаторе;
• с повышением температуры перегретого пара.

Увеличение давления пара влечет за собой повышение температуры его перегрева. При высокой же температуре перегретого пара детали турбин разрушаются, и их необходимо изготовлять из дорогостоящих жаропрочных сплавов. Поэтому в паросиловых установках, работающих на паре высокого давления, предусмотрено следующее. Пар с несколько пониженной температурой поступает в турбину высокого давления, где расширяется и совершает работу, оттуда подается на повторный перегрев, а затем в турбину низкого давления.

Цикл такой паросиловой установки называется циклом с повторным промежуточным перегревом пара.

Экономичность паросиловой установки увеличивают также путем применения регенеративного и теплофикационного циклов.

В регенеративном (тепловозвратном) цикле от машины или турбины отбирается пар для подогрева воды, поступающей в котел, в результате чего уменьшается расход топлива на получение пара, а следовательно, повышается экономичность цикла. При осуществлении теплофикационного цикла увеличивается давление в конденсаторе, следовательно, повышается конечная температура пара, который теперь не отдает бесполезно свою теплоту в конденсаторе, а поступает на нагревание отопительных приборов или на технологические нужды. При этих условиях установка будет давать не только энергию для привода гребного винта или электрогенератора, но и теплоту.

Истечение и дросселирование газов и паров

Общие сведения. Истечение – это процесс непрерывного движения газа или пара по каналу изменяющегося сечения. При истечении газа или пара меняются основные параметры его состояния. Для осуществления процесса истечения в теплотехнике применяют короткие участки трубопроводов – специальные насадки.

Читайте также: Теория работы и типы опреснительных установок на судне

Насадки, в которых потенциальная энергия протекающего по ним газа преобразуется в кинетическую, называются соплами. При проходе через сопла скорость газа увеличивается. Если к насадке подводится газ с большой скоростью, может происходить обратный процесс, при котором скорость газа по мере движения по насадке уменьшается, т. е. кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. Такие насадки называют диффузорами. Диффузоры широко применяются Насосы грузовых систем газовозовв струйных насосах, а сопла – в паровых и газовых турбинах.

Сопла бывают суживающимися и расширяющимися. Суживающееся сопло – это насадка, поперечное сечение которой постепенно уменьшается от входа к выходу (рис. 6).

Если к выходному концу суживающегося сопла прибавить плавно расширяющуюся часть, получится расширяющееся сопло (рис. 7).

Процесс истечения в суживающемся сопле. Пусть через сопло (рис. 6), во входном сечении которого I-I поддерживаются постоянные параметры газа p₁, v₁, T₁, протекает газ в пространство, где также все время поддерживаются постоянными давление p₂, температура T₂ и удельный объем v₂, причем давление на входе p₁ больше давления на выходе p₂.

Так как струя газа, протекающего через сопло, неразрывна, то в единицу времени через любое сечение сопла проходит одинаковое количество газа. Следовательно, при проходе газа через малое сечение скорость его увеличивается, а при проходе через большое сечение – уменьшается. Давление же будет изменяться обратно изменению скорости, т. е. чем больше скорость, тем меньше давление, и наоборот.

Таким образом, по мере протекания газа через суживающееся сопло его давление быстро падает, а скорость увеличивается, т. е. газ расширяется и удельный объем его растет. В узком выходном сечении II-II давление достигает наименьшего значения и называется критическим (p_кр), скорость же становится наибольшей и тоже называется критической (c_кр).

До каких пор будет падать давление и увеличиваться скорость? Могут ли эти величины изменяться беспредельно?

Измерения показали, что для большинства газов и паров критическое давление составляет примерно половину давления на входе в сопло:

Другими словами, при проходе газа (пара) через суживающееся сопло давление его не может упасть меньше чем в два раза. Например, если давление пара на входе в суживающееся сопло составляет 1,0 МПа, то на выходе оно не может быть ниже 0,5 МПа. Из примера видно, что на создание скорости в суживающемся сопле расходуется лишь часть энергии, соответствующая половине располагаемого давления, а вторая часть затрачивается на создание завихренного потока после сопла. Таким образом, вторая часть энергии расходуется бесполезно; ее нельзя, например, направить на лопатки турбины для совершения работы.

Критическая скорость определяется по формуле:

где:

• i – в кДж/кг.

Критическая скорость равна скорости распространения звука в данной среде при давлении, равном критическому (c_кр = 450÷550 м/с).

Процесс истечения в расширяющемся сопле. Шведским инженером Лавалем было предложено сопло, в котором можно получить давление ниже критического. Такое сопло изображено на рис. 7; оно называется расширяющимся или комбинированным. Узкое сечение II-II называется горлом сопла. При переходе через горло газ или пар имеет критические давление и скорость.

В сопле Лаваля можно получить скорость истечения в 2,5-3 раза больше критической. Это объясняется тем, что вследствие перепада давления p₂<p_кр газ на участке II-III будет расширяться; при этом его удельный объем будет увеличиваться быстрее, чем проходное сечение сопла. Для непрерывности движения газового потока по соплу скорость его движения должна быть выше критической.

Чтобы струя газа или пара при проходе через расширяющуюся часть сопла не отставала от стенок и не возникали вихревые движения, угол конусности в этом месте должен быть небольшим.

Истечение через диффузоры. До сих пор мы рассматривали истечение через сопла, в которых происходит понижение давления газа и повышение его скорости. Однако процесс может протекать и в обратном направлении. В этом случае скорость газа уменьшается, а давление его повышается, т. е. сопло превращается в диффузор.

Допустим, что происходит процесс истечения газа через сопло Лаваля (рис. 8, а).

В сечении 3 устанавливаются критические скорость и давление, а в выходном сечении 2 – скорость, превышающая критическую, и давление, равное давлению окружающей среды.

Если процесс движения газа по соплу и истечения из него считать обратным, то при протекании в обратном направлении (рис. 8, б) от сечения 1 до сечения 3 давление газа повысится, а скорость понизится. В выходном же сечении 2 давление газа опять повысится и станет больше давления в сечении 3 (p₂>p₃), а скорость понизится (c₂<c₃).

Такие диффузоры для газа и воздуха широко применяются в центробежных компрессорах.

Дросселирование паров и газов. Если в трубопроводе на пути прохождения пара или газа с давлением p₁ имеется сужение (рис. 9), то давление p₂ по другую сторону сужения становится меньше. Происходящее таким путем понижение давления пара или газа называется дросселированием, или мятием.

Вентили, употребляемые для регулирования мощности паровых машин и турбин, а также дроссельные заслонки для двигателей внутреннего сгорания вызывают дросселирование. Падение давления пара при дросселировании объясняется тем, что часть потенциальной энергии пара затрачивается на увеличение скорости его прохода через сужение. После сужения скорость движения потока уменьшается и становится равной скорости потока до сужения. Однако часть кинетической энергии потока, приобретенной им при истечении через сужение, затрачивается на образование вихрей. Освобождающаяся при этом теплота потока нагревает его, вследствие чего энтальпия пара после дросселирования оказывается равной первоначальной энтальпии, которую пар имел до сужения.

Таким образом, при дросселировании уменьшается только давление и незначительно понижается температура, скорость же и энтальпия остаются без изменения.

Дросселирование рабочего пара в паровых двигателях – явление нежелательное, так как при этом снижается экономичность паросиловых установок. На судах иногда возникает необходимость в получении путем дросселирования небольших количеств пара низкого давления из котлов высокого давления (например, для парового отопления, подогрева топлива). Для этой цели на ответвление паровой магистрали для прохода пара устанавливают специальные клапаны с малым сечением, называемые дроссельными, или редукционными. Регулируя натяжение пружины клапана, можно получить необходимое давление за клапаном.

Кроме того, дросселирование находит применение в рабочих процессах холодильных установок.

Автор статьи

Виктор Свиридов

Судовой механик

Список литературы

1. Абдульманов X. А. Холодильная техника на судах рыбной промышленности. М., «Пищевая промышленность», 1970.
2. Акимов П. П. Силовые установки морских судов. М., «Транспорт», 1965.
3. Алексеев Г. Д., Карпович В. А. Энергетические установки промысловых судов. Л., «Судостроение», 1972.
4. Аристов Ю. К. Судовые вспомогательные механизмы. М., «Речной транспорт», 1959.
5. Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971.
6. Грузберг Я. Ю. Судовые паровые котлы. Л., «Судостроение», 1964,
7. Караев А. А. Энергетика судов будущего. Л., «Судостроение», 1967.
8. Карамушко Ф. Д. и др. Судовые вспомогательные механизмы и системы. М., «Транспорт», 1968.
9. Колесников О. Г. Судовые вспомогательные и холодильные установки. М., «Транспорт», 1967.
10. Конфедератов И. Я. Основы энергетики. М., «Просвещение», 1967.
11. Коршунов Л. П. Силовые установки рыбопромысловых судов. М., «Пищевая промышленность», 1967.
12. Кузовлев В. А. Техническая термодинамика. М., «Транспорт», 1964.
13. Петренко Л. Д. и др. Судовые энергетические установки, вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971.
14. Соловьев Е. М. Пособие мотористу рыбопромыслового судна. М., «Пищевая промышленность», 1966.
15. Соловьев Е. М. Пособие мотористу крупнотоннажного судна рыбопромыслового флота. М., «Пищевая промышленность», 1971.
16. Туркин А. А. Вспомогательные механизмы и технологические холодильные установки промысловых судов. Л., «Судостроение», 1966.