книги / Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок

высокотемпературную часть парогенератора и имеющего более высокое давление, выбирают также более высокой.

Приведенный цикл двух давлений пара показан в Т—Q-диаграмме на рис. 6.11, а. Там же штриховой линией нанесен обычный цикл одного давления. Из диаграммы вид­ но, что выработка части пара более высокого давления дает возможность полнее использовать потенциал отдаваемого газом тепла. Поддерживая в низкотемпературной части более низкое давление пара, удается более глубоко охла­ дить теплоноситель и вследствие этого увеличить тепловую мощность реактора. Значения к.п.д. станции при раз­

ний приведены на рис. 6.11, б. Как видно, применение цик­ ла двух давлений обеспечивает экономию топлива.

Термический к.п.д. цикла двух давлений можно выразить как отношение суммарной работы обоих потоков (высокого и низкого давлений) к подведенному теплу qx = qn+ qa

где<7в и <7„ — соответственно количество тепла, подведенного в цикле высокого и низкого давлений.

Максимум этого к.п.д. достигается в том случае, если оба давления пара рви рп будут выбраны наивыгоднейшими.

Дальнейшее развитие английских АЭС привело к перехо­ ду на более высокие температуры С02 как на входе, так и на выходе из реактора, что позволило перейти на обычный

Рис. 6.12

цикл Ренкина. Так, если на АЭС Колдер-Холл (1957, 1958) температура теплоносителя (С02) на входе была 413 и на выходе 609 К, то на новейших станциях, например, «Данджнесс-В» (1972) эти температуры повышены соот­ ветственно до 595 и 950 К (при максимальной температуре покрытия 1073 К). При этом удалось применить цикл од­ ного давления (16,0 МПа, 565°С) с промперегревом пара до той же температуры. При этом достигнут внутренний к.п.д. цикла 41,5%. Недостатком газового теплоносителя является уменьшение тепловой нагрузки реакторов, что снижает экономичность таких АЭС. Более перспективным для АЭС с реакторами на быстрых нейтронах являются жидкометал­ лические теплоносители.

В последнее время исследуется возможность применения на АЭС с быстрыми реакторами одноконтурной схемы с во­ дяным паром в качестве теплоносителя и рабочего тела. Предварительные данные позволяют считать такой путь развития АЭС также перспективным.

Газовые циклы АЭС. В схемах с высокотемпературными реакторами возникает возможность осуществить однокон­ турные схемы с газовым теплоносителем, являющимся од­ новременно и рабочим телом атомной ГТУ (АГТУ). Пример тепловой схемы такой установки и ее цикл показаны на рис. 6.12. По этой схеме сжатый последовательно в ком­ прессорах Ki и /С2 с охлаждением в промежуточном холо­ дильнике ПХ рабочий газ поступает через регенератор Р в атомный реактор АР, где его температура повышается до

аоб

Рис. 6.13

Tv После выхода из реактора газ последовательно расши­ ряется в газовых турбинах ГТг и ГТ2, а затем охлаждается в регенераторе и основном холодильнике ОХ. После этого снова поступает в компрессор и цикл повторяется. Как видно, одноконтурная ядерная ГТУ подобна обычной газо­ турбинной установке, работающей по замкнутой схеме, в которой газовый котел заменен атомным реактором. В ка­ честве рабочего тела здесь применяют вещества, отвечаю­ щие всем требованиям теплоносителей атомных реакторов и одновременно обладающие высокой работоспособностью. Обычно используют какой-либо инертный газ, чаще всего гелий.

Термический и внутренний к.п.д. приведенного цикла определяют по тем же формулам, что и для газотурбинных установок, работающих по замкнутой схеме. Соответствен­ но внутренний к.п.д. реального цикла ГТУ

компрессоре и турбине; г]х, т|к— соответственно внутрен­ ние относительные к.п.д. турбины и компрессора.

отношение верхней температуры газа Тх к температуре на входе в реактор Та будет соответствовать неравенству

Например, при цт= т|к = 0,8 и Та = 600 К 11* станет больше ноля только при Тх > 936 К.

Следовательно, чтобы получить высокий к.п.д. газового цикла АЭС, необходимо как можно больше повышать значе­ ние 7\, увеличивать г\ти т]к, а в некоторых случаях и пони­

зависит также и от степени повышения давления <т. Здесь также рост <т приводит к увеличению термического к.п.д. ?1 * и росту удельной работы сжатия. В результате этого зависимость rj£ = /(от) имеет ярко выраженный максимум. Наличие оптимальных значений а и их зависимость от верх­ ней температуры цикла Тг для одноконтурной АЭС с газо­ выми турбинами наглядно видно на рис. 6.13.

Для быстрых реакторов наиболее перспективным газо­ вым теплоносителем и рабочим телом ГТУ является гелий, позволяющий при давлении около 9 МПа получить значи­ тельные тепловые нагрузки реактора. Наиболее вероятные циклы таких АЭС — простые циклы замкнутых ГТУ (цик­ лы Брайтона) с трехступенчатым сжатием и одноступенча­ тым подводом тепла в реакторе как с регенерацией (рис. 6.14, а), так и без нее (рис. 6.14, б). Последняя очень сильно сказывается на величине теплообменных поверхнос­ тей реактора и регенератора. Следовательно, выбор опти­ мального цикла здесь является прежде всего экономической задачей.

Высокая стоимость гелия вынуждает продолжать поис­ ки иных газовых теплоносителей для быстрых реакторов.

г

В качестве таких веществ можно применять диссоциирую­ щие газы, в которых происходят обратимые химические реакции диссоциации и ассоциации с соответствующими тепловыми эффектами. Из таких газов наиболее перспек­ тивна четырехокись азота (N20 4), позволяющая осущест­ влять как чисто газовый, так и газожидкостный цикл (без вакуума в конденсаторе). Положительным качеством этого вещества является уменьшение его числа молей при низких температурах, что позволяет иметь малую удельную работу компрессора по сравнению с обычными ГТУ. Предваритель­ ные исследования [15] показывают, что АЭС на N20 4 дает наилучшие показатели при ее осуществлении по схеме, приведенной на рис. 6.15. Здесь: АР — реактор на быстрых нейтронах; ЧВД и ЧНД — турбины высокого и низкого давлений; К — конденсатор; Н — питательный насос; Р — регенератор. Оптимальное значение нижнего давления газового цикла составляет 0,8 -4- 1,0 МПа, а для газожид­ костного цикла 0,13 -т- 0,17 МПа. По этой схеме создает­ ся опытно-промышленная установка, данные эксплуатации которой позволят определить ее перспективность.

На АЭС с высокотемпературными реакторами можно применять и бинарные парогазовые установки, в которых отводимое тепло газового цикла используют в пароводяном цикле при относительно высокой температуре (рис. 6.16). Принцип работы такой бинарной установки следующий: рабочее тело газовой части (например, гелий) из компрессора при повышенном давлении и температуре поступает в высо­

котемпературный реактор. Нагретый в реакторе (процесс 23) газ расширяется в охлаждаемой газовой турбине или МГДГ (процесс 34), а затем поступает в котел-утилизатор, где, охлаждаясь (процесс 41), вырабатывает перегретый*7пар заданных начальных параметров. После котла-утилизатора отработавший газ без дополнительного охлаждения посту­ пает в компрессор для сжатия. Цикл водяного пара пока­ зан контуром abed. Поскольку в точке 1 цикла температура газа оказывается достаточно высокой, то в паровом цикле может осуществляться регенеративный подогрев питатель­ ной воды до температуры точки d парового цикла, близкой к температуре газа в точке 1. Это повышает к.п.д. паровой части цикла и всей установки в целом. Соответствующих формул для расчета к.п.д. описанных циклов здесь не при­ водится, поскольку они совершенно такие же, как и для подобных циклов теплоэнергетических установок на орга­ ническом топливе.

Г лава 7

ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

§ 7.1. Общие принципы трансформации тепла

В народном хозяйстве нашей страны все более широкое применение находит выработка искусственного холода и преобразование тепловой энергии низкого потенциала в более высокий с помощью обратных циклов. Искусственное охлаждение до очень низких температур (глубокий холод) применяется в химической и газовой промышленности для сжижения ряда технически важных газов. В последние годы широкое распространение получают также установки для кондиционирования воздуха, создающие благоприятную температуру и влажность воздуха в цехах промышленных предприятий, в общественных зданиях, на морском, желез­ нодорожном, авиационном и автомобильном транспортах.

По мере роста выработки электрической энергии и уде­ шевления ее стоимости все большее применение получают термотрансформаторы, предназначенные для выработки тепла на отопление зданий, позволяющие частично исполь­ зовать для этого тепловую энергию’ окружающей среды.

Все указанные установки в зависимости от назначения и температурного уровня трансформируемого тепла назы­ вают тепловыми насосами или холодильными машинами.

Холодильными машинами называют установки, пред­ назначенные для понижения температуры тел ниже темпе­ ратуры окружающей среды и для непрерывного поддержа­ ния заданной низкой температуры. Теплоту, передаваемую при температуре ниже окружающей среды, называют

холодом.

Тепловыми насосами обычно называют установки, пред­ назначенные для повышения потенциала отбросного тепла за счет расхода электрической или другой высоко потен-

Рис. 7.1

•циальной энергии. Задачей тепловых насосов является выработка тепла для целей' нагрева в большем количестве, чем расходуется электроэнергии, что достигают путем переноса части тепла от окружающей среды к нагревае­ мому телу.

Согласно второму закону термодинамики перенос тепла •от тел более холодных к телам более горячим, как процесс противоестественный, должен обязательно сопровождать­ ся компенсирующим естественным процессом. Таким ком­ пенсирующим процессом в холодильных машинах, как и в тепловых насосах, является превращение механической •или электрической энергии в тепловую или переход тепла •от тел более горячих к телам более холодным. Иначе говоря, выработка холода всегда сопровождается затратой работы.

Все холодильные установки непрерывного действия ра­ ботают по обратным термодинамическим циклам. Обратны­ ми их называют потому, что в термодинамических диаграм­ мах состояния (р — v, Т — s и др.) их круговые процессы имеют направление против часовой стрелки, в то время -как процессы всех циклов тепловых двигателей направле­ ны по движению часовой стрелки. В зависимости от наличия потерь обратные циклы могут быть обратимыми и необра­ тимыми.

Образцом термодинамического цикла холодильных уста­ новок является внутренне обратимый обратный цикл Кар­ но, изображенный на рис. 7.1. На этом рисунке Т0— аб­ солютная температура окружающей среды; Тх — темпера­

тура подвода холода; Т г — температура отвода тепла; Тк— температура в холодильной камере.

Показателем эффективной работы холодильных устано­ вок является отношение выработанного холода Qx к затра­ ченной работе L, называемое холодильным коэффициентом

AV

Для внутренне обратимого цикла Карно, как это пока­ зано в гл. 1,

Qx = TxAs; L = (Гг — Гх) As; Ах = ТХ!(ТГ- Тх). (7-1)

Максимальный термодинамический эффект достигается при полной обратимости цикла, когда Тс = Т0 и Тх = 7\., при этом

Qx = Qx max; А = Linlnl Ах “ А х max — T K/ ( T Q — 7^). (7.2)

Тепловые насосы также работают по обратным термоди­ намическим циклам, подобным циклам холодильных уста­ новок, но осуществляемым при более высоких температурах источников (рис. 7.2). Если в холодильных установках тепло Qx отбирается от тел с температурой Гх<£ Т0, а полу­ ченное тепло QTотдается в окружающую среду, то в тепло­ вых насосах тепло Qx отбирается, как правило, от окру­

Совершенство термодинамического цикла теплового на­ соса характеризуется тепловым коэффициентом /Ст» равным отношению выработанного тепла QT к расходуемой ра­ боте L.

В этом случае расходуемая работа L становится мини­ мальной, а выработка тепла QT максимальной.

В обратимых циклах тепловых насосов, использующих тепло охлаждения низкопотенциальных тепловых источ­ ников, имеющих температуру Т от более высокую, чем ок­ ружающая среда, будет иметь место Тх = Т от, а тепловой коэффициент

Примером этого может служить теплонасосная установ­ ка, использующая тепло отбросных загрязненных вод с температурой Т от Для нагрева чистой воды до температуры более высокой, чем Т от. Принципиальная схема такого теплового насоса и его цикл приведены на рис. 7.3. Здесь рабочее тело в компрессоре /С адиабатически сжимается (процесс 12 цикла), повышает свою температуру до Т2 и поступает в теплообменник-нагреватель 777, там отдает тепло QT нагреваемой воде и подается в детандер Д, где адиабатически расширяется и понижает свою температуру до Гх< Тот. Загрязненная вода, протекающая по змееви­ ку камеры охлаждения /СО, отдает рабочему телу тепло Q0 (процесс ab) и затем выбрасывается. Тепло Q0 в Т — s- диаграмме соответствует пл. abed и равно также пл. 5416. Таким образом тепло низкого потенциала грязной воды с помощью затраченной работы становится теплом высокого потенциала чистой горячей воды.

Из рассмотрения цикла, изображенного на рис. 7.3,

гдефо — тепло, отнятое у окружающей среды или низкотем­ пературного источника; L4 — работа цикла, равная раз­ ности между затраченной работой в компрессоре и возвра­ щенной работой детандера, т. е. Ьц = LK— L0.