Цикл Ренкина (перегретого пара). Схема паросиловой установки цикла Ренкина

Содержание:
Глава 1 Цикл Ренкина (перегретого пара). Схема паросиловой установки цикла Ренкина……………………………………………………………………3
Глава 2 Поворотно-лопастные гидротурбины………………………..……….7
Глава 3 Ядерные энергетические установки. Основные элементы ядерного реактора…………………………………………………………………………..13
Список литературы………………………………………………………………17

Глава 1 Цикл Ренкина (перегретого пара). Схема паросиловой установки цикла РенкинаРабота на сжатие рабочего тела может быть значительно уменьшена, если осуществить полную конденсацию пара, отработанного в турбине. В этом случае будет происходить сжатие воды (конденсата), а не влажного пара, как в цикле Карно. Для перемещения конденсата из конденсатора в котел с одновременным повышением давления от р2 до р1 применяются не компрессоры (как в цикле Карно), а насосы, компактные и простые по устройству, потребляющие мало энергии для своего привода. Впервые такой цикл с полной конденсацией пара предложил У. Дж. Ренкин.
Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина с перегретым паром, представлена на рис. 12.3. На схеме приняты следующие обозначения: ПК - паровой котел; ПП - пароперегреватель; ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор; К - конденсатор; ПН - питательный насос.
Влажный пар, получаемый в котле, направляется в пароперегреватель, где подсушивается и перегревается. Перегретый пар направляется в турбину, где, расширяясь адиабатно, совершает работу, которая в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию. Из турбины отработанный пар направляется в конденсатор (представляющий из себя теплообменник), где отдает тепло охлаждающей воде и полностью конденсируется. Полученный конденсат засасывается из конденсатора, сжимается питательным насосом и направляется вновь в котел для повторного парообразования.
В конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его конденсации создается высокий вакуум (абсолютное давление в конденсаторах современных паровых турбин равно 0,04 - 0,06 бар), то есть пар может за счет этого дополнительно расширяться в турбине примерно на одну атмосферу и совершать дополнительную работу.
Если пренебречь работой, затрачиваемой на привод питательного насоса (она составляет около 1 % от полезной работы турбины), и считать, что изобары подогрева жидкости в координатах T, s и h, s совпадают с нижней пограничной кривой, то цикл Ренкина можно представить в координатах p, u; T,s; h,s следующим образом (рис. 12.4):
На диаграммах : 4-5 - изобарный процесс нагрева воды в котле до температуры насыщения при р1
= const; 5-6 - процесс парообразования в котле при р1
= const; 6-7 - подсушка влажного пара в пароперегревателе при р1
= const: до х = 1; 7-1 - перегрев пара в пароперегревателе прир1 = const; 1-2 - адиабатное расширение перегретого пара в турбине от р1 до р2; 2-3 - конденсация пара в конденсаторе при р2 = const; 3-4 - адиабатный процесс подачи конденсата в котел питательным насосом с повышением давления от р2 до р1. Необходимо отметить, что вследствие малой сжимаемости воды эта адиабата практически совпадает с изохорой на диаграмме p, u, а на диаграммах T, s и h, s она вырождается в точку.
Термический к.п.д. цикла Ренкина ht = (q1 - q2)/q1. Так как процессы подвода тепла 4-5-6-7-1- и отвода тепла 2-3 в цикле Ренкина являются изобарными, то q1 = h1 - h3, где h1 - энтальпия перегретого пара; h3 - энтальпия конденсата (заметим, что h3 » h4); q2 = h2 - h3, где h2 - энтальпия отработанного в турбине пара. Тогда
.
Величину полезной работы за цикл равную
lц = q1 - q2 = h1 - h2
называют также адиабатным теплопадением.
Термический к.п.д. удобно определить с помощью h, s - диаграммы (рис. 12.5). По параметрам перегретого пара p1 и t1 наносят на диаграмму точку 1, соответствующую состоянию пара перед турбиной. Из этой точки проводят вертикаль до пересечения с изобарой р2. Точка их пересечения будет точкой 2. Ординаты точек 1 и 2 определяют значения h1 и h2. По изобаре р2 находят температуру конденсации при этом давлении ts2. Тогда h3 = cк × ts2, где ск = 4,187 кДж/(кг×к) - теплоемкость конденсата.
Одной из характеристик, позволяющих судить об экономичности паросилового цикла, является удельный расход пара в килограммах на единицу работы. Если принять в качестве единицы работы 1 МДж (1000 кДж), то удельный расход пара
,
где h1 и h2 - энтальпия, кДж/кг;
d - удельный расход пара, кг/МДж.

На практике чаще применяется другая единица измерения удельного расхода пара, которая получается следующим образом:
,
где h1 и h2 - энтальпия, кДж/кг,
d - удельный расход пара, кг/кВт ч.
Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике.
Глава 2 Поворотно-лопастные гидротурбины
Поворотно-лопастные гидротурбины- этот тип турбин наиболее эффективен при относительно небольших напорах — от 10 до 40 м; на более низких напорах используются также поворотно-лопастные гидротурбины, но с горизонтальным валом (о них мы поговорим отдельно), на более высоких — радиально-осевые и диагональные турбины.
Рабочее колесо поворотно-лопастной гидротурбины. 
Поворотно-лопастные турбины относительно молоды — им не исполнилось и ста лет. К началу 20 века, в мире использовались два типа гидротурбин: ковшовые на сверхвысоких напорах и радиально-осевые во всех остальных случаях. В то же время, радиально-осевые турбины, рассчитанные на небольшие напоры, имеют очень большие размеры и массу, а соответственно — и стоимость. Поисками более эффективных турбин занимались многие ученые, но успех пришел к австрийскому инженеру Виктору Каплану, запатентовавшему в 1912 году поворотно-лопастную турбину. Впрочем, на отработку технологии потребовалось еще 10 лет — первая турбина этого типа была установлена на ГЭС в 1922 году. Во всем мире эти турбины называют «Турбины Каплана».
Виктор Каплан и его изобретение.
Конструктивно, поворотно-лопастная турбина сильно отличается от радиально-осевой. По своей форме, она очень напоминает гребной винт:
Особенностью турбины, обусловившей ее название, является возможность разворота лопастей (которых, к слову, может быть от 3 до 8 штук). Механизм разворота размещается во втулке рабочего колеса и приводится в действие давлением масла:
Поворот лопастей на оптимальный угол позволяет турбине сохранять высокий КПД при изменении напора. В то же время, возможности поворотно-лопастных турбин ограничены — при высоких напорах они теряют свою эффективность вследствие развития кавитации. Максимальные реализованные напоры составляют порядка 80 м.Модель рабочего колеса Серебрянской ГЭС-1, расчетный напор 75 м. 

Иногда используются турбины с зафиксированными лопастями, которые называют пропеллерными. Такие турбины существенно дешевле в производстве, но эффективны лишь при одном напоре. Соответственно, используются они относительно редко, например в сильно зарегулированных реках или на деривационных ГЭС без водохранилищ (например, построенных на перепадах по трассам каналов).

Еще одна редко встречающаяся разновидность поворотно-лопастной турбины — так называемая двухперовая турбина, у которой 2 пера.В России таких турбин нет, они установлены на Капчагайской ГЭС в Казахстане.
Размеры рабочих колес поворотно-лопастных турбин, особенно работающих одновременно на небольших напорах и больших расходах, могут быть очень велики. Так, рабочие колеса турбин Саратовской ГЭС при мощности в 60 МВт и напоре 9,7 м имеют диаметр 10,3 м.
В нашей стране развитию поворотно-лопастных турбин уделялось большое внимание. Первые турбины этого типа были установлены на Нижнесвирской ГЭС в 1933 году, и кстати две из них работают до сих пор. Турбины позднее построенных Угличской и Жигулевской ГЭС на момент их пуска были крупнейшими в мире.

Турбина Жигулевской ГЭС. 
Одними из крупнейших в мире поворотно-лопастными турбинами являются турбины сербско-румынской ГЭС Джердап I на Дунае, изготовленные на Ленинградском металлическом заводе. Их мощность составляет около 200 МВт.
Ну а крупнейшие в мире турбины этого типа установлены на ГЭС Токома на р.Карони, Венесуэла. Их мощность — 235 МВт (мощность генератора — 216 МВт). На фотографии — обработка лопасти турбины этой ГЭС. 
А вот на малых ГЭС поворотно-лопастные турбины применяют не так часто, вместо них используют пропеллерные турбины.
Глава 3 Ядерные энергетические установки. Основные элементы ядерного реактора.
Комплекс оборудования, обеспечивающий работу ядерного реактора, вывод из реактора тепловой энергии и преобразования ее в энергию другого вида, составляет ядерную энергетическую установку (ЯЭУ).  
Всех потребителей по виду используемой энергии можно разделить на следующие группы:  
потребители тепловой энергии  
потребители электрической энергии  
потребители механической энергии  
ЯЭУ будем классифицировать, в первую очередь, по этим же признакам:  
ЯЭУ для производства тепловой энергии   
ЯЭУ для производства электрической энергии   
ЯЭУ для производства механической энергии   
Исследовательские ЯЭУ  
 В каждой группе можно провести дополнительную классификацию подругим признакам. 
Ядерный реактор — устройство для осуществления управляемой самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер тяжелых элементов в целях получения энергии, интенсивных потоков нейтронов и гамма-квантов, накопления новых изотопов, изучения физических характеристик процесса деления.
В общем случае ядерный реактор содержит активную зону, отражатель, органы управления, корпус и биологическую защиту. Для реакторов на тепловых нейтронах еще одним обязательным элементом является замедлитель нейтронов.
Активная зона — основной элемент реактора, где размещается делящийся материал (ядерное топливо) и происходит управляемая цепная реакция деления его ядер. Делящийся материал (в случае гетерогенных реакторов, каковых абсолютное большинство) помещают в сердечники тепловыделяющих элементов, которые собраны в упорядоченные пакеты (пучки) — тепловыделяющие сборки — и помещены в поток теплоносителя.
Твэл (тепловыделяющий элемент) — основная составная часть активной зоны реактора, представляющая собой контейнер для ядер- пого топлива и выполняющая следующие функции:
— передачу теплоты, выделяющейся в результате ядерной реакции деления,теплоносителю первого контура;
— локализацию и исключение выхода ядерного топлива и радиоактивных осколков деления в теплоноситель.
Твэл является главным элементом реактора, в нем происходит реакция деления ядер и выделяется около 95 % генерируемой при этом теплоты.
ТВС (тепловыделяющая сборка) — твэлы, объединенные в пакет (пучок), конструкция которого:
— обеспечивает выполнение твэлами своего назначения;
— облегчает транспортно-технологические операции с ядерным топливом, в том числе загрузку твэлов в реактор и выгрузку из него.
Теплоноситель — среда для отвода от нагретой поверхности твэлов теплоты, образующейся в результате протекания ядерных реакций деления в активной зоне реакторов. Теплоноситель может быть жидким (Н20, D20, Na, Pb-Bi, Pb и др.), газообразным (С02, Не и др.) и даже твердым (например, вращающееся графитовое кольцо в реакторе ИБР-2).
Отражатель — элемент реактора, предназначенный для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны, изготавливаемый из материалов с большим сечением рассеяния и слабым поглощением нейтронов (Н20, 020, графит, Ве и др.). В реакторах на быстрых нейтронах вместо отражателя па периферии активной зоны находится зона воспроизводства делящегося материала.
Органы управления реактивностью — устройства, обеспечивающие компенсацию и регулирование реактивности путем изменения количества поглощающих материалов, находящихся в активной зоне, или изменения физической эффективности отражателя. Эти органы используют для поддержания цепной реакции деления и для управления мощностью, а также для аварийной защиты. Для варианта с изменением количества поглощающих материалов в активной зоне
используют материалы с большим сечением поглощения. Это 10В (3800 барн), Сб (2450 барп) и Ос! (46 000 барн) [1].
Корпус реактора — устройство для удержания необходимого давления, крепления всех деталей активной зоны и отражателя.
Замедлитель — материалы, применяемые в реакторах на тепловых нейтронах для замедления быстрых нейтронов до скоростей тепловых нейтронов. Здесь в этом качестве используются те же материалы, что и в отражателях (Н20, Э20, графит, Ве и др.).
Биологическая защита — защита от нейтронного и гамма-излучения, а также от теплового излучения в целях обеспечения радиационной безопасности персонала, населения и окружающей среды и сохранения работоспособности применяемых материалов и систем.
Система герметичного ограждения — локализующая система безопасности, предотвращающая и ограничивающая выход радиоактивных веществ в окружающую среду во всех проектных и учитываемых запроектных авариях. В зависимости от типа реактора выполняется в виде защитной оболочки (сферической или цилиндрической), называемой в зарубежных проектах контейнментом, или в виде боксовых строительных конструкций.
Список литературы
Быстрицкий, Геннадий Федорович. Общая энергетика. Производство тепловой и электрической энергии [Текст] : учеб.для вузов / Г. Ф. Быстрицкий, Г. Г. Гасангаджиев, В. С. Кожиченков. - 2-е изд., стер. - М. : КноРус, 2014. - 407 с. : ил. - (Бакалавриат). - Библиогр.: с.403-404
Торшин, Владимир Викторович. Перспективные машины и аппараты для энергетики и транспорта [Текст] : монография / В. В. Торшин, Ф. Ф. Пащенко, Л. Е. Круковский. - М. : Либроком, 2013. - 299 с. : ил. - Библиогр.: с.295-299
Физико-технические основы современной ядерной энергетики. Перспективы и экологические аспекты [Текст] : монография / В.А.Апсэ [и др.]. - Долгопрудный : Интеллект, 2014. - 295 с.