Ciclurile ideale ale instalatiilor termice cu vapori

Generalitati

Vaporii (in special aburul) constituie un fluid foarte utilizat ca agent energetic. Aburul este folosit in instalatii:

a. tehnologice (ca agent de incalzire).

b. de forta (ca agent energetic).

Instalatiile tehnologice cele mai simple (Fig. 8.1.) sunt formate dintr-un cazan K, in care se produce aburul, consumatorul de caldura I si pompa de circulatie P. Cazanul produce de obicei abur saturat.

Pompa de circulatie nu trebuie sa ridice presiunea fluidului decat cat este necesar pentru compensarea pierderilor de presiune prin rezistentele hidraulice ale intregii instalatii.

Nu este vorba de o transformare inchisa, ci numai de o transformare izobara care se efectueaza in ambele sensuri ; deci, in aceasta instalatie se face un transport la distanta a caldurii pana la consumator prin intermediul aburului, ca agent purtator caldura.

Instalatii de forta cu vapori care functioneaza dupa ciclul Rankine

Observatie Datorita proprietatilor vaporilor in zona de vapori umezi, unde izobara este si izoterma, ciclul Carnot poate fi realizat destul de apropiat de cel teoretic, spre deosebire de cazul instalatiilor cu gaze.

Dar instalatia cu abur care ar functiona dupa ciclul Carnot nu este utilizata in practica, datorita unor dezavantaje fata de alte instalatii utilizate :

- cadere mica de entalpie la destinderea adiabatica a vaporilor umezi ; deci pentru puteri mari instalatiile au un gabarit mare ;

- compresia adiabatica a vaporilor umezi se face cu consum mare de energie si compresorul are dimensiuni mari ;

- randamente mici de utilizare a caldurii combustibilului.

Functionare 

Aburul saturat produs in cazanul K este supraincalzit in supraincalzitorul S, destins adiabatic (teoretic) in turbina T pana la presiunea p₂. Aburul uzat este trimis in la condensatorul C, unde este condensat total (pana la starea de lichid saturat x = 0), apoi pompa P ridica presiunea lichidului saturat pana la presiunea   p₁ de regim a cazanului ; la iesirea din pompa starea lichidului fiind a (lichid nesaturat).

Lichidul fiind aproape incompresibil, volumul sau nu variaza sensibil, deci comprimarea 3-a reprezinta o dreapta in diagrama p-v.

Lichidul din cazan se va incalzi a-0 pana la temperatura de fierbere, 0-1 reprezentand fierberea si supraincalzirea. In diagrama T-s izobarele p₁ si p₂ sunt foarte apropiate, deci starile 3 si a aproape se suprapun.

Puterea cedata exteriorului (generatorului electric G) este:

P_ext = P_G = P_T -|P_p| = (i₁ - i₂) - (i_a - i₃)

dar deoarece izobarele sunt foarte apropiate de curba limita x = 0: i_a i₃, deci: P_ext = (i₁ - i₂) = P_G

Fluxul termic consumat in cazan si supraincalzitor:

₁ = (i₁ - i_a)

Fluxul termic cedat in condensatorul C

₂ = (i₂ - i₃) = (i₂ - i_a)

Randamentul termic al ciclului Rankine va fi:

h_t

La aceste instalatii de forta intereseaza randamentul general h_g de utilizare a caldurii combustibilului ars in focar: h_g

= H_i - fluxul termic degajat prin arderea debitului [kg/s] de combustibil cu puterea calorica H_i [kJ/kg].

Parametrii care influenteaza randamentului termic al ciclului Rankine

Se observa ca: h_t = f(i₁, i₂, i_a), dar i₁ = f(p₁, t₁), i₂ = f(p₂), i_a = f(p₂) deci:

h_t = f(p₁, t₁, p₂)

Se vor compara doua instalatii la care: p₁>, T₁ = , p₂ = ,(i_a = ). Datorita formelor izotermei t₁ si izobarei p₂ rezulta ca i₁ - i₂ < - , deci h_t < , adica randamentul termic creste odata cu cresterea presiunii din cazan.

Influenta presiunii aburului supraincalzit (p₁)

Influenta temperaturii de supraincalzire (t₁)

Se vor compara doua instalatii la care p₁ =, T₁<, p₂ = (i_a =). Se observa ca i₁ < si i₂ <, dar - i₁ > - i₂, ceea ce duce la cresterea randamentului (h_t <), crestere care este mai importanta valoric decat cresterea caldurii absorbite in supraincalzitor (pentru ridicarea temperaturii de la t₁ la).

Influenta presiunii de condensare (p₂)

Se vor compara doua instalatii la care: p₁ =, T₁ =, p₂ < , l₁₂ > , deci h_t >, dar se va micsora caldura absorbita in ciclu :

q₁' = i₁ - i_a' < i₁ - i_a = q₁

Micsorarea lucrului mecanic este mai importanta valoric fata de micsorarea caldurii absorbite, deci randamentul termic scade odata cu cresterea presiunii p₂. Scaderea presiunii p₂ este data de temperatura apei de racire din condensator, care variaza intre 4.25 sC. La aceste temperaturi presiunea aburului p₂, este cuprinsa intre 0,008.0,03 bari. Aceste instalatii cu presiuni mici de condensare se numesc instalatii de forta cu condensatie si se utilizeaza in centralele termoelectrice de putere medie.

Instalatia cu termoficare

Cele mai mari pierderi de caldura la instalatia Rankine au loc in condensatorului C. Aceasta caldura pierduta prin condensare este evacuata de apa de racire in exterior, la o temperatura redusa, apropiata de temperatura mediului ambiant. Termoficarea are rolul de a interveni asupra regimului de functionare a instalatiei Rankine, in scopul utilizarii caldurii transportate de apa de racire (Fig.8.6). Este necesar sa se ridice temperatura apei de racire din condensator pana la o valoare la care apa sa poata fi folosita ca agent de incalzire (t 100 sC). La o presiune p₂ 1 bar, temperatura de condensare este t₂ 100 sC. Este evident ca, prin cresterea presiunii de condensare p₂, randamentul termic scade, dar mai importanta este utilizarea cat mai completa a caldurii combustibilului (H_i).

Randamentul global de utilizare a caldurii combustibilului   va fi :

h_g

- caldura utilizata de consumatorii I.

h_g = 0,8.0,85, fata de h_t = 0,3 - pentru instalatiile de forta cu condensatie. Instalatia cu termoficare se utilizeaza pentru incalzirea spatiilor de locuit.

Instalatia de forta cu incalzire intermediara

Scopul principal al acestei instalatii cu incalzire intermediara este de a asigura o functionare mai indelungata a turbinelor si de a creste randamentul global al ciclului. Daca titlul aburului x are valori mici, atunci paletele turbinei se deterioreaza intr-un timp mai scurt. Aceasta degradare a paletelor se datoreaza efectului coroziv al umiditatii care apare la suprafata paletelor. Din practica, s-a constatat ca destinderea aburului in turbine nu trebuie sa se realizeze sub x= 0,9, pentru a se evita o uzura a paletelor sub limita admisa.

Aburul care se destinde in turbina T₁ este incalzit din nou 2-1' si apoi destins in turbina de joasa presiune T₂. Daca s-ar face o destindere numai in turbina T₁, atunci titlul x₂ ar fi mai mic decat 0,9.

Randamentul termic al instalatiei este:

h_t = = > h_{t Rankine}

daca - > - i₂.

Instalatia de forta cu priza de vapori

Motivul utilizarii acestei instalatii cu priza de vapori este urmatorul : este necesar adesea sa se alimenteze cu abur diversi consumatori tehnologici ; daca s-ar folosi o instalatie de abur separata pentru acesti consumatori, atunci ar scadea randamentul de utilizare a caldurii combustibilului, deoarece cresc suprafata prin care se pierde caldura si gabaritul instalatiei. De aceea se foloseste o singura instalatie cu rol dublu : producere de putere mecanica si alimentarea unor consumatori tehnologici.Dupa destindere in turbina T₁, un debit de abur este preluat printr-o priza de catre consumatorul I, iar restul se destinde in turbina T₂. In schimbatorul R se amesteca condensatul din consumatorul I cu condensatul de la condensatorul C.

Puterea mecanica obtinuta este:

P = ·(i₁ - i₃) + ( ₁)(i₃ - i₂)

Fluxul termic absorbit in ciclu:

·(i₁ - i_a)

Fluxul termic utilizat de consumatorul extern I:

_I = ₁·(i₃ - i₄)

Randamentul global al instalatiei va fi:

h_g

Notiunea de « randament termic » al ciclului nu prezinta in acest caz o importanta deosebita.

Instalatia frigorifica intr-o treapta de comprimare cu ventil de laminare

Aceste instalatii sunt destinate inversarii sensului fluxului termic, prin consum de energie mecanica din exterior ( Fig.8.9 ).

Functionare : Agentul frigorific (amoniac, freoni, clorura de metil, etc.) cu starea 1 de vapori saturati uscati este comprimat adiabatic 1-2, apoi este condensat si racit 2-3 pana la starea de lichid saturat 3. Prin laminare 3-4 (i = constant) se obtin vapori umezi cu starea 4 ( titlul x₄ fiind apropiat de curba x = 0), iar vaporizarea 4-1 se face cu absorbtie de caldura.

Lucrul mecanic elementar consumat si puterea la compresor:

l_C = i₂ -i₁ ; P = (i₂ - i₁)

Fluxul termic la vaporizator:

_V = (i₁ - i₄)

Fluxul termic la condensator:

_K = (i₂ - i₃)

Daca instalatia functioneaza ca instalatie frigorifica, atunci se absoarbe fluxul _V
de la corpurile carora trebuie sa li se mentina o temperatura scazuta si se cedeaza mediului exterior fluxul _K. Eficienta frigorifica (coeficientul economic) a instalatiei frigorifice este:

e_IF = =

Pompa de caldura absoarbe caldura _V din mediul exterior si, prin consum de energie mecanica, cedeaza caldura _K unor corpuri care trebuie incalzite. Eficienta frigorifica a pompei termice este:

e_PC = =

Instalatia frigorifica intr-o treapta de comprimare cu detentor

Detentorul poate fi un compresor cu piston sau o turbina. Instalatia este mai scumpa decat instalatia cu ventil de laminare, dar cheltuielile de exploatare se micsoreaza, deoarece detentorul asigura partial antrenarea compresorului C.

Puterea mecanica absorbita din exterior va fi:

P = P_C - P_D = (i₂ - i₁) - (i₃ - i₄)

Aceste instalatii se folosesc pentru puteri frigorifice mari si ca pompe de caldura de puteri medii si mari (Fig.8.10).

Instalatia frigorifica cu comprimare in doua trepte si cu doua laminari

Cand raportul presiunilor (p₂/p₁) este foarte mare, se utilizeaza comprimarea in doua trepte, care conduce la o economie de lucru mecanic consumat si la obtinerea unor temperaturi mai scazute (Fig.8.11).

Fluxul de caldura la condensator: _K (i₄ - i₅)

Fluxul de caldura la vaporizator: _V (i₁ - i₈)

Fluxul de caldura la butelia de racire intermediara: _BRI (i₂ - i₃)

Puterea totala consumata pentru antrenarea compresoarelor:

P = P_C1 + P_C2 = (i₂ - i₁) + (i₄ - i₃)

Eficienta frigorifica este: e_IF = =

Pentru obtinerea unor temperaturi si mai scazute se utilizeaza instalatii frigorifice in cascada, cu agenti frigorifici diferiti pe fiecare treapta a cascadei. Alte tipuri de instalatii frigorifice: cu absorbtie, cu adsorbtie,cu ejectie.

APLICATII

Problema 1. O turbina de abur cu puterea teoretica de 5000 kW trebuie alimentata cu abur de 24 bari si .Presiunea la iesirea din turbina este 0,02 bari. Sa se determine debitul masic de abur, destinderea in turbina fiind o adiabata reversibila .

Din ecuatia puterii mecanice adiabatice: , se determina debitul masic

Pentru starea 1 se scot parametrii i si s din Tab. 3, la si

Iar pentru starea 2 se foloseste Tab. 2 de unde, pentru , se scot

parametrii:

Titlul de vapori este: , iar entalpia:

Problema 2. O instalatie frigorifica cu amoniac functioneaza dupa ciclul teoretic cu compresor si ventil de laminare. Puterea frigorifica a instalatiei este: , iar in vaporizatorul V amoniacul fierbe la temperatura de . Temperatura de condensare in condesatorul C este de . Sa se determine:

1- Presiunea, temperatura, titlul, entalpia si entropia in starile caracteristice ale ciclului;

2- Debitul de amoniac prin instalatie;

3- Puterea motorului de antrenare M;

4- Caldura cedata sursei calde;

5- Eficienta frigorifica a cilcului.

Din tabel rezulta marimile caracteristice la saturatie:

Pentru

Pentru

In starea 1 ( la intrarea compresorului C) amoniacul este in stare de vapori saturati uscati , iar temperatura este .Pentru determinarea starii 2 se utilizeaza diagrama lg din starea 1 se urmareste izentropa pina la intersectia cu izobara

Din diagrama se vor citi: . Starea 3 este pe izobara , avand (starea de lichid saturat).

Pentru starea 4: (laminare adiabatica) si rezulta titlul :

iar entropia starii 4 este:

Valorile marimilor caracteristice sunt date in tabelul mai jos:

Debitul masic de amoniac:

Puterea motorului M de antrenare a compresorului :

Fluxul   cedat sursei calde:

Verificarea bilantului termic:

Eficienta teoretica a ciclului frigorific: