Бугазды құрылғылардың циклі

Мазмұны

 

 

 

 

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ 

БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ  МИНИСТРЛІГІ 

СЕМЕЙ ҚАЛАСЫНДАҒЫ  ШӘКӘРІМ АТЫНДАҒЫ МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ

 

 

«Техникалық физика және

жылуэнергетика» кафедрасы 

 

 

 

 

 

«ТЕРМОДИНАМИКАЛЫҚ ДИАГРАММАЛАРЫНДА

БУ ЦИКЛДАРЫН  ЕСЕПТЕУ»

ТАҚЫРЫБЫ БОЙЫНША

КУРСТЫҚ ЖҰМЫСТЫ  ЖАСАУ 

ӘДІСТЕМЕЛІК НҰСҚАУ

5В072300 – Техникалық  физика,

мамандығы үшін

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Семей 2013 

Кіріспе

 

Барлық заттар сыртқы жағдайларға  байланысты түрлі агрегаттық (фазалар) күйлерде: сұйық, газ тәріздес болады. Жалпы жағдайда фаза ұғымы агрегаттық күй ұғымына қарағанда аз көлемді қамтиды; өйткені, кейбір заттар қатты және сұйық күйде түрлі фазаларында болады (мысалы: мұз, күкірт, гелий және т.б.). Заттың бір фазадан екінші бір фазаға ауысуы деп аталады. Түрлі агрегаттық күйлердегі заттар, түрлі фзикалық қасиеттерге иеболады, олардың бірі - тығыздық. Бұл айырмашылық молекула аралық өзара әсердің сипатымен түсіндіріледі. Қатты заттың сұйыққа (балқуы) ауысуында немесе газға, сұйық күйге бармайауысуында (сублимацияда), фазалық ауысудың жылуы қатты дененің кристалдық торын бұзуға жұмсалады.

Балқу мен сублимацияға кері процестер, сәйкес кристалдану (қатаю) және десублимация деп аталады.

Зат сұйық күйден газ тәріздес күйге өткенде (қайнағанда) фазалық ауысудың жылуы ұлғаю жұмысына, сондай-ақ ассоцияланған молекулаларды (комплекстерді) бұзуға негізделген, молекула аралық өзара әсер күштерін жоюға жұмсалады. Газ тәріздес күйден сұйық күйге кері ауысу жылу бөлінуімен қатар өтеді және конденсация деп аталады.

Фазалық ауысуылар, фазалық тепе-тендіктер және процестерді талдауда, Гиббс фазалар ережесі маңызды рөл атқарады:

      (1)

мұндағы - термодинамикалық жүйенің еркін дәрежелер саны (тәуелсіз интенсивті параметрлер саны);

       п - жүйе құраушыларыныңсаны;

       r - жүйедегі фазалар саны.

Күйге байланысты бу 3 түрде болады: құрғақ қаныққан бу; ылғалды қаныққан бу; және қызып кеткен бу.

 

Сурет 1 - pv-диаграммасында бу түзілу процессі

Сурет 2 - Ts - диаграммасында бу түзілу процессі

 

1 –ші суретте бу түзілуінің vр - диаграммасы көрсетілген.

- 1 қисығы °С (273,15 К) температурадағы суға сәйкес;

- 2 қисығы қайнау (қайнау) температурадағы суға сәйкес;

- 3 қисығы - кұрғақ қаныққан буға сәйкес.

2 - қисығы - бұл төменгі шекаралық сызығы, 3 – қисығы жоғарғы шекаралық сызығы.

Шекаралық қисық сызықтарды бөлетін k нүктесі - критикалық нүкте деп аталады.

1, 2, 3 қисықтары диаграмманы 3 бөлімге бөледі.

-1 мен 2 қисық сызықтардың аралықтарында 𝛪 ауданы – сұйық;

-2 мен 3 қисық сызықтардыңаралықтарында 𝛪𝛪 аудан - қайнап тұрған сұйықпен газдың қоспасы (ылғалды қаныққан бу);

-3-ші қисық сызықтың оң жағында 𝛪𝛪𝛪 аудан - қызған бу.

 

Критикалық нүктені 1861 ж. Д.М. Менделеев анықтап, оны абсолют қайнау температурасы деп атады, өйткені осы күйде кез-келген сұйық буға айналып, сұйық күй алатындай көлемді алып тұрады. Критикалық қысым мен температурада сұйық пен оның құрғақ қаныққан буының қасиеттерінің арасында айырмашылығы жоқ. Критикалық температурадан жоғарғы температурада сұйық тек қызған бу күйінде ғана болады.

Су буының критикалық параметрлері: p_k= 22,129 МПа, Т_к= 647,3 К, v_k = 0,00326 м³/кг. Бу түзілу процесін sT-диаграммасында көрсетуге болады.

Қаныққан сұйықтың күйі қысыммен немесе температурамен анықталады. Қалған барлық параметрлерін (v', р', i', s') қаныққан су буының кестесі бойынша анықтауға болады.

Құрғаққаныққан бу қысымдағы қаныққан (қайнау) температурасына тең, температура сақталғанда және сұйық толық буланғанда пайда болады. Құрғақ қаныққан буының күйі оның қысымымен немесе температурасымен анықталады. Қалған барлық параметрлерін (v", р", i", s") қаныққан су буының кестесі бойынша анықтауға болады.

Ылғалды қаныққан бу - ол құрғақ қаныққан бу мен қайнап жатқан сұйық тамшыларынан тұрады. Ылғалды қаныққан буының күйі оның қысымымен немесе температурасымен және құрғақтылығының дәрежесімен x анықталады. Қаныкқан сұйықта x=0, ал құрғақ қаныққан буға х=1. Ылғалды қаныққан бу температурасы тек қана қысымының функциясы болады, оны бу кестелер бойынша анықтауға болады.

Қызған бу қанығу температурасынан жоғары температурада болады. Қызған бу нақтылы қысымда әр түрлі температуралары болуы мүмкін. Қызған бу күйін сипаттау үшін оның екі параметрлерін білу керек (қысым мен температура).

Су буының термодинамикалық процесстердің есебі құрғақ қаныққан будың, қаныққан сұйықтың және қызған будың термодинамикалық кестелер көмегімен есептеуге болады.

Су буының есебінде sі - диаграммасымен қолдануға болады. si-диаграммада әр нүкте күй параметрлерінің нақты мәніне р; v; t; i; s сәйкес (сурет 3). Диаграммада изохоралар (пунктир сызықтары), изобаралар, изотермалар, будың құрғақтылығының дәрежесіне тең сызықтары көрсетілген. Жоғарғы және төменгі шекаралық қисық сызықтары si-диаграмманы қанықпаған сұйық 𝛪, ылғалды қаныққан бу 𝛪𝛪, қызған бу аудандарға 𝛪𝛪𝛪 бөледі. Ылғалды қаныққан бу ауданындағы түзу сызықтары изотермалар болады. Қызған будың ауданы өткенде изобаралар және изотермалар бөлінеді.

Сурет 3 - Су буының is-диаграммасы

 

Осы дәрістің материалдарының негізгі түсініктерін білуі керек:

Бу; критикалық нүкте; қаныққан бу; қызған бу; құрғақтылық дәрежесі.

 

 

1 Бугазды құрылғылардың циклі

Соңғы жылдары жылутехникада  жылукүшті буды немесе жылукүшті  газды циклдер қолданылатын энергетикалық  құрылғыларға қарағанда жоғары экономикалық тиімді бугазды құрылғылар қарқынды енгізілуде.

Бугазды құрылғы (БГҚ) буқұбырлы және газқұбырлы комбинациядан тұрады, ал БГҚ жылудинамикалық циклі – бұл буқұбырлы құрылғы циклынан (Ренкин циклі) және газқұбырлы құрылғы циклынан (Брайтон циклі) тұратын аралас цикл. Сондықтан БГҚ аралас циклін Ренкин-Брайтон циклі деп те атайды. Екі – бу және газциклден тұратын аралас цикл бинарлық циклдың бір түрі болып саналады.

БГҚ аралас циклінде ГҚҚ (газ құбырлы құрылғы) циклі жоғары температура аймағын, ал Ренкин циклі  төмен температура аймағыналады. Мұндай циклдардың өзара орналасуы бірнеше ойлармен түсіндіріледі. Біріншіден, қазіргі заманғы ГҚҚ-дағы (1350-1500 °С) максималды температурасы буқұбырлы құрылғылардағы будың максималды температурасынан (550-600 °С) едәуір жоғары. Екіншіден, температурасы 400-600 °С болатын ГҚҚ-дағы шығатын газдың жылуын жоғары орташа температуралы қоршаған ортаға текке бергенше төмен температуралы (буқұбырлы) циклда қолданған тиімді. Үшіншіден, буқұбырлы құрылғы циклындағы жылуды беру қоршаған ортадағы температураға жақын температура изотермиялық процесс кезінде орындалады.

Қазіргі уақытқа дейін  бір циклдағы жұмыс денесі басқа  циклдағы жұмыс денесіне «әсер ету» әдісімен ерекшеленетін БГҚ сұлбасының бірнеше нұсқалар ұсынылды. Көбінесе бұл сұлбаларды бір ой байланыстырады – ГҚҚ-дағы кететін газдардың жылуын құрылғының буқұбырлы бөлігінде қолдану. 

Едәуір тиімдісі болып  бугазды құрылғылардың пеш-тазартушысымен болғаны табылады. Мұндай БГҚ-ның  принциптік сұлбасы 4 суретте көрсетілген, ал оның жылудинамикалық циклі Т  да, s-диаграммада –5 суретте көрсетілген. Сұлбада (4 суретті қараңыз) ауалық компрессор К, жану камерасын КС, газ құбырын ГТ және электрлік генератор Г тұратын газ құбырлы құрылғы; буқұбыр ПТ, конденсатор КН, сорап Н және электрлік генератор Г, сонымен қатар газ құбырынан кетіп бара жатқан газ жылуы есебінде аса жылытылған бу пайда болатын пеш-тазартқыш КУ тұратын буқұбырлы құрылғы көрсетілген. Қарастырылып отырған құрылғыда жылуды әкелу жоғарғы (ыстық) көзінен тек газқұбырлы циклде ғана орындалады. Бинарлық циклда жылуды төменгі циклға әкелу тек жоғарғы циклдан берілген жылу есебінен орындалады. Демек, БГҚ аралас циклі   (5 суретті қараңыз) – бұл көрсетілген газқұбырлы құрылғыдан (Брайтон циклі) 1-2д-3-4д-1 және буқұбырлы құрылғы (Ренкин циклы) циклінен 6-7д-7′-8д-6 тұратын бинарлық цикл.

 

Сурет 4

 

Сурет 5

 

Мұндай БГҚ қуаты  газқұбырлы және буқұбырлы бөлік  қуаттылығынан тұрады

(1.1)

мұнда және газ бен будың массалық шығыны; - ГҚҚ, газқұбырының, компрессор, буқұбырлы құрылғының, булық құбырдың және сораптың үдеулік жұмысы; h –4 және 5 суреттерге сәйкес бинарлық циклдың (ауа, газ, су және су буының) жұмыс денесінің энтальпиясы.

Барлық уақыт ішінде ГҚҚ- ның жану камерасында циклға келтірілетін жылу – бұл 2д-3 процесінің жылуы:

= = .     (1.2)

БГҚ циклының ішкі ПӘК (КПД) жылуға келтірілген (1.2) құрылғының қуаттылығына (1.1) қатынасымен анықталады.

 (1.3)

Мұнда - будың қатысты шығыны деп аталады, сонымен қатар бинарлық циклдың циркуляция краттылығы деп аталады.

Будың қатысты шығыны газ процессі 4д-5 кезінде берілетін жылу судан және су буынан 8д-6 процесі кезінде алынатын жылуға тең пеш-тазартқыштың КУ жылу балансы теңдігінен анықталады:

= .     (1.4)

Ал 

=       (1.5)

және 

= ,     (1.6)

яғни

= ,     (1.7)

және сәйкес,

      (1.8)

(1.1) - (1.8) қатынасы не  ауа, газ су және су буының  термодинамикалық қасиеттерінің  кестесін не күйінің сәйкес  теңдеуін қолдана отырып БГҚ  циклының ПӘК (КПД) есептеуге  мүмкіндік береді. Бугазды құрылғының (1.3) ПӘК (КПД) мәнін сонымен  қатар ПӘК (КПД) арқылы оның негізгі элементтерін көрсетуге болады: газқұбырлы құрылғы ( ), буқұбырлы құрылғы ( ) және пеш-тазартқыш ( ), (1.2) және (1.4) теңдіктерін ескере отырып, сонымен қатар (1.9) теңдеу, соған сәйкес :

 

       (1.10)

 

(1.10) теңдеуден бинарлық  бугазды циклдың  ПӘК (КПД)  едәуір жоғары болса, газқұбырлы  және буқұбырлы құрылғы ( және ) циклдарының ПӘК (КПД) жоғары, сонымен қатар пеш- тазартқыш ПӘК (КПД) жоғары

     (1.11)

 

Пеш-тазартқыштың пайдалы әсер коэффициенті, (1.11) шығатын сияқты кетіп бара жатқан газдар температурасымен анықталады: температурасы неғұрлым төмен болса, энтальпия соғұрлым төмен, пеш-тазартқыш ПӘК (КПД) жоғары және соған сәйкес бугазды құрылғының (1.10) бинарлық циклының ПӘК сәйкесінше едәуір жоғары.

Принциптік сұлбасы  4 суретте көрсетілген бугазды  құрылғы жеке-жеке алынған газқұбырлы және буқұбырлы құрылғының ПӘК салыстырғанда ПӘК едәуір көрсетуге мүмкіндік береді. Пеш-тазартқышы бар БГҚ ПӘК ары қарай көтеру үшін (1.10) көрсетілгендей негізгі үш элементтің ПӘК көтеру қажет: пеш-тазартқыш , газқұбырлы құрылғы және буқұбырлы құрылғы . Бугазды құрылғының осы элементтердің тиімділігін жоғарлату үшін қолданылатын әдістерін қарастырайық.

Пеш-тазартқыштың ПӘК жоғарлату үшін екі немесе үш қысымды пеш-тазартқыш және булы құрбырларды қолданады. Мұндай бугазды құрылғыларда екі- немесе үш контурлы деп аталатын пеш-тазартқыш түрлі (екі немесе үш) параметрлердегі аса ысытылған бу түрленеді. 6 суретте үш контурлы БГҚ принциптік сұлбасы көрсетілген, ал 7 суретте Т да, s-диаграммада осы құрылғы циклының буқұбырлы бөлігі көрсетілген. 4 және 6 суреттерді салыстыру үш контурлы БГҚ да БГҚ газқұбырлы бөлігі бір контурлы сияқты екенін көрсетті; тек пеш-тазартқыш КУ және булы құбыр ПТ ерекшеленеді. Үш контурлы БГҚ булы құбырына құбырда конденсатордағы ( ) қысымға дейін ауқымдалатын жоғары қысым мен температура ( ) мәні бар бірінші контур буы беріледі. Бұл бу 6а-7-7 ′-8-с ′-9-b′-10-6а циклдарын істейді. Екінші контур буы – едәуір төмен параметрлі ( ) бу – бірінші контур буының қысымы адиабаттық процесс кезінде азая отырып, екінші контур буының қысымымен бірдей болатын құбырдың орташа бөлігіне түседі. Екінші контур буы 6в-7-7 ′-8-c ′-9-b′-6b циклдарын істейді. Үшінші контур буы – едәуір төмен параметрлер ( ) буы – бірінші жіне екінші контурдағы бу қысымы бірдей болатын құбыр қимасына әкелінеді.

Сурет 6    

Сурет 7

 

Үш контурлы БГҚ пеш-тазартқышқа  сораппен H1 су беріледі (8 жағдай), барлық үш контурдың массалық шығыны қосындысына  тең болатын массалық шығын. Осы  суды қайнауға дейін қыздырғаннан кейін (с′ жағдай) судың жарты бөлігі ұшып кетеді,  ал бу үшінші контур буын түзе отырып (6с жағдай) қызады. Судың басқа бөлігі оның қысымын сораппен Н2 көтергеннен кейін пеш-тазартқышта қайнауға дейін жеткізіледі (b′ жағдай). Осы судың біраз бөлігі буланады ал бу екінші контур буын түзе отырып қызады (6_b жағдай). Судың басқа бөлігі сораптан кейін Н3 пеш-тазартқышта 10-6а процесін істейді, нәтижесінде қыздырылған бірінші контур буы түзіледі (6а жағдай).

Сұлбаның мұндай қиындауы пеш-тазартқышта жылуды беру процесін азайтуға, кететін газдар температурасын төмендетіп және соның нәтижесінде пеш-тазартқыштың ПӘК жоғарлатуға мүмкіндік береді. Қазіргі кезде жасалатын пеш-тазартқышы бар БГҚ көбі – бұл екі- немесе үш контурлы БГҚ. Жоғарыда қарастырылған екі- және үш контурлы БГҚ пайда болуына байланысты сұлбасы 4 суретте көрсетілген, бірконтурлы БГҚ деп атайды.

БГҚ газқұбырлы бөлігіндегі ПӘК жоғарлату үшін  газқұбырлы құрылғылар циклындағы ПӘК жоғарлату әдістері: бұл – газды құбыр алдындағы газ температурасын жоғарлату, сонымен қатар көп дәрежелі қысу және жұмыс денесін ауқымдау. ГҚҚ циклдарында, бугазды құрылғыларда қолданылатын регенерация келесі жағдайларда күшке қолданылмайтынын атап кету керек. Ең алдымен, регенеративті қыздырғышта газды құбырларының кететін газдарын қолдану пеш-тазартқышқа кірердегі газ температурасының азаюына, буқұбырлы циклдың буы және оның ПӘК бастапқы параметрлерінің төмендеуіне әкеп соғады. Сонымен қатар, ГҚҚ циклына қарағанда, буқұбырлы циклдағы жылуды қоршаған ортаға беру қоршаған орта температурасына жақын, яғни Карно циклындағыдай температура кезінде изотермиялық процессте орындалады.