Сообщение паровая турбина кпд теплового двигателя

Обновлено: 18.05.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Выполнила: Ученица 8 класса

Исторические факты.

Определение, назначение.

Парова́я турби́на — тепловой двигатель , в котором энергия пара преобразуется в механическую работу. В лопаточном аппарате паровой турбины потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую , которая в свою очередь преобразуется в механическую работу — вращение вала турбины .

Паровые турбины по своей конструкции представляют тепловой двигатель, который постоянно находится в работе. В период эксплуатации перегретый или насыщенный пар воды, который поступает в проточную часть, и благодаря своему расширению принуждает вращаться ротор. Вращение происходит в результате воздействия на лопаточный аппарат потока пара. Турбина паровая входит в состав паротурбинной конструкции, которая предназначена для вырабатывания энергии. Также существуют установки, способные кроме электроэнергии вырабатывать тепловую энергию – пар, прошедший через лопатки пар, поступает на нагреватели сетевой воды. Подобный вид турбин именуется промышленно-теплофикационным или теплофикационным типом турбин. В первом случае, в турбине отбор пара предусмотрен для промышленных целей. В комплекте с генератором паровая турбина представляет турбоагрегат. Монтаж, наладку и запуск турбинных установок обычно осуществляют компании, имеющие большой опыт в этом деле.

Конденсационные паровые турбины

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). Конденсационные турбины бывают стационарными и транспортными.

Паровые турбины обладают преимуществами перед другими двигателями. Они дают возможность в одном агрегате получить высокую мощность и высокий КПД, использовать любые виды топлива для получения пара, использовать отработавшую в них энергию для получения пара или горячей воды; отличаются относительно небольшими габаритами и надежны в работе.

Рисунок с основными частями.

Принцип работы.

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле, под высоким давлением, поступает на лопатки турбины. Турбина совершает обороты и вырабатывает механическую энергию, используемую генератором. Генератор производит электричество.

Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления пара на входе и выходе установки. Мощность паровых турбин единичной установки достигает 1000 МВт.

Принцип работы конденсационной турбины: Свежий (острый) пар из котельного агрегата по паропроводу попадает на рабочие лопатки паровой турбины. При расширении, кинетическая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который расположен на одном валу с электрическим генератором . Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор, в котором, охладившись до состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой пруда-охладителя, градирни или водохранилища по трубопроводу направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса. Большая часть полученной энергии используется для генерации электрического тока.

Используемое топливо.

Для нагрева воды до газообразного состояния используют разные энергоносители. На теплоэлектростанциях – мазут, газ, уголь, торф. На атомных – энергию распада радиоактивного топлива. Можно использовать отработанный пар металлургического, химического, машиностроительного производств. Малые паровые турбины работают на бензине.

Вы уже познакомились с самым распространенным видом теплового двигателя — двигателем внутреннего сгорания. Следующий вид, который мы рассмотрим — это турбина.

Турбины бывают газовые, паровые и гидравлические. Рабочим телом паровой турбины является пар. У газовой турбины же рабочим телом являются газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. Устройство и работа газовой турбины аналогичны устройству и работе паровой турбины.

Для изучения мы выберем паровую турбину. В данном уроке вы узнаете, как она устроена, ее принцип действия, историю создания и применение в жизни.

Устройство и работа паровой турбины

Турбина — это тепловой двигатель, в котором пар или газ, нагретый до высокой температуры, вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала.

Схема простейшего варианта паровой турбины представлена на рисунке 1.

Диск 4 насажен на вал 5. На ободе диска закреплены лопатки 2. Около лопаток располагаются трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла.

Принцип действия паровой турбины достаточно прост. Из сопел вырываются струи пара и оказывают на лопатки значительное давление. Таким образом струи пара приводят диск турбины в быстрое движение. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию.

В настоящее время в турбинах устанавливают несколько дисков сразу, насаженных на один общий вал. Так пар будет проходить через все лопатки дисков, при этом отдавая каждому часть своей энергии.

История создания паровой турбины

В ходе истории было предпринято большое количество попыток создания механизмов, похожих на паровую турбину именно в том виде, какой мы ее рассматриваем сейчас. Можно сказать, что все началось еще в I веке. Герон Александрийский создал интересный механизм (рисунок 2). Но его потенциал не оценили и восприняли как забавную игрушку.

Это изобретение по праву можно назвать первым прототипом паровой турбины. В котле кипела вода и образовывался пар. По трубке пар подавался к шару и вылетал из сопел. Шар начинал вращаться.

Считается, что первую паровую турбину создал в 1883 году шведский изобретатель Густав Лаваль. В 1889 году Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями. Такой вариант сопел стал прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии.

С этого момента турбины стали активно использовать для приведения в действие электрогенераторов. В этом же году количество используемых турбин выросло до трехсот.

В 1894 году английский инженер Чарлз Парсонс построил опытное судно “Турбиния” с приводом от паровой турбины. Скорость этого судна достигала $60 \frac$. В настоящее время судно находится в музее Newcastle’s Discovery Museum (рисунок 3), а её турбина находится в Лондонском музее науки.

Рисунок 3. “Турбиния” в музее Newcastle’s Discovery Museum

Применение паровых турбин

Современные паровые турбины широко используются во многих сферах.

Например, на электростанциях генератор электрического тока зачастую соединяют с турбиной. Такие турбины могут вращаться, выполняя до 3000 оборотов в минуту. Это позволяет использовать их для приведения в движение генераторов тока.

Также тепловые турбины устанавливают на тепловых электростанциях. В 2017 году на Уральском турбинном заводе была выпущена паровая турбина, электрическая мощность которой достигает $335 \space МВт$, а тепловая нагрузка — $385 \frac$ (рисунок 4). Этого достаточно, чтобы обеспечить теплом более 100 000 квартир.

Рисунок 4. Энергетическая паровая турбина Т-295

Паровые турбины стоят и на различных заводах. На производстве данные турбины функционируют на отработавшем паре, позволяя получить из практически “отходов производства” полезную энергию. Используют их и на кораблях в качестве главного или вспомогательного двигателя.

Одной из самых мощных паровых турбин в мире на сегодняшний день является турбина Siemens SST5-9000 (рисунок 5). Ее мощностью составляет $1900 \space МВт$. Спрос на такие мощности очень мал, так как реализовать такой потенциал можно только на атомных электростанциях.

Рисунок 5. Турбина Siemens SST5-9000

На сухопутном и воздушном транспорте паровые турбины не используют, потому что для их функционирования необходимо большое количество пара, а следовательно, и жидкости.

На сегодняшнем уроке речь пойдет о таком устройстве, как паровая турбина. Мы рассмотрим принцип ее работы и сравним ее с двигателем внутреннего сгорания, который был рассмотрен ранее. Далее мы обсудим, что такое тепловая машина, и из каких основных элементов она состоит. Затем будет введено понятие коэффициента полезного действия (КПД) и даны формулы для его расчета применительно к тепловой машине. В конце урока будут сравниваться КПД различных вариантов тепловых машин.

Тепловые двигатели преобразуют внутреннюю энергию сгорающего топлива в механическую работу. Паровые турбины, наряду с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), являются самыми распространенными типами тепловых двигателей. Рассмотрим принцип действия паровой турбины и области применения этого устройства.

Что такое тепловой двигатель

В любом тепловом двигателе должны присутствовать следующие части: рабочее тело, нагреватель и холодильник.

Рис. 1. Схема теплового двигателя

Нагреватель, разогретый до температуры T1, передает теплоту Q1 рабочему телу (пару), которое производит работу А (вращает турбину или приводит в движение поршень ДВС). Часть тепла поглощается холодильником, температура которого Т2 Рис. 2. Как работает тепловая электростанция

На наземном транспорте паровые турбины практически не применяются, т.к. для создания холодильника пришлось бы вместе с полезными грузами перевозить большой объем воды в качества “балласта”, что привело бы к значительному увеличению размеров автомобилей, их веса, расхода топлива и т.д. Понятно, что на морских и речных судах нет необходимости возить с собой огромный запас воды для охлаждения, поэтому паровые турбины, начиная с XIX века, обеспечивают работу главных двигателей морских транспортных средств.

Принцип действия паровой турбины

Турбина состоит из металлического цилиндра, внутри которого находится вал (1) с закрепленными на нем рабочими колесами (дисками) (2). На дисках находятся металлические лопатки особой, изогнутой формы. Между рабочими колесами размещены трубчатые сопла (3), из которых с большой скоростью вырываются струи горячего пара, оказывающие мощное давления на лопатки. Температура пара имеет температуру близкую к 600 0 С. Внутри турбины пар расширяется, охлаждается и далее, после конденсации, с помощью насоса направляется снова в котел-нагреватель.

Рис. 3. Как устроена паровая турбина

Давление пара на лопатки заставляет вращаться вал турбины — производится работа. Когда вал турбины соединен с валом электрогенератора (ротором), вырабатывается электрический ток. Частота вращения вала достигает 3000 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения, в современных турбинах используется не один, а большое количество дисков, закрепленных на общий вал. Пар оказывает давление на лопатки сразу всех дисков, что повышает эффективность турбины.

Заметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость ее может изменяться в широких пределах. Еще одним преимуществом турбин является отсутствие толчков, которые получаются в ДВС при движении поршней взад и вперед. КПД современных турбоагрегатов может достигать 40-50%, а мощность — 1500 МВт.

Первооткрывателем принципа работы паровой турбины считается греческий математик Герон Александрийский (1 век н.э.), предложивший использовать реактивные свойства горячего пара для вращения металлического шара. Дальнейшее развитие и совершенствование этой идеи продолжалось вплоть до конца XIX века. Ученые и инженеры многих стран в разное время внесли свой вклад в совершенствование конструкции этого двигателя. Так, например, многоступенчатую турбину, предназначенную для вращения ротора электрогенератора, запатентовал в 1885 г. английский механик Чарльз Парсонс. А конструкцию сопла для паровых турбин, позволяющего получать сверхзвуковые скорости газа, предложил шведский инженер Густаф де Лаваль в 1890 г. Теперь это сопло так и называется — “сопло Лаваля”.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что паровая турбина — это один из типов тепловых двигателей, в которых внутренняя энергия насыщенного пара, нагретого до высокой температуры, переходит сначала в механическую (кинетическую) энергию, а потом может быть преобразована в электрическую энергию. Паровые турбины применяются на большинстве тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях для генерации электроэнергии, а также на морских и речных судах в качестве основных двигателей.

Большинство двигателей, используемых в современном обществе, являются тепловыми. К ним относятся паровые электрогенераторы, автомобили, грузовики, паровозы, холодильники, кондиционеры и тепловые насосы. Конечно, их общей мощности не хватит, чтобы заставить Землю вращаться, но они участвуют практически во всем, что происходит на планете. Поэтому каждый современный образованный человек должен знать, как они работают, что такое КПД теплового двигателя и его формулу.

Понятие теплового двигателя
Устройства внешнего и внутреннего сгорания
Анализ теплового цикла
КПД тепловой машины
Причины неэффективности
Реальные КПД у современных машин

Понятие теплового двигателя

Такая машина работает по термодинамическому циклу. Это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую, используя первый и второй законы термодинамики, описывающих преобразование тепла в работу.

Процесс сжигания топлива включает в себя химическую реакцию, называемую сгоранием, при которой топливо сгорает, потребляя кислород из воздуха с образованием углекислого газа и пара. В процессе своей работы такие агрегаты загрязняют атмосферу, поскольку топливо не сгорает полностью, несгоревшие частицы уносятся в атмосферу с выхлопными или дымовыми газами.

Модификации тепловых машин:

Паровая машина;
машина Стирлинга; — бензиновый и дизельный;
газовая турбина;
паровая турбина;
авиационные реактивные двигатели.

Устройства внешнего и внутреннего сгорания

По принципу организации процесса сгорания топлива тепловые машины разделяются на два типа — внешнего и внутреннего сгорания. В первом варианте топливо сгорает снаружи, в специальной камере или топке, размещенных на удаленном расстоянии от основной части двигателя, создающего работу или обеспечивающего движение вала. В качестве примера можно привести паровой двигатель паровоза.

Уголь подается в топку котла, который нагревает воду, превращая ее в пар, поступающий в стальной цилиндр. В нем пар под большим давлением перемещает плотно прилегающий поршень. Движущийся поршень приводит в действие агрегат, к которому он прикреплен, благодаря чему движется локомотив.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели внешнего, потому что не теряется энергия, передаваемая теплом, полученным в цилиндре, все процессы протекают в одном корпусе.

Анализ теплового цикла

Тепловой цикл включает в себя четыре термодинамических базовых процесса. Вначале происходит преобразование состояния рабочего тела, а затем, возвращение его в исходное состояние: сжатие, получение тепла, расширение и отвод тепла.

Каждый из этих процессов осуществляется по следующей схеме, которая определяет условия реализации цикла:

Изотермический — работа выполняется при постоянной температуре.
Изобарический — рабочий цикл реализуется при постоянном давлении.
Изометрический — тепловой процесс протекает при постоянном объеме
Адиабатический — цикл осуществляется при постоянной энтропии.

Для того чтобы процесс был максимально приближен к обратимому, есть два способа перемещения поршня: изотермический — это означает, что тепло постепенно поступает или выходит из резервуара при температуре, бесконечно отличающейся от температуры газа в поршне, и адиабатический, при котором теплообмен вообще не происходит, газ действует, как пружина.

Таким образом, когда подводится тепло и газ расширяется, температура газа должна оставаться такой же, как и у источника тепла, при этом газ расширяется изотермически. Точно так же позже он будет сжиматься в цикле изотермически, с выделением тепла.

Чтобы выяснить эффективность, нужно проследить за полным циклом двигателя, выяснить, сколько он работает, сколько тепла забирается из топлива и сколько энергии теряется при подготовке к следующему циклу.

Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: диаграммы PV, показывающей соотношение давление-объем, и диаграммы TS, демонстрирующей пару температура-энтропия.

Для постоянной массы газа работа теплового двигателя представляет собой повторяющийся цикл, и его PV-диаграмма будет выглядеть замкнутой фигурой.

КПД тепловой машины

Тепловой двигатель Карно — это теоретическая модель идеального теплового двигателя, показывающая, как наилучший идеальный агрегат способен постоянно работать в цикле из четырех процессов, называемых циклом Карно.

Идеальный тепловой двигатель физика Карно работает на газовой среде, заключенной в цилиндре с поршнем. Газ берет энергию от источника тепла, расширяется и выталкивает поршень наружу. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с параметрами по давлению, объему и температуре, с которых начинал.

Карно показал, что максимальная эффективность, обозначаемая символом «η" - это коэффициент полезного действия, или КПД, может быть достигнута только тепловым двигателем Карно.

КПД теплового двигателя, можно определить формулой: η = (T h — T c) / T h или η = 1 — T c / T h, где:

η - эффективность работы теплового двигателя или КПД;
T h — температура горячего источника;
T c -температура холодного источника.

Заключение, к которому пришел Карно: эффективность двигателя, как реального, так и теоретического, зависит от максимальной Tmax и минимальной температуры среды Tmin, в которой он работает, и может быть описана формулой: η = (Tmax-Tmin) / Tmax

Другими словами, эффективный тепловой агрегат работает при максимально возможной разнице температур. Для этого нужно создать условия, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.

Для создания этих условий на практике, например, на тепловой станции, специально устанавливают градирни в виде большого водяного охладителя, для того чтобы максимально охлаждать конденсат от паровой турбины, в этом случае КПД станции значительно повышается, количество теплоты через парогенератор растет и снижается стоимость единицы выработки тепловой и электрической энергии.

Причины неэффективности

Нужно понимать — все существующие тепловые двигатели работают хуже, чем агрегат Карно, имеющий η = 1, что называют КПД теплового двигателя Карно. В этом смысле любая тепловая машина на практике является неэффективной, что можно объяснить тремя причинами:

Необратимость процессов. Согласно принципу Карно, ни одно устройство не может быть более эффективным, чем теоретический цикл Карно, при условии работы в режиме с одинаковыми высокотемпературными и низкотемпературными источниками.
Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах общая неэффективность реального цикла обусловлена потерями отдельных компонентов. В устройствах, таких как турбины, насосы и компрессоры, механическое трение, тепловые потери и потери в процессе сгорания определяют общий размер потерь и снижения эффективности.
Несовершенство технологического процесса. Это существенный источник неэффективности, он возникает из-за вынужденного компромисса, который принимают инженеры при проектировании реального двигателя. Он должны учитывать стоимость и другие факторы при разработке и эксплуатации машинах.

Реальные КПД у современных машин

На практике невозможно полностью преобразовать тепло в механическую энергию. Эффективность даже самых совершенных тепловых машин довольно низкая, обычно ниже 50%, а зачастую намного ниже. Тепловая эффективность различных машин, разработанных и используемых сегодня:

В середине XX века типичный паровоз имел КПД около 6%. Это означает, что на каждые 100 МДж сгоревшего угля вырабатывается только 6 МДж механической энергии.
Бензиновый автомобиль работает с КПД равным 25%. Около 75% отбрасывается в виде отработанного тепла.
Класс дизельных автомобилей работает на 35%, поэтому такие модификации более эффективны.
Судовые дизельные двигатели имеют КПД, превышающий 50%.
Современные атомные электростанции имеют КПД порядка 33%, поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется затратить 3000 МВт тепловой энергии, получаемой в результате деления ядер урана. Следующий путь увеличения КПД — это повышение параметров перегретого пара в парогенераторах, что требует увеличения давления внутри котлов и ограничено возможностями металлургии. Современные возможности технологии позволяют получать перегретый пар высокого давления температурой 500−560 С.
Угольные тепловые станции ТЭС с аналогичными параметрами перегретого пара с многоступенчатым подогревом на турбогенераторе могут достигать КПД 48%.

Человечество с момента изобретения паровой машины Джеймсом Уаттом в 1769 году борется за каждый дополнительный процент КПД.

Самое большее что удалось достигнуть — это современные газотурбинные установки с комбинированным циклом из двух циклов Брайтона и Ренкина, с максимальным КПД тепловой машины порядка 55%, в отличие от одного парового цикла на ТЭЦ, которая ограничена КПД 35−48%.

Читайте также: