Термодинамические циклы теплоэнергетических установок

 
 
 
 
 
В. Д. Галдин 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ  
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.311.22 
ББК 31.37 
Г15 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор (ОмГУПС) В. Р. Ведрученко; 
д-р техн. наук, профессор (ОмГАУ) П. А. Лисин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Галдин, В. Д.  
Г15     
Термодинамические  циклы  теплоэнергетических  установок : учебное пособие / В. Д. Галдин.   Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024.  
116 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1611-5 
 
Рассмотрены основные понятия и законы термодинамики, термодинамические 
процессы изменения состояния идеального газа, воды и водяного пара. Представлены 
циклы паросиловых и газотурбинных установок, поршневых двигателей внутреннего 
сгорания. Приведены схемы парогазовой установки и установки для комплексного производства теплоты и твердого диоксида углерода. Приведены примеры расчета теплоэнергетических установок и их элементов. 
Для студентов бакалавриата и магистратуры по направлению «Теплоэнергетика 
и теплотехника» при выполнении практических занятий, курсового проектирования и 
самостоятельной работы по дисциплине «Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок». 
 
УДК 621.311.22 
ББК 31.37 
  
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1611-5 
” Галдин В. Д., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 5  
1. ТЕРМОДИНАМИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 
............... 6 
1.1. Основные понятия и законы термодинамики ...................................... 6  
1.2. Термодинамические процессы изменения состояния  
идеального газа 
.............................................................................................. 9   
1.3. Термодинамические свойства воды и водяного пара 
........................ 13  
1.3.1. Термодинамические свойства паров 
.............................................. 13 
1.3.2. Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении 
......... 14  
1.3.3. Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара ........................ 15 
1.3.4. Основные термодинамические процессы водяного пара 
............. 20 
Контрольные вопросы 
................................................................................. 23 
2. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК .......................................... 24 
2.1. Схема тепловой электрической станции ............................................ 24 
2.2. Схема котельной установки ................................................................ 27 
2.3. Тепловые схемы теплогенерирующих установок ............................. 32 
2.3.1. Принципиальная тепловая схема производственноотопительной теплогенерирующей установки ..................................... 32  
2.3.2. Принципиальная тепловая схема отопительной  
теплогенерирующей установки с водогрейными котлами .................. 35 
2.4. Паросиловые установки 
....................................................................... 37 
2.4.1. Цикл паросиловой установки – цикл Ренкина ............................ 37 
2.4.2. Цикл паротурбинной установки с регенерацией ........................ 41 
2.4.3. Цикл паротурбинной установки с промежуточным  
перегревом пара ....................................................................................... 42 
2.4.4. Теплофикационный цикл паросиловой установки ..................... 44 
2.5. Газотурбинные установки ................................................................... 45 
2.5.1. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении 
................ 46 
2.5.2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме 
.................... 47 
2.5.3. Цикл с регенерацией теплоты 
....................................................... 49 
2.6. Поршневые двигатели внутреннего сгорания ................................... 51 
2.6.1. Цикл двигателя с изохорным подводом теплоты ....................... 52 
2.6.2. Цикл двигателя с изобарным подводом теплоты 
........................ 56 
2.6.3. Цикл двигателя со смешанным подводом теплоты .................... 60 
2.6.4. Цикл турбопоршневого двигателя ............................................... 63 
2.7. Комбинированные силовые установки 
............................................... 64 
2.7.1. Парогазовая установка .................................................................. 64 
2.7.2. Установка для комплексного производства теплоты  
и твердого диоксида углерода ................................................................ 65 
Контрольные вопросы 
................................................................................. 68 
 
 
3 

3. РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ И ЭЛЕМЕНТОВ 
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ........................................................ 69 
3.1. Расчет паросиловых установок ........................................................... 69 
3.2. Расчет газотурбинных установок 
........................................................ 97 
3.3. Расчет поршневых двигателей внутреннего сгорания ...................... 99 
       
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ 
....................................................................... 101 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................... 107 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ .......................................................................................... 108 
 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Жизнь современного человека на Земле немыслима без использования электрической энергии и теплоты. Для их производства используются 
природные энергетические ресурсы, большая часть которых связана  
с солнечной энергией. Сюда относятся химически связанная энергия органических топлив (ископаемых углей, нефти, природного газа, торфа, дров), 
гидравлическая энергия падающей воды рек, энергия ветра и непосредственно солнечного излучения. Мировые запасы органического топлива 
оцениваются следующим образом: уголь  220330 лет; газ  3560 лет; 
нефть  2550 лет. 
Одной из основных тенденций мирового топливно-энергетического 
баланса является снижение доли нефти для генерации тепловой и электрической энергии, связанное с увеличением глубины ее переработки.  
В то же время наблюдается снижение темпов роста доли атомной энергетики в мировом балансе.  
В целом, в перспективе ближайших 4050 лет прирост генерирующих 
мощностей в мире будет обеспечиваться в немалой степени за счет тепловых электрических станций (ТЭС) на органическом топливе, в том числе 
и за счет более широкого использования низкосортных топлив. 
Наибольшее распространение в энергетике в настоящее время получили 
ТЭС, на которых тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании органических топлив, преобразуется в электрическую энергию. На их долю приходится около 75 % вырабатываемой электроэнергии на Земле и около 80 % производимой электроэнергии в России. Основным назначением ТЭС является выработка электроэнергии для освещения, транспорта, коммунального 
хозяйства и бытовых нужд, а также снабжение жилых домов, учреждений 
и предприятий теплом для отопления зимой и горячей водой для коммунальных и бытовых целей или паром для производства.  
Для выработки электрической и тепловой энергии используются теплоэнергетические установки на основе паросиловых и газотурбинных 
циклов, поршневых двигателей внутреннего сгорания и комбинированных 
(когенерационных) установок. 
Термодинамический анализ циклов теплоэнергетических установок 
основывается на первом и втором законах термодинамики и позволяет выяснить предельную эффективность установки и наметить пути совершенствования элементов установки, улучшение которых способно повлиять 
на рост общей эффективности.  
 
 
 
 
5 

1. ТЕРМОДИНАМИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 
 
1.1. Основные понятия и законы термодинамики 
 
Формулировка и общее математическое выражение первого закона термодинамики. Первым законом термодинамики называют закон 
сохранения и превращения энергии – энергия не возникает из ничего и не 
исчезает, а переходит из одного вида в другой.  
Теплота q (Q) перехода в термодинамическом процессе расходуется 
на изменение внутренней энергии 'u ('U) и совершение работы w (W).  
Математическое выражение первого закона термодинамики в удельных (Дж/кг) и абсолютных (Дж) величинах:  
 
q = 'u + w   или    Q = 'U + W, 
 
в дифференциальных формах: 
 
dq = du + dw;    dq = du + pdX;   dQ = dU + dW. 
 
Выражение pdX характеризует работу изменения объема. 
Вторая форма математического выражения первого закона термодинамики: 
 
dq = dh + dl;   dq = dh  Xdp;   q = h + l, 
 
т. е. теплота перехода в термодинамическом процессе расходуется на повышение энтальпии рабочего вещества h и совершение работы l. Выражение Xdp характеризует техническую работу (работу на валу). 
Понятие об основных термодинамических процессах. Термодинамический процесс  это непрерывное изменение состояния рабочего вещества, характеризуемое изменением численных значений параметров состояния. Его можно изобразить графически в координатах параметров состояния, например р и X (V) (рис. 1.1). На диаграмме состояния могут быть 
изображены только обратимые процессы. Однако в тех случаях, когда 
возникает необходимость сравнить обратимое и необратимое протекание 
процесса, используется пунктир. 
Различают четыре основных процесса: 
– изотермический – при постоянной температуре (Т = const); 
– изобарный – при постоянном давлении (р = const); 
– изохорный – при постоянном объеме (X = const); 
– адиабатный – без теплообмена с внешней средой (dq = 0). 
 
Графики этих процессов для расширения газа приведены на рис. 1.1. 
Замкнутый термодинамический процесс 1-а-2-b-1, т. е. процесс, при 
котором рабочее вещество, пройдя через ряд состояний, возвращается  
 
 
6 

в первоначальное состояние, называется термодинамическим циклом.  
Для цикла изменение внутренней энергии 'u = 0 и уравнение первого закона термодинамики принимает вид q = w, т. е. теплота q, использованная 
в цикле, целиком превращается в работу, а при обратном протекании цикла, наоборот, работа превращается в теплоту.  
p 
p = const 
1 
a 
T = const 
dq = 0 
2 
b 
X = const 
V 
 
 
Рис. 1.1. Основные термодинамические 
процессы и термодинамический цикл 
 
Параметры и уравнения состояния рабочего вещества. Для превращения различных видов энергии нужны и различные рабочие вещества. Изменение состояния рабочего вещества в термодинамическом процессе фиксируется независимыми параметрами, число которых определяется характером системы. 
Температура характеризует интенсивность теплового движения частиц в системе. 
Шкала температур, отсчет которой начинается от точки абсолютного 
нуля температуры, называется абсолютной шкалой, единица измерения 
температуры – кельвин (К). 
В практической шкале (стоградусной) температура 0 °С соответствует 
постоянной точке плавления химически чистого льда, а 100 °С  постоянной 
точке кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст). 
Соотношение температур по практической t и абсолютной Т шкалам: 
 
Т = 273,16 + t. 
 
Давление газа на стенки сосуда есть результат ударов о них молекул. 
Давление измеряется в паскалях (Па = Н/м2).  Поскольку эта единица мала 
(1 кгс/см2 = 1 атм = 0,98ā105 Па),  удобнее  использовать  1 кПа = 1000 Па 
и  1 МПа = 106 Па.  Старые единицы связаны с паскалем соотношения- 
ми 1 бар = 750 мм рт. ст. = 1,02 атм = 105 Па. 
Пружинные и жидкостные манометры обычных конструкций измеряют разность между полным (абсолютным) давлением среды ра и атмосферным (барометрическим) давлением рб. Эта разность называется из 
 
7 

быточным давлением: ри = ра – рб. Если давление в емкости ниже атмосферного, то говорят, что в нем вакуум.  
Удельный объем X представляет собой объем единицы массы и выражается в м3/кг. 
Плотность U – масса единицы объема, кг/м3,  U = 1/X. 
Уравнение состояния идеального газа Клапейрона  Менделеева для m 
кг газа: 
 
рV = mRT, 
 
где  V – объем, занимаемый газом;  
Т – температура;  
R = RP /P  газовая постоянная, Дж/(кгāК);   
RP = 8314, 41 Дж/(кмольāК) – универсальная газовая постоянная;  
P – молекулярная масса газа, кг/кмоль. 
 
Уравнение состояния газа для 1 кг газа: 
 
рX = RT. 
 
Уравнения состояния идеального газа можно применять в расчетах 
для реальных газов при низких давлениях и высоких температурах. 
Уравнения состояния реальных газов, учитывающие размер молекул, 
силы взаимодействия между ними, образование комплексов молекул  ассоциаций (при высоких давлениях) и пр. имеют сложный вид и в практике 
расчетов обычно не применяются – на их основании создаются таблицы.  
Энтальпия – термодинамическая функция, имеющая смысл полной 
энергии системы. Она складывается из внутренней энергии u и энергии 
рX, обусловленной наличием внешнего давления окружающей среды р: 
 
h = u + pX. 
 
Теплоемкость и ее виды. Теплоемкостью с называют количество 
теплоты q, которое нужно подвести к 1 кг рабочего вещества для изменения его температуры на 1 градус:  
 
сm = q /'T,  c = dq / dT. 
 
В зависимости от способа измерения единицы количества вещества, 
характера термодинамического процесса и величины интервала температур различают:  
 теплоемкости массовую с, [Дж/(кгāК)] и объемную с', [Дж/(м3āК)]; 
 теплоемкость при постоянном давлении (изобарную) ср и теплоемкость при постоянном объеме сX . Установлено, что ср – сX = R.  Отношение к = cp / сX  называют показателем адиабаты;  
 
 
8 

 истинную теплоемкость, соответствующую бесконечно малому интервалу температур: с = dq / dT и среднюю теплоемкость, соответствующую конечному интервалу изменения температуры: сm = q / (T2 – T1). 
 
Формулировка и общее математическое выражение второго закона термодинамики. При рассмотрении положений второго закона термодинамики чаще всего исходят из постулатов (аксиом), основанных на 
частных соображениях о работе тепловых двигателей. 
Существует много эквивалентных друг другу формулировок второго 
закона, например: 
 «Теплота может переходить сама собой только от горячего тела к 
холодному; для обратного перехода надо затратить работу» (Р. Клаузиус, 
1850 г.); 
 «Все естественные процессы являются переходом от менее вероятных к более вероятным состояниям» (Л. Больцман, 18701876 гг.).  
Математическое выражение второго закона термодинамики для обратимых процессов имеет вид: 
 
dq = T ds, 
 
для необратимых процессов:  
dq < T ds. 
 
Энтропия s – параметр состояния такой же, как и давление р, температура Т, плотность U, энтальпия h и т. д. Энтропию нельзя измерить, ее 
смысл затруднительно продемонстрировать с помощью наглядных пособий, но можно понять по ряду интерпретаций. 
 
1.2. Термодинамические процессы изменения состояния 
идеального газа 
 
Все возможные термодинамические процессы изменения состояния 
идеального газа, в которых скорость движения газа пренебрежительно мала, могут быть описаны одним уравнением при допущении, что процессы 
обратимы и теплоемкость при их протекании постоянна. 
Обобщенный процесс называется политропным: 
 
 
,
const
 
n
pX
 
(1.1) 
 
где   n – показатель политропы. 
 
Анализ термодинамических процессов осуществляется обычно с целью установления связи между параметрами и для определения количеств 
работы, теплоты, изменения энтальпии, внутренней энергии, энтропии. 
 
 
9 

Для этого используют уравнения первого закона термодинамики, состояния и процесса.  
Рассмотрим уравнения для политропного процесса. 
1. Уравнение политропного процесса: 
 
const
 
n
pX
. 
 
2. Связь между параметрами: 
  
n
1
2
.
§
 X
X
 
2
1
·
¨
¨
©
p
p
¸
¸
¹
 
Используя уравнение состояния 
RT
p
 
X
, можно получить: 
 
1

n
1

1
n
n
1
1
2
;
§
 
§
 
 
T
T
X
X
    
.
p
p
T
T
2
1
2
2
·
¨
¨
©
¸
¸
¹
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
 
3. Показатель политропы, если известны параметры состояния двух 
точек процесса, из (1.1):  
 



.
/
lg
/
/
lg
1
2
2
1
X
X
p
p
n  
 
 
4. Изменение внутренней энергии в любом процессе идеального газа: 
 
T
c
u
d
d
X
 
  или   

.
1
2
T
T
c
u

 
'
X
 
 
5. Изменение энтальпии: 
 
T
c
h
pd
d  
  или   

.
1
2
T
T
c
h
p

 
'
 
 
6. Работа расширения: 
 
X
X
2
2
1
1
n


 
 
 
³
³
 

.
1
1
d
d
1
1
2
2
2
X
p
p
n
p
p
w
n
X
1
X
X
X
X
X
X
1
 
7. Теплоемкость политропного процесса:  
 

 
.
1
/


 
n
k
n
c
cn
X
 
 
8. Количество теплоты в процессе: 
 
T
c
q
d
d
X
 
  или   

.
1
2
T
T
c
q

 
X
 
 
9. Изменение энтропии: 
T
2
T
q
s
/
d
d  
  или   

.
/
ln
/
d
1
2
³
 
 
'
T
n
n
T
T
c
T
T
c
s
 
1
 
 
10