Opracował: dr inż. Jerzy Kuś

Teoria maszyn cieplnych

06. Siłownie parowe

- streszczenie

Obieg Carnot’a nie jest odpowiednim modelem dla parowych obiegów silnikowych, po-

nieważ trudno byłoby go zrealizować w praktyce, nawet w przybliżeniu. Modelowym obie-
giem dla parowych obiegów silnikowych jest obieg Rankine’a, który składa się z czterech we-
wnętrznie odwracalnych procesów: doprowadzania ciepła przy stałym ciśnieniu w kotle, izen-
tropowej ekspansji w turbinie, wyprowadzaniu ciepła przy stałym ciśnieniu w skraplaczu,
izentropowej kompresji w pompie. Para opuszcza skraplacz jako nasycona ciecz wodna przy
ciśnieniu panującym w skraplaczu.

Sprawność termiczną obiegu Rankine’a obliczamy z zależności

2

3

1

2

4

3

,

)

(

)

(

i

i

i

i

i

i

R

t

-

-

-

-

=

h

gdzie i

1

– jest entalpią nasyconej cieczy wodnej przed pompą, i

2

– jest entalpią cieczy wodnej

za pompą, i

3

– jest entalpią pary wodnej za kotłem, i

4

– jest entalpią mieszaniny cieczy i pary

wodnej za turbiną. Wszystkie entalpie wyrażane są w kJ/kg.

Sprawność termiczną obiegu Rankine’a może być zwiększona przez zwiększenie średniej

temperatury, przy której ciepło jest dostarczane do czynnika roboczego i/lub przez zmniejsze-
nie średniej temperatury, przy której ciepło jest wyprowadzane (w skraplaczu) do czynnika
chłodzącego. Średnia temperatura podczas wyprowadzania ciepła może być zmniejszona
przez obniżenie ciśnienia na wylocie z turbiny. Z tego powodu ciśnienie w skraplaczu więk-
szości silników (siłowni) parowych w elektrowniach jest znacznie mniejsze od ciśnienia at-
mosferycznego. Średnia temperatura podczas doprowadzania ciepła może być zwiększona
przez podniesienie ciśnienia w kotle lub przez przegrzanie płynu do wyższej temperatury.
Jednak, stopień przegrzania jest ograniczony, ponieważ temperatura płynu nie może prze-
kroczyć wartości bezpiecznej ze względu na własności mechaniczne elementów kotła.

Dodatkową zaletą przegrzewania jest zmniejszanie zawartości cieczy w parze opuszcza-

jącej turbinę. Jednak obniżenie ciśnienia na wylocie z turbiny lub zwiększenie ciśnienia w
kotle zwiększa zawartość cieczy w parze opuszczającej turbinę. Dlatego wykorzystując po-
prawę sprawności przy wyższym ciśnieniu w kotle i niższym ciśnieniu w skraplaczu, para jest
zazwyczaj ponownie podgrzewana (w kotle) po częściowej ekspansji w wysoko-ciśnieniowej
turbinie. Jest to realizowane przez skierowanie pary, po częściowej ekspansji w wysoko-
ciśnieniowej turbinie, do kotła gdzie jest przegrzewana przy stałym ciśnieniu i ponowne jej
skierowanie do nisko-ciśnieniowej turbiny w celu doprowadzenia procesu ekspansji do ciś-
nienia panującego w skraplaczu. Ten sposób zwiększania sprawności termicznej obiegu
nazywany jest przegrzewaniem międzystopniowym. Średnia temperatura podczas procesu
przegrzewania międzystopniowego, a zatem sprawność termiczna obiegu, mogą być zwię-
kszone przez zwiększenie liczby stopni ekspansji i przegrzewania. Gdy ilość stopni zwiększa
się procesy ekspansji i przegrzewania przybliżają proces izotermiczny przy maksymalnej tem-
peraturze. Przegrzewanie międzystopniowe również zmniejsza ilość cieczy w parze opusz-
czającej turbinę.