В паровой турбине энергия переходит через несколько этапов и преобразуется из одной формы в другую. Чтобы понять, какие именно превращения энергии происходят в паровой турбине, рассмотрим принцип её работы и основные виды энергии, которые участвуют в этом процессе.
1. Химическая энергия топлива
На начальном этапе паровая турбина получает теплоту от сгорания топлива (уголь, природный газ, мазут или ядерное топливо), если речь идет о тепловой электростанции. Теплотворная способность топлива — это количество химической энергии, которая выделяется при его сгорании. В случае использования ядерной энергии, химическая энергия топлива также преобразуется в теплоту через реакции деления атомных ядер.
2. Тепловая энергия
При сгорании топлива выделяется большое количество тепла, которое нагревает воду в котле до состояния пара. Таким образом, химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию, которая используется для нагрева воды до температуры, превышающей температуру кипения, и образования высокотемпературного пара.
Водяной пар, образующийся в котле, имеет высокую энтальпию (количество тепла, которое передается при переходе воды в пар) и при этом находится в состоянии высокоскоростных молекул с большой внутренней энергией.
3. Тепловая энергия пара
Пар, имеющий высокую температуру и давление, поступает в турбину. В этом случае тепловая энергия пара используется для выполнения работы. Пар, поступая в турбину, расширяется, и при этом его давление и температура снижаются. Этот процесс происходит за счет того, что энергия пара передается лопаткам турбины.
4. Механическая энергия (работа)
Когда пар расширяется и движется через лопатки турбины, он начинает вращать ротор. В этот момент тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения. Каждая лопасть турбины получает импульс от пара, что приводит к вращению ротора. Это механическое вращение используется для приведения в движение генератора, который вырабатывает электричество.
5. Энергия кинетическая пара
Кинетическая энергия пара также играет важную роль. Когда пар движется с высокой скоростью через турбину, его кинетическая энергия частично передается на лопатки турбины, что способствует вращению. Однако, в процессе расширения пара его скорость постепенно уменьшается, и кинетическая энергия становится всё менее значимой.
6. Теплотворная энергия при конденсации
После прохождения через лопатки турбины пар охлаждается, конденсируется в конденсаторе и превращается в воду, которая возвращается обратно в котел. Процесс охлаждения пара в конденсаторе сопровождается передачей остаточной теплотворной энергии в окружающую среду через систему охлаждения. Конденсированная вода снова поступает в котел, где она нагревается, превращается в пар, и цикл повторяется.
7. Потери энергии
Несмотря на то, что большая часть энергии преобразуется в полезную работу (механическую энергию вращения турбины), существуют неизбежные потери энергии:
Тепловые потери: из-за несовершенства теплотехнических процессов часть энергии теряется в виде тепла в окружающую среду. Это происходит из-за ограничений на КПД тепломеханических процессов.
Механические потери: из-за трения в механизмах турбины и других элементов конструкции также происходит потеря части механической энергии.
Энергия, уносимая выбросами: из-за того, что система не является абсолютно герметичной, часть энергии уходит в виде выбросов газа в атмосферу.
Заключение
Таким образом, в паровой турбине происходит несколько превращений энергии:
Химическая энергия топлива преобразуется в теплоту.
Тепловая энергия преобразуется в теплоту пара.
Тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения турбины.
Кинетическая энергия пара частично преобразуется в механическую работу.
Часть энергии теряется в виде тепла и других потерь.
В итоге паровая турбина является механизмом, который эффективно превращает теплоту в механическую работу, но её КПД зависит от множества факторов, таких как температура, давление, свойства материалов и конструктивные особенности устройства.
