ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ КПД ТЕПЛОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

 

Как показал Карно в 1824 году, термический КПД теплового двигателя при обратимых термодинамических процессах, осуществляемых рабочим телом между источником работы и окружающей средой, равен:

. (37)

Здесь Т₁ –температура горячего источника тепловой энергии; Т₀– температура окружающей среда. Максимальная работа рабочего тела

(38)

или эксергия рабочего тела

. (39)

В общем случае, для любых параметров рабочего тела

. (40)

Эксергия источника работы вытекает из выражения (37) и равна

. (41)

Действительные круговые процессы, осуществляемые в современных тепловых двигателях, не являются круговыми процессами Карно, т.к., сопровождаются внешней и внутренней необратимостями.

Процессы расширения и сжатия рабочего тела в современных тепловых двигателях происходят с трением; процессы подвода и отвода тепла между источниками и рабочим телом происходят при разности температур. Таким образом, все процессы являются необратимыми и сопровождаются эксергетическими потерями. В таком случае эффективный КПД теплового двигателя равен:

, (42)

где – подведенное тепло к рабочему телу от источника работы; –полезная, действительная работа теплового двигателя.

Эффективный КПД теплового двигателя можно записать в виде:

. (43)

Величина действительной полезной работы может быть определена из выражения:

, (44)

где – сумма эксергетических потерь в тепловом двигателе.

Величина отношения действительной работы теплового двигателя или теплосиловой установки к максимальной работе равна:

(45)

и выражает степень совершенства протекания действительных процессов втеплосиловой установке.

Коэффициент может изменяться от 0 до 1.

Отсюда следует, что для определения действительной работы необходимо определить сумму эксергетических потерь в теплосиловой установке. Из выражения (43) эффективный КПД равен:

. (46)

Потеря рабочим телом и источником работы работоспособности в каждом элементе паросиловой установки равна:

. (47)

В случае если это теплообменный аппарат, в котором работа не производится, потеря работоспособности равна:

. (48)

Эксергетический КПД теплообменника

, (49)

где , – эксергия выхода и входа нагреваемого вещества; , – эксергия входа и выхода греющего вещества.

 

9. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОТЕРЬ В ЭЛЕМЕНТАХ
ПАРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

 

1) Эксергетические потери в котлоагрегате и эксергетический КПД котлоагрегата.

Эксергия пара после котла по уравнению (40) равна:

(50)

Необходимо использовать параметры пара непосредственно за котлом и параметры окружающей среды = 1 бар; = 10°С; = 42,3 кдж/кг; = 0,15 кдж/кг*гр.

Для определения эксергии питательной воды, поступающей в котел, по уравнению (41)

, (51)

необходимо использовать параметры питательной воды, поступающей в котел .

Тепло, выделяемое при сгорании топлива в котле, равно:

. (52)

При температуре продуктов сгорания = 2000°С термический КПД обратимого цикла Карно равен:

(53)

Эксергия источника работы, согласно уравнению (28)

. (54)

Эксергетические потери в котле

(55)

Эксергетический КПД котла

(56)

Здесь – паропроизводительность парового котла, кг/ч;

- расход топлива, кг/ч;

- эксергия топлива, кДж/ч;

- эксергия питательной воды, поступающей в котел, кДж/кг;

- эксергия пара после котла, кДж/кг.

2) Эксергетические потери в паропроводе и КПД паропровода.

Эксергия пара на входе в паропровод равна эксергии на выходе из котла:

. (57)

Эксергия пара на выходе из паропровода определяется по параметрам пара перед турбиной

. (58)

Эксергетическая потеря в паропроводе равна:

. (59)

Эксергетический КПД паропровода равен:

. (60)

3) Эксергетическая потеря в турбине и КПД турбины:

а) эксергия пера перед турбиной равна эксергии на выходе из паропровода:

. (61)

В связи с тем, что количество пара, протекающего через проточную часть турбины, меняется, потерю эксергетическую определим по участкам с одинаковым расходом пара.

Эксергия пара 1-го отбора

. (62)

Полезная работа пара в турбине на участке ступеней турбины до 1-го отбора

. (63)

 

Потеря работоспособности пара на участке до 1-го отбора

(64)

б) эксергия пара II-го отбора

. (65)

Полезная работа пара в турбине на участке между I-м и II-м отборами

. (66)

Потеря работоспособности пара на этой участке равна:

(67)

в) эксергия пара в III-м отборе

. (68)

Полезная работа в турбине на участке между II-м и III-м отборами

. (69)

Потеря работоспобности пара на этой участке равна:

(70)

г) эксергия пара на выхлопе турбины

. (71)

Полезная работа в турбине между III-м отбором и выходом пара из турбины

. (72)

Потеря работоспособности пара на этом участке

. (73)

д) Суммарная потеря работоспособности пара в турбине

. (74)

Потери работоспособности пара в турбине обуславливается необратимым характером течения пара из-за трения пара в проточной части турбины, трения в механизмах турбины, из-за механических и электрических потерь в генераторе.

 

е) КПД турбины

; (75)

4) Эксергетическая потеря в конденсаторе.

Эксергия пара, поступающего в конденсатор, равна эксергии пара на выходе из турбины:

. (76)

Эксергия конденсата пара, поступающего из 1-го подогревателя в конденсатор:

. (77)

Эксергияконденсата на выходе из конденсатора:

. (78)

Указанные эксергии определяются по соответствующим параметрам для воды, найденные выше для 1-го подогревателя и для конденсатора.

Потеря работоспособности в конденсаторе

. (79)

5) Эксергетическая потеря в подогревателях.

Потеря эксергии в подогревателях определяется разностью эксергии между греющей и нагреваемой средами.

 

ПОДОГРЕВАТЕЛЬ № 3

Эксергия первого отбора пара определяется по (27)

. (80)

Эксергия конденсата греющего пара первого отбора

. (81)

Эксергия питательной воды на выходе из подогревателя № 3 по (40)

. (82)

Эксергия питательной воды на входе в подогреватель № 3

. (83)

Потеря эксергии пара в 3-м подогревателе

. (84)

 

ПОДОГРЕВАТЕЛЬ № 2

Эксергия сред, поступающих в подогреватель № 2

, (85)

где – энергия конденсата пара 1-го отбора; – энергия греющего пара 2-го отбора; – энергия питательной воды, поступающей из 1-го подогревателя в подогреватель № 2.

Эксергия питательной воды 1-го подогревателя.

. (86)

Эксергия питательной воды, выходящей из подогревателя № 2

. (87)

Потеря эксергии во 2-й подогревателе

. (88)

 

ПОДОГРЕВАТЕЛЬ № 1

Эксергию третьего отбора пара определяем по :

. (89)

Эксергия конденсата греющего пара третьего отбора

. (90)

Эксергия питательной воды на выходе из 1-го подогревателя

. (91)

Эксергия питательной воды на входе в 1-й подогреватель

. (92)

Потеря эксергии в 1-м подогревателе

. (93)

Сумма потерь эксергии во всех трех подогревателях составляет величину

. (94)

Эффективный КПД паросиловой установки:

а) Полная потеря работоспособности рабочего тела в паросиловой

установке равна:

; (95)

б)КПД действительных процессов, протекающих в паросиловой установке

; (96)

в)Эффективный КПД паросиловой установки

. (97)

 

10. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

 

1) Все расчеты и пояснения, а также графики должны быть представлены в виде сброшюрованных листов.

2) На титульном листе, помимо надписей, таких как на титуле методического указания, необходимо указать группу, курс, фамилию, инициалы, а также номер варианта.

3) Все итоговые результаты должны иметь обозначения размерности.

4) На все контрольные вопросы необходимо дать письменные ответы в конце работы.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Показать в Т-S диаграмме, какие процессы происходят в каждом элементе паросиловой установки.

2. Объяснить, в чем заключаются преимущества эксергетического метода анализа необратимых потерь.

3. Что такое эксергия?

4. Что такое внешняя необратимость?

5. Что такое внутренняя необратимость?

6. В каком элементе в рассматриваемой установке имеют место наибольшие эксергетические потери?

7. Что такое термический КПД цикла?

8. Чему равен термический КПД цикла Ренкина?

9. Чему равен термический КПД цикла Карно?

10. Чем отличаются и ?

11. Чему равен КПД регенеративного цикла?

12. Чему равен КПД предельно-регенеративного цикла?

13. Почему невозможно в поверхностных подогревателях нагреть воду до температуры насыщения пара?

14. Для какой цели в паросиловой установке устанавливают деаэратор?

15. Какая температура пара определяет нагрев воды в подогревателях?

16. Чему равен эксергетический КПД котла?

17. Чему равен эксергетический КПД подогревателя?

18. Что такое регенерация тепла в паросиловых установках?

19. Как определить эксергетический КПД градирни?

20. Объяснить связь термодинамической эффективности цикла и энерго-экологических показателей теплосиловой установки.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Вукалович М. П., Новиков И. И. Термодинамика. – М.: «Машиностроение», 1972. – 672 с.

2. Термодинаміка фізико-енергетичних процесів: Навч. Посібник / В. Г. Павловський, Г. І. Павловський. – Харків: НТУ «ХПІ», 2006. – 332 с.

3. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейдлин А. Е. Техническая термодинамика. – М.: «Наука», 1979. – 445 с.

4. Константинов С. М. Збірник задач з технічної термодинаміки. – К.: Вища шк., 2001. – 236 с.

 

Приложение. ЗАДАНИЕ К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ ПО КУРСУ «Термодинамика энергетических систем»

 

В паросиловой установке с начальными и конечными параметрами Р₁, t₁ и Р₂осуществлены 3 отбора пара на peгeнерацию тепла с давлениями Р₁ и Р_IIIв поверхностные подогреватели и Р_П в смешивающий подогреватель (деаэратор).

Найти h_t цикла, а так же h_t предельно регенеративного цикла. Температуру подогрева конденсаты турбины в поверхностных подогревателях принять на 6° ниже температуры насыщения греющего пара. Определить удельный расход пара и топлива, а так же удельный расход тепла.

Найти h_oi турбины в целом при заданных одинаковых h_oi по отсекам турбины. Вычислить потери в данном цикле методом КПД. Рассчитать потери работоспособности в данном цикле по отдельном элементам установки, пользуясь эксергетическим методом. В расчетах принять, что:

1. Температура греющих газов в котлоагрегате t = 2000°С.

2. Температура окружающей среды t_о = 10°С.

 

Таблица 1

№№ варианта	Р1 бар	t, °C	Р2 бар	О т б о р ы	N, кВт	, кдж/кг	hКУ	hПП	hOI	hM	hГ
Р1, бар	РII, бар	РIII, бар
			0,05		1,5	0,7			0,88	0,985	0,82	0,985	0,97
			0,04		1,4	0,6			0,86	0,985	0,81	0.89	0,96
			0,035		1,3	0,5			0,85	0,985	0,8	0,975	0,96
			0,03		1,2	0,4			0,84	0,985	0,79	0,97	0,955
			0,05		1,5	0,7			0,89	0,985	0,82	0,98	0,972
			0,04		1,4	0,6			0,88	0,985	0,81	0,895	0,97
			0,035		1,3	0,5			0,87	0,985	0,80	0,98	0,955
			0,03		1,2	0,4			0,86	0,985	0,79	0,98	0,96
			0,05		1,5	0,7			0,88	0,98	0,8	0,98	0,965
			0,06		1,4	0,6			0,87	0,98	0,79	0,98	0,965
			0,035		1,3	0,5			0,86	0,98	0,78	0,975	0,96
			0,03		1,2	0,4			0,85	0,98	0,77	0,975	0,96
			0,05		1,5	0,7			0,85	0,985	0,82	0,975	0,97
			0,04		1,4	0,6			0,86	0,985	0,81	0,98
			0,035		1,3	0,5			0,87	0,98	0,80	0,975	0,98
			0,08		1,2	0,4			0,83	0,98	0,79	0,97
			0,05		1,2	0,35			0,68	0,99	0,82	0,99	0,97
			0,04		1,3	0,4			0,87	0,99	0,81	0,99	0,97
			0,035		1,4	0,5			0,86	0,985	0,80	0,985	0,97
			0,03		1,5	0,6			0,85	0,985	0,97	0,98	0,965
			0,05		1,5	0,6			0,84	0,98	0,79	0,96	0,96
			0,04		1,4	0,5			0,83	0,985	0,79	0,98	0,965
			0,05		1,3	0,4			0,84	0,985	0,8	0,985	0,97
			0,03		1,2	0,35			0,85	0,99	0,81	0,99	0,97
			0,05		1,6	0,6			0,82	0,985	0,81	0,99	0,97
			0,04		1,5	0,6			0,81	0,985	0,80	0,99	0,97
			0,035		1,4	0,5			0,80	0,985	0,80	0,985	0,97
			0,03		1,3	0,4			0,81	0,985	0,79	0,985	0,965
			0,055		1,2	0,3			0,87	0,99	0,82	0,99	0,97
			0,045		1,3	0,45			0,86	0,99	0,81	0,99	0,97
			0,04		1,4	0,6			0,85	0,985	0,80	0,985	0,97
			0,035		1,5	0,5			0,84	0,985	0,97	0,98	0,965
			0,055		1,5	0,5			0,83	0,98	0,79	0,96	0,96
			0,06		1,4	0,4			0,82	0,985	0,79	0,98	0,965
			0,04		1,3	0,5			0,82	0,985	0,8	0,985	0,97
			0,04		1,2	0,4			0,83	0,99	0,81	0,99	0,97
			0,06		1,6	0,65			0,815	0,985	0,81	0,99	0,97
			0,05		1,5	0,65			0,80	0,985	0,80	0,99	0,97
			0,03		1,4	0,55			0,81	0,985	0,80	0,985	0,97
			0,04		1,3	0,45			0,82	0,985	0,79	0,985	0,965

Навчальне видання

 

Соловей Віктор Васильович

 

ТермодинамІКА енергетичних СИСТЕМ

 

Методичні вказівки самостійної роботи студентів

 

 

Російською мовою

 

В авторській редакції

Комп’ютерна верстка Кононенко І. Ю.

Макет обкладинки Дончик І. М.

 

Підписано до друку 04.09.08. Формат 60x80/16.

Папір офсетний. Друк ризографічний.

Умов. друк. арк. 3,02. Обл. вид. арк. 3,25

Наклад 80 прим. Ціна договірна.

 

 

61077, Харків, майдан Свободи, 4,

Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Видавництво ХНУ імені В. Н. Каразіна

 

Надруковано ФОП «Петрова І. В.»

61144, м. Харків, вул. Гв. Широнінців, 79 В, кв. 137.

Тел. 362-01-52

 

Свідоцтво про державну реєстрацію ВОО № 948011 від 03.01.03