Termodinamicheskie_osnovy_ciklov_teploen ergeticheskih_ustanovok_A.A._Aleksandrov (А.А. Александров - Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок), страница 12

Таким образом, в отличие от энергии, которая не исчезает, а лишь превращается из одной формы в другую, 5ксергил может уменьшаться при необратимых процессах. Потеря эксергии означает, что вследствие необратимости дополнительное количество энергии будет передано окружающей среде, где она имеет нулевую возможность преобразования ее в работу. Понятие эксергни дает возможность сопоставлять различные виды энергии по их ценности с точки зрения получения работы за их счет, а понятие потери эксергни позволяет судить о термодинамическом совершенстве процессов преобразования энергии.

Показателем термодинамического совершенства процесса служит эксергетическнй коэффициент полезного девствил, равный отношению эксергни, полученной в результате процесса е„,„, к затраченной эксергии е (6.6) 70 Полученная зксергня может быть или равна затраченной (в обратимом процессе), илн меньше нее на значение потерь Ье. Поэтому экссргетический КПД можно представить как т) = 1 — ТсФ ~с (6.7) Эксергетический КПД применим для анализа совершенства любых процессов и теплотехнических устройств. Так, можно говорить об эксергетическом КПД цикла, комбинированной установки для выработки электричества и теплоты в целях теплофикации, теплообменного аппарата, тепловой изоляции и др, В частности, применим его для оценки совершенства обратимого цикла Карно (рис.

6.6). В этом случае полученная эксергия есть работа цикла /и. затра- ченнаЯ эксеРгиЯ вЂ” зто эксеРгиЯ теплоты бп котоРаЯ в соответствии с (6.4) определяется как е, = пг — Т ~йш и эксергстн ческий К ПД з),„1„/(с/1 Тобз„) . Из графического представления этих составляющих в Т, з-диаграмме (рнс. 6.6) ясно, что т),„= !. Таким образом, эксергстнческнй к КПД любого обратимого цикла равен единице. Это означает, что такой цикл термодинамически совершенен и с помощью него в полной мере осуществляется преобразование теплоты в работу, возможное в заданных условиях.

Прнмср 3. Определить потсрго экссргин и экссргстичсский КПД газоводяиого подогрсаатсяя, в котором пм от начальной тсмпсратуры гг 300 "С охлажластся до гз $0 'С. а давление его пвлдст от р, = 105 кПа до рз 100 кПа (рис. 6.7). Вода иагрсаасгся от начальной температуры /з = 30 'С при р» 1 МПа до температуры /с = 160 'С при р 900 кйа Расчст провести для 1 кг воды.

Газы облалмст свойствамн воздуха. Температура окрузмеимй среды Тс = 293,15 К. Рсигегсие. Для решения используям выражснис (6.7). При этпч определим свойства рабочих тел в начальном и конечном состокниях. Для газа из табл. П! нли справочника (2) имеем: аг =579,05 кДж/хг; зс 7,3637 кДхс/(кт' К): /гз 353,73 кдж/кг; зза 6,8685 гдж/(кг К). Для воды из табл.

ПЗ нли справочника 18) имеем: /гз 126,7 кДж/кг; г 0,4365 кДхс/(кг К): /гс 675,7 кДж/кг; зс = 1,9424 кДж/(кг К). Определим расход газа в расчете на 1 кг воды: т„= (/㻠— /гзу(/гг — /гг) (675,7- 126,7у(579,05 — 353,73) 2,4365 кгlкг. Найдем изменение энтропии системы по формуле й5, Ю, + сьзк Для этого в соответствии с (2.5) вычислим измснскнс энтропии гвзвс а с сьз„= т (зз -гз) т,(гз-гг -Л!прз/рс) 2,4365(6,8685 — 7,3637 — 0:,287!и!00/105) — 0,4812 2,4365 = -1,1724 кДлс/К.

71 3 ! з ° — — Вгв 'Рве. 6.7 Рве. 6.6 Изменение энтропии воды рассчитаем как М, ю,(зс —;гз) ! . (1,9424 — 0,4365) 1,5059 кДм/К Измененне знтропнн снстемы !"з М, + М, .-1,1724 + 1,5059 0.3335 кДмгК. Потерю зксергнн вычислим по формуле Гюи — Сгодола (6.5): ЬЕ = ТгДБв, 293,15 0,3335 97,77 кДж. Длв определенна экссргстического КПД найдем затрату эксергни по выраненню (6.2): Е (Ь вЂ” Ь вЂ” Тв(зг — 3)) " Л(Л1 — Ю- Та(-ЬЯ„)) = = 2.4365((579.05 — 353.73) — 293,15 1,1724) = З)5,3 кДвс.

Экссргстнчсскнй КПД подогрсавтелв г)„1 — ТсДЕ ~Е ! — 97,77/Ю5,3 = 0,524. Глава 7 ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Паротурбинные установки (ПТУ) составляют основу современной энергетики. Они применяются как на обычных тепловых, так и на атомных электростанциях. Работа их базируется на осуществлении прямого термодинамического цикла преобразования теплоты, полученной при сгорании топлива или в результате ядерной реакции, в работу турбины (а затем в электроэнергию) с использованием в качестве рабочего тела воды и ее пара. Эффективность работы паротурбинной установки зависит от конфигурации осуществляемого термодинвмического цикла„параметров используемого водяного пара и качества изготовления каждого из ее агрегатов. В этой главе рассмотрим влияние этих факторов.

7Х. Цикл Ренкина Схема простой паротурбннной установки показана на риску.1. В этой установке перегретый водяной пар, приготовленный в паровом котле ПК, с давлением р~ и температурой 11 поступает на вход паровой турбины У. 'Здесь кинетическая энергия водяного пара, приобретенная им при адиабатном расширении в соплах, на рабочих лопатках преобразуется в механическую работу турбинного вала, а затем с помощью соединенного с ним электрического генератора à — в электроэнергию. По выходе из турбины влажный пар с давлением рз поступает в конденсатор К, где, отдавая теплоту охлаждающей воде, полностью конденсируется при постоянном давлении.

Получившаяся вода в насосе Н адиабатно сжимается до давления р, и подается в котел, в котором она, получая теплоту от горячих газообразных продуктов сгорания топлива, нагревается при топливо постоянном давлении до кипения вом и испаряется, а образовавшийся т. Г нар перегревается до первоначальной температуры 1,. Таким обраОхла о зом цикл замыкается, а получен- Газы К ный перегретый пар снова направляется в турбину, и цикл повтоз ряется. ждааащва яа Рис, 7л сс с Рис. 7.2 Рис.

7З а рис. 7.2 — 7,4 цикл, совершаемый водой и водяным паром в турбинной установке, представлен в различных термодипамиих диаграммах. При построении их принято, что цикл является льным обратимым, т.е. все составляющие его процессы обрати- В нем теплообмен между рабочим телом и источниками теплоюуществляется при бесконечно малой разности температур, в юм процессе отсутствуют потери теплоты и давления, т.е.

отгвует трение. На всех этих диаграммах линия 1 — 2 представляет ~есс обратимого адиабагного расширения пара в турбине, явцийся в этом случае, согласно уравнению (2.18), процессом нтропным. Линия 2 — 2' соответствует изобарному (а в двухфазобласти он является и изотермическим) процессу отвода теплопри конденсации влажного пара. Обратимый адиабатный (т.е, тоже изоэнтропный) процесс сжа- 7 тия воды в насосе представлен линией 2' — 3, а все последующие стадии подвода теплоты и, для получения перегретого пара в котле (нагрев воды до кипения, парообразование, пес регрев) изображаются различными участками изобары 3 — 1. Цикл, состоящий из двух адиабат и двух изобар, называется циклон Редкина, Как было сказано в гл.

2, эффек- /2 тивность преобразования теплоты в работу в обратимом цикле характеризуется термическим КПД, опредеРис. 7.4 ляемым по формуле (2.10). Работа данного цикла 1„является разностью полученной в турбина 1, и за- траченной в насосе !„работ. Поэтому выражение для термического КПД цикла примет вид Еа 1,— 1„ П Ч~ Ч~ (7. () Все процессы, составляющие цикл паротурбинной установки, происходят в потоке вещества. Поэтому при анализе их следует применять уравнение первого закона термолинамикн для потока (К26) и работы турбины и насоса рассматривать как техническую работу 1 „. В этом случае работа процесса адиабатного расширения пара в турбине при условии равенства кинетической энергии его на входе в турбину и выходе из нее определяется как (7,2) При том же условии абсолютная величина работы алиабатиого процесса сжатия воды в насосе (знак «минус» уже учтен в (7.))) со- ставит 1„— Ьз — Е~з" (7.3) Тогда термический КПД цикла Ренкина может быть представлен как Эначения энтальпий, входящих в эту формулу, могут быть найдены с помощью таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара (85 или вычислительной программы (41.

Отметим также, что работу сжатия воды в насосе приближенно можно вычислить, считая воду малосжимаемой жидкостью и используя формулу (3.2): 1 = "г(р~ Рг) (7.5) где из, = 1,0002 мзЕкг. 7.2. Действительный цикл паротурбинной установки Термический КПД обратимого цикла Ренкина характеризует максимальную степень преобразования теплоты в работу в этом цикле.

В действительности же все процессы цикла неизбежно сопровождаются некоторыми потерями. Из них прежде всего следует учесть потери вследствие трения при течении потока пара в соплах и на лопатках турбины, а также при сжатии воды в насосе. При наличии 75 трения эти процессы являются необратимыми и, следовательно, весь цикл становится необратимым, Согласно второму закону термодинамики для необратимых процессов справедливо соотношение бз > дд1Т (см.