Диссертация (1025173), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При использовании эксергетическогометода необходимо определять все потоки эксергии в рассматриваемойсистеме. Это не всегда возможно.Энтропийный метод термодинамического анализа позволяет упроститьрасчет степени совершенства энергетических объектов, так как при егоиспользовании отпадает необходимость определения всех потоков эксергии.При известном или рассчитанном значении первичной организованной18энергии, выработанную организованную энергию или эксергию теплотыполучаютпутемединообразноговычитанияотвводимойэнергииэнергетических «потерь», имеющих место во всех узлах и элементахобъекта. Все «потери» вычисляются как произведение температурыокружающейсредынавеличинупроизводстваэнтропииизатемсуммируются, либо вычисляются сразу; суммарная «потеря» определяетсякак произведение температуры окружающей среды на сумму производстваэнтропий всех тел, участвующих во всех процессах исследуемой системы(или ее части).Впервые принцип возрастания энтропии в реальных (необратимых)процессах превращения энергии сформулировал Р.
Клаузиус в своихработах. Клаузиус ввел понятие суммарного приращения энтропии системы,которую он назвал «потерей работоспособности» [46]. Положительными онсчитал приращения, которые происходят сами собой и не требуют затратработы, а отрицательными – которые не могут протекать самопроизвольно.Для любого обратимого цикла в едином термодинамическом пространствевне зависимости от направления протекающих процессов и физическихсвойств рассматриваемых объектов интеграл по замкнутому контуру будетравен нулю:dq∫T=0(1.1)Именно величина S = ∫ dq была названа энтропией, из которой былоTдано выражение для теплоты: dq = TdS . Тогда же было показано, чтоэнтропия любого тела зависит только от параметров состояния и являетсяоднозначной, непрерывной и конечной функцией этих параметров.В расчете всегда фигурирует изменение энтропии при переходе из одногосостояния в другое, а численное значение отсчитывается от принятогоначального значения.
Таким образом, энтропию можно рассматривать, каксвойство объекта в том или ином состоянии. Это уникальное свойство былоположено в основу энтропийного анализа. В то же время эксергия19свойством рассматриваемого тела не является, так как зависит еще и оттемпературы стока теплоты, которая может быть любой. В этомзаключается неоднозначность определения эксергии и ее применениядля анализа низкотемпературных систем.Ж. Гюи [56] и А. Стодола [81] получили схожее с Клаузиусомвыражение для необратимых поточных процессов. Развитие термодинамикив конце девятнадцатого века и в первой половине двадцатого века,начавшееся работамиВ. Нерста [68], обосновавшего третье началотермодинамики, и М.
Планка [72], позволило разработать принципы иметоды анализа энергетических установок. Целью термодинамическогоанализа любой установки является оценка ее совершенства и определениепутей снижения энергетических затрат на достижение необходимогорезультата.Д.П.Гохштейном в [14-16] был предложен «энтропийный метод»расчета«потерь»При использованиинаосновеметодавычитанийКлаузиуса.энтропийногометодадостаточноопределитьзатрачиваемую работу только на входе в систему. Автор, используясвойство аддитивности энтропии, предлагает из рассчитанной входнойработы, вводимой в исследуемую систему, вычитать все «потери»,определяемые по отдельности. Энтропийный метод дает возможностьколичественно учесть переход вводимой в систему энергии в затратына производство энтропии в каждом отдельно взятом узле системы.Как показано в [38], работа любой реальной машины сопровождаетсяувеличением энтропии, потому что неизбежно протекание необратимыхпроцессов.
Это в свою очередь приводит к увеличению затраченной теплотыи, соответственно, по первому началу термодинамики, к уменьшениюпроизведенной работы. Таким образом, сумма энтропий всех компонентовустановки возрастает в результате необратимости. Этот принцип положенв основу энтропийно-статистического анализа.20Энтропийный метод был усовершенствован в МГТУ им. Бауманадля того, чтобы с его помощью можно было определять действительныезатраты на компенсацию производства энтропии в узлах существующихустановок.Формула Клаузиуса, Гюи и Стодолы:nΔl = TOC ⋅ ∑ ΔSi' ,(1.2)i =1nгде ∑ ΔSi' - суммарная величина производства энтропии вследствиеi =1необратимости во всех ”n” подсистемах.Используя данное уравнение, можно в первом приближении определитьне только теоретические, но и реальные затраты энергии на компенсациюпроизводства энтропии.
Для определения затрат энергии в действительныхусловиях можно воспользоваться практическими среднестатистическимиданными о степенях термодинамического совершенства машин и узлов,работающих на том же температурном уровне, что и рассчитываемаяустановка. На основе характерных процессов (как, например, трение илинеравновесныйтеплообмен),в низкотемпературныхв[6]установкахпоказано,можетчтобытьформула(1.2)конкретизированаследующим образом:n!",Lдейств = ∑ lmin + % TOC ⋅ ∑ ΔSi' &i =1'(действ(1.3)где ∑ lmin - сумма минимальных затрат работы для достижения поставленных!n'i =1"технологических целей; % TOC ⋅ ∑ ΔSi' &- величина ожидаемых реальных(действзатрат энергии для компенсации производства энтропии во всех ”n”элементах установки.В работе [64] уделено внимание эксергетическому анализу цикловсжиженияРассмотреныприродногогазаклассическиедляциклыкрупнотоннажногоЛинде-Хемпсонапроизводства.иКапицыприменительно к сжижению природного газа. Для сравнения данные21классические циклы при тех же исходных параметрах для природного газабылипроанализированывпункте3.1спомощьюэнтропийно-статистического метода, предложенного для ожижения воздуха в работе [5].Как можно видеть, результаты полученных анализов весьма близки, нодля низкотемпературных установок по ряду упомянутых выше причинэнропийно-статистический метод предпочтителен.В[39]для анализаэнтропийно-статистическийисравненияметодхолодильныхуспешноцикловдляпримененсистемкондиционирования.
В [5] подробно рассмотрен метод энтропийностатистического анализа и его применение для анализа низкотемпературныхсистем. Помимо упомянутых выше анализовциклов Линде-Хемпсона иКапицы, исследованы циклы парокомпрессионной холодильной машиныКлода, обратный цикл Брайтона и другие.
Отдельная глава посвященаанализу установок сжижения природного газа малой производительности,которая была написана совместно с автором данной диссертации и отражаетнекоторые данные из приведенной работы.1.2.Сравнительный анализ существующих установокмалотоннажного сжижения природного газаОсновнымисоставляющими,определяющимиэкономическуюэффективность проекта для малотоннажных СПГ установок, являютсязатраты основных средств, эксплуатационные расходы и цены на сырье.Правильный выбор термодинамического цикла очень важен, потому что онопределяет капитальные и эксплуатационные затраты [64].Сравнение малотоннажных установок сжижения природного газапо затратам электроэнергии на 1 кг сжиженного природного газа являетсянаиболее распространенным методом сопоставления установок и приведенов ряде работ [43, 44, 73, 74].
Существующие и перспективные технологииСПГ в России, которые могут быть созданы на базе АГНКС, подробно22рассмотрены в [12]. В результате сравнения технико-экономическихпоказателей показано, что при равной производительности установок и прииспользовании уже существующей компрессорной базы наименьшееколичество энергии затрачивается в установках с рекуперацией холода идросселированиемспредварительнымохлаждением(коэффициентожижения 0,50; удельные энергозатраты 0,62 кВт·ч/кг) и в установкахс внешнимкаскаднымохлаждением(коэффициентожижения0,69;удельные энергозатраты 0,63 кВт·ч/кг).Но не всегда удельные энергетические затраты позволяют однозначноговорить об эффективности рассматриваемых установок. В [21] отмечаетсяряд принципиальных схемно-конструкторских решений, которые влияютна общую термодинамическую эффективность установок СПГ.
Выделяетсяроль предварительного охлаждения в цикле, которая позволяет снизитьудельные затраты на 45%. В работе также отмечается, что внутренниепараметры холодильного цикла должны быть оптимизированы. В связис этим встает вопрос об эффективном способе анализа распределенияэнергетических затрат и термодинамической эффективности установкисжижения природного газа для определения наиболее оптимального циклаожижения.НаРис.1.2представленоиспользованиеразличныхдля установок разной производительности [60, 67].Рис. 1.2. Область применения циклов с внешним хладагентомциклов23К Рис. 1.2: SMR цикл – одноконтурное охлаждение смесевым хладагентом;DMR цикл – двухконтурное охлаждение смесевым хладагентом; С2-MRцикл – охлаждение смесевым хладагентом с предварительным охлаждениемпропаном; MFCP цикл – каскадное охлаждение с использованием смесевогохладагента.В соответствии с [9, 43-44, 48-52, 60, 62, 69, 73-75, 78-80] наиболееоптимальными решениями для малотоннажных установок являются циклысо смесевым хладагентом и обратный цикл Брайтона.использованиецикланасмесевомхладагентеИзначальнополучилобольшоераспространение в 1970х годах, когда был создан ряд крупных установокдля обеспечения пиковых нагрузок в США, Великобритании, Голландии,Бельгии, Германии.
Тогда обратный цикл Брайтона не считался стольперспективным в силу невысокой эффективности детандеров. Накопленныйопыт на установках для покрытия пиковых нагрузок иширокоераспространение цикла для крупнотоннажного производства СПГ создалиблагоприятные условия для применения этого цикла дляустановокнебольшой производительности. В соответствии с [43], применениехолодильных циклов на смешанном хладагенте позволяет достичь степенитермодинамического совершенства~0.3 при относительно небольшихкапитальных вложениях.Циклысосмесевымхладагентомобладаютрядомпреимуществ [12, 43, 51, 69, 73]:− высокая термодинамическая эффективность. Из-за теплофизическихсвойств компонентов, составляющих смесевой хладагент (метан,этан,пропан,бутаниазот),егоизотермическийэффектдросселирования выше, чем для метана, из которого в основномсостоит природный газ.
В результате этого дроссельный циклна смесевом хладагенте более эффективен [12];24− небольшие затраты электроэнергии на производство СПГ (на 10%ниже, чем для обратного цикла Брайтона; 0.40кВт ч/кг СПГдля цикла Prico [73-74]);− меньшиеначальныеот особенностейзатратыустановкинаустановку;возможновзависимостииспользоватьтиповыеэлементы [60];− при правильном подборе смесевого хладагента можно уменьшитьдавление в цикле охлаждения до 3.2МПа или ниже, что позволяетиспользовать различные виды компрессоров и снизить общеедавление в цикле.Существует ряд недостатков у циклов со смесевым хладагентом:− постоянная настройка и контроль состава смесевого хладагентадля обеспечения оптимальных условий работы. В малотоннажныхустановках природный газ после сжатия, как правило, охлаждаетсявоздухом, поступающим из окружающей среды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
