Termodinamicheskie_osnovy_ciklov_teploen ergeticheskih_ustanovok_A.A._Aleksandrov (850926), страница 15
Текст из файла (страница 15)
продуктов сгорания) в расчете на 1 кг пара составит зя 3471,4 — 136,7 — 1 5845 Г)к(йа — Лог) 091(25972 2845) Эксергия этого количества воздуха в расчете на 1 кг пара е4 т(л4- лс — Цд~ — ЯВ„))= 1,584512597,2-284,5— — 283,15(9,1476 — 6,8307)! = 2625,7 кДж/кг. Таким образом, потеря эксергии прн сгорании топлива М,„= е „„— е4 = 3664,5 — 2625,7 = 1038,8 ЯДж/кг. Подвод теплоты к воде н водяному пару осуществляется при нзобарном отводе ее от газообразных продуктов сгорания. При этом эксергия теряегся из-за тепловых потерь в окружающую среду, куда входят потери с уходящими газами н вследствие необратимости процесса теплообмена межу газами и водяным паром при конечной разности температур (рис.7.17).
Эги потери можно представить, воспользовавшись введенным в 9 6.1 понятием эксергетической температуры т, = 1 — ТЯ~Т. В т„9-диаграмме (рнс, 7.18) эксергни теплоты, отданной газами и подведенной к воде н водяному пару, согласно (6.3) изображаются площадями фигур, ограниченных соответствующими линиями, представляющими изменение эксергетнческой температуры теплоносителей. Поэтому потеря эксергии вследствие необратимости теплообмена в этой диаграмме изобразнтся площадью заштрихованной фигуры, а потеря эксергии с уходяшими газамн — плошадью дважды заштрихованной фигуры. Численно же обе эти потери суммарно можно найти как разность между затраченной зксергней газов ея и эксергией, полученной водой и паром, е„— ез„.. Ье „= е4 — (е„— ез„) = 2625,7 — (1600,8 — 15,6) = 1041,3 кДж/кг.
Таким образом, общая потеря эксергни в паровом котле Ье„= !ье,„+ бе „= 1038,8+ 1041,3 = 2080,1 ЯДж/кг, 87 Рис. 7ла Рас. 7.37 а эксергетический КПД котла 71„„= 1 — /Зе„/е, „„= 1 — 2080,1/3664,5 = 0,432. Энтальпию продуктов сгорания на выходе из котла Ь, можно определить из теплового баланса ܄— Ь3д гп(Ь4 — Ь с). Отсюда lг„„= Ь4 — (/г„- Ьзд)/т = 2597,2 — (3471,4 — 136,7)Л,5845 = 492,6 кДж/кг, и с помощью таблиц !2, 31 или программы !41 можно найти / „= о =214,8 С, згс = 7,3816 кДж/(кг К) и рассчитать эксергию уходящих газов: ег. = лг((Ьгд Ьс.)-Тс(з„, -зе„)) = о = 1,5854!492,6 — 284,5 — 283,15(7,38!6 — 6,8307)! = 82 кДж/кг.
Главный паропровод. Процесс течения перегретого пара от выхода из котла до входа в турбину сопровождается трением о стенки паропровода и тепловыми потерями в окружающую среду, что делает его необратимым и приводит к потере эксергии. Значение ее можно вычислить как разность эксергии пара на входе в паропровод н выходе из него: Лес„= е„— е ! = 1600,8 — ! 582,4 = ! 8,4 кДж/кг, а затем можно рассчитать эксергетическнй КПД паропровода: г),'," = 1 — Ае„„/е, = 1 — 18,4/1600,8 = 0,989. 88 Турбогеператор. Потерю зксергии при необратимом вследствие трения адиабатном течении пара в проточной части турбины вычислим по формуле Гюи — Стодола (6.5): Ае = То(з — в ) = 283,15(7,1805 — 6,5997) = 164,5 кДж/кг.
Отметим, что эта величина меныае потери работы, составляющей Ы, = Ь~ — Ьз = 2163,2 — 1987,7 = 175,5 кДж/кг. Объясняется это тем, что в конечном состоянии пар имеет температуру /з = 28,96 'С выше температуры окружающей среды. Следовательно, он обладает эксергией и может совершить еще некоторую работу. Если >ке температура пара в конце расширения будет такой же, как температура окружающей среды, то потеря зксергии будет равна потере работы, что и было показано в з 7.2. По этой же причине зксергетический КПД турбины з)„= 1 — Ле„/(е! — езв) = 1 — 164,5/(1582,4 — 130,7) = 0,887 и пашем случае несколько выше относительного внутреннего КПД, равного 0,88. Дополнительные потери эксергии в турбогенераторе вызваны тем, что часть совершенной турбиной работы затрачивается на трение в подшипниках турбины, а также и на трение и электрические потери в электрическом генераторе.
Эти затраты в виде тепшьты передаются элементам конструкции турбогенератора и полностью рассеиваются в окружающей среде. Потери работы (эксергии) составят М,„= /„" ((1-т)„)+ з)„,(! — т1„)) = (34504 — 21632)((1 — 099) + + 0,99(1 — 0,98)] = 38,4 кДж/кг, в работа на клеммах электрического генератора (и! "ги)!)юг (3450,4 — 2163,2) 0,99 0,98 = 1248,8 кДж/кг. Эксергетический КПД турбогенератора можно определить как 1248,8 е,, е, — е 1582,4 — 130,7 Конденсатор. Теплота, отводимая в цикле нижнему тепловому источнику (охлаждающей воде, циркулирующей в конденсаторе), составляет Чз = лзд — Лз. = 2163,2 — 121,4 = 2041,8 КДЖ/кг, 89 но, посюльку этот процесс происходит прн температуре /з = 28,96 С, близюй к температуре окружающей среды, потеря эксе( гии рабочего тела при этом невелика: Ьв„„, = езк — ет = 130,7 — 2,5 = 128,2 кДж/кг.
Насос. На сжатие воды затрачивается работа Ьз, — Ьз. = 136,7 -!21,4 = 15,3 кДж/кп в результате чего ее зксергня увеличивается на величину в„„= вз„— ез. = 15,6 — 2,5 = 13,1 кДж/кг. Потерю зксергии в этом процессе вычислкм по формуле ГюиСтодола (6.5): Ье„= Тангэ — зз.) = 283.15(0,4300 — 0,4224) = 2,2 кДж/кг, а эксергегнческий КПД насоса — по формуле (6.6): и,„= е, П",, = 13,1/15,3 = 0,856. Рассчитав эксергетнческие характеристики отдельных узлов, ог ределим эксергетнческий КПД цикла ПТУ; ц /к /т /и 1287,2 - 15 3 ея — в„„ея — в„„2625,7 — 82,6 Напомним, что эксергетнческнй КПД любого обратимого цикл равен единице (см. 9 6.2), полученное значение характеризует сп пень термодннамнчесюго совершенства цикла. Таким образом, мы определили все потери эксергин, юторые с) шествуют в процессах преобразования химической энергии топлив в электроэнергию, происходящих в паротурбинной установке.
Суи марио онн приводят к тому, что получаемая в такой установке рабг та составляет лишь сравнительно небольшую часть эксергин сжипн мого топлива, которая характеризуется эксергвтическии КПД парс турбинной устаиовки, равным в нашем примере т)„= фги/е, = (/, — /;;)/е = (1248,8 — 15,3)/3664,5 = 0,337.
Численно он совпадает с эффективным КПД т1,, рассчитанны, пту прн рассмотрении потерь энергии в установке без применения пою тня эксергин. Однаю результаты эксергетического анализа двю возможность по-иному оценить влияние процессов, происходящих отдельных элементах установки, иа ее общую эффективность. 90 При энергетическом анализе привле- д, „, кает внимание тот факт, что значитель- 47 ная часть подводимой к пару теплоты отводится в конденсаторе в окружающую среду, В нашем примере количество отводимой теплоты 9з = 2041.8 кДж/кг. Потеря же эксергии при этом мала: Ле„„„„= =128,2 кДж/кг. Если бы конденсация 4 г,=ззз к происходила пе при температуре /з = = 28,96 'С, а при температуре окружающей среды /с = 10 'С, то потеря зксергии Рвс. 7.!я вообще была бы равна нулю, но величина 9 все так же была бы'значительна.
Объясняется это тем, что отвод теплоты к охлаждающей воде в конденсаторе нельзя рассматривать как потерю. Это есть результат выполнения безусловного требования отвода теплоты нижнему тепловому источнику, налагаемого вторым законом термодинамики, без чего невозможно осуществление цикла.
Потерей является лишь то, что вызвано отступлением от идеализированных условий, т.е. наличием разности температур при отводе теплоты, что и характеризуется потерей эксергии. Оцепить долю этой потери можно. использовав формулу (6.5): Ле«о;, — 9з(! — То'Тз) 0 !О 20 зв 40ат; К откуда 91 Ле„, /9з = (Тз — Тс)/Тз = ЛТ//Тз. Поскольку разность температур в конденсаторе обычно принимается 1Π— 20 К, то потеря эксергии в пем составляет несколько процентов от йз (рис. 7.19).
При сопоставлении результатов энергетического и эксергетического анализов также обращает на себя внимание существенное различие в оценке потерь в паровом котле. При энергетическом КПД котла, равном т)„= 0,91, его эксергетический КПД составляет лишь Ч,„= 0,432. Связано это с тем, что при энергетическом анализе котел рассматривается фактически как теплообменник, в котором есть потери с уходящими газами и за счет теплообмена с окружающей средой. Организация процессов использования химической энергии топлива и передачи теплоты воде и пару при этом не учитывается.
При эксергетическом же анализе выявляется роль процесса сжигания топлива. В нашем примере при см<игании топлива теряется Ле„./егм = 100 ° 1038,8/3664,5 = 28,3 54 эксергии химической энер- гни топлива. Это свидетельствует о том, что сжигание топлива является не лучшим способом использованпя его химической энергии. Лучшие показатели могуг быль получены, например, при использовании топлива в электрохнмнческнх преобразователях (топлнвных элементах). Так, например, при осуществлении реакции метан + кислород в таком устройстве вся химическая энергия может быть преобразована в работу (в эксергию).
Второй составляющей потерь эксергии в паровом котле являются потери с уходящими продуктами сгорания, уменьшить которые можно только, снизив температуру, при которой они покидают котел, и за счет тепловых потерь в окружающую среду. Эта составляющая определяется теми же факторами, что н учитываемые при энергетическом анализе. Значения этих потерь зависят от конструкции и качества изготовления котла. Следующая составляющая потерь эксергин обусловлена необратимостью процесса передачи теплоты от газов к воде и пару при значительной разности температур.
Именно она характеризует котел как один из элементов, реализующих термодинамический цикл паротурбинной установки. Средняя температура рабочего тела цикла в процессе подвода теплоты здесь значительно ниже средней температуры верхнего теплового источника — горячих газообразных продуктов сгорания. Так, в нашем примере средняя температура воды и водяного пара Т, = (܄— Ь „)(з„— з ) = (3471,4 — 136,7)l(6,6087 — 0,4300) = = 539,7 К (266,6 'С).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
