Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок Циклы ДВС

Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок Циклы ДВС

Цикл Карно 1 -2 изотермическое расширение 2 -3 адиабатное расширение 3 -4 изотермическое сжатие 4 -1 адиабатное сжатие 1 3 q 1 q 2 vp

Цикл Карно T 1 2 3 4 q 1 q 2 Δs S 1 2 2 t 1 1 2 2 1 1 q q q 1 q q T s Т 1 1 T s Т Т 1 Т 2 Цикл Карно дает максимальное значение термического КПД в заданной диапазоне температур

4 -0 – изохорный отвод теплоты (выхлоп дымовых газов в атмосферу) 0 — 1 – процесс всасывания воздуха из атмосферы в цилиндр двигателя 1 -2 – процесс сжатия воздуха т. 2 – начало воспламенения топлива 2 -3 – изохорный подвод теплоты 3 -4 – процесс адиабатного расширения продуктов сгорания т. 4 – открытие выхлопного клапана Циклы ДВС

Циклы ДВС • Масса рабочего тела не меняется • При подводе теплоты (сжигании топлива) не происходит химических реакций. • Не происходит побочных потерь теплоты, кроме основной – во время выпуска газов. • Процессы сжатия и расширения происходят адиабатно. • Процесс отвода рабочего тела заменяется отводом теплоты через стенки цилиндра • Все процессы считаются обратимыми • Рабочим телом принимается идеальный газ

Теоретические циклы ДВС ЦИКЛЫ ДВС Цикл Отто Цикл Дизеля Цикл Тринклера-Саба тэ

Цикл Отто

Цикл Отто 1 -2 адиабатное сжатие рабочего тела 2 -3 изохорный подвод теплоты 3 -4 адиабатное расширение рабочего тела 4 -1 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику v sq 2 12 q 1 3 4 2 1 p T q

Характеристики цикла Отто • • • 1 2 ε 3 2 p p 4 4 12 11 t 1 31 3 2 2 2 1 1 1 1 v k v T C T Tq TT η Tq C T T

Необходимо отметить • ε = 7. . 11 • Во время впуска в цилиндр поступает топливовоздушная смесь • Топливовоздушная смесь воспламеняется благодаря электрическому заряду • Сгорание происходит очень быстро • η t = 25… 30 %

Цикл Дизеля

Цикл Дизеля 1 -2 адиабатное сжатие рабочего тела 2 -3 изобарный подвод теплоты 4 -5 адиабатное расширение рабочего тела 5 -6 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику v sq 2 1 4 2 1 3 4 p T q 1 2 q

Характеристики Цикла Дизеля • • • 1 2 3 2 4 4 1 2 1 1 k 1 3 2 2 2 1 Cq 1 p 1 1 1 q C (p 1) 1 v p T T TT T k. T T

Необходимо отметить • ε = 15… 22 • Во время впуска в цилиндр поступает воздух • Топливо воспламеняется путем самовоспламенения • Сгорание длиться столько же, сколько длиться процесс впрыскивания • η t = 40… 45 %

Цикл Тринклера (Сабатэ) 1 -2 адиабатное сжатие рабочего тела 2 -3 изобарный подвод теплоты 3 -4 изохорный подвод теплоты 4 -5 адиабатное расширение 5 -6 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику v sq 2 q 2 q’ 1 q” 1 12 q’ 1 3 4 5 2 1 3 4 5 p Tq’’

Характеристики цикла Тринклера-Сабатэ • • • 1 2 4 3 3 2 p p 2 t’ » 1 1 1 1 ( 1) q q q

123 ’ 4 – цикл с изохорным подводом теплоты 123 ’’ 4 – цикл с изобарным подводом теплоты Сравнение циклов Отто и Дизеля при ε=const sq 2 1 T 2 3’ 3’’ 4 v=const 1 2 2 t 1 1 q q q 1 q q отто дизеля t t отто дизеля 1 1 q q p=const a b

Сравнение циклов ДВС Т 3 =const 1234 – цикл с изохорным подводом теплоты 12 ’ 34 – цикл с изобарным подводом теплоты sq 2 1 T 2 3 4 v=constp=const 2’ дизеля отто t t дизеля отто 1 1 q q 1 2 2 t 1 1 q q q 1 q q

Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок Схемы и циклы ГТУ

Типы ГТУ по способу сжигания топлива p=const v=const способ передачи теплоты холодному источнику открыты е закрытые

Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная) 1 – компрессор 3 – камера сгорания 4 – топливный насос 5 – клапаны 6 – газовая турбина

Изменение давления в зависимости от времени в камере сгорания

Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная) 1 -2 адиабатное сжатие воздуха в компрессоре 2 -3 изохорный подвод теплоты ( v =const) 3 -4 адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине 4 -1 изобарный отвод теплоты1 4 q 2 v T sq 1 q 2 12 q 1 3 42 3 Р Р

Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе v =const (импульсная) • • • 2 1 ( ) p p 3 пт 2 p p 1/ k пт t( k 1) / k пт k

Экономичность цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная )

Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const 1 – компрессор 2 – камера сгорания 3 – газовая турбина 4 – электрогенератор 5 – топливный насос

Простейшая камера сгорания ГТУ 1 – подвод топлива 2 – регистр 3 – пламенная труба 4 – смеситель 5 – зона смешения 6 – зона горения 7 – корпус 8 – топливораздающее устройство

Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе p =const 1 -2 адиабатное сжатие воздуха в компрессоре 2 -3 изобарный подвод теплоты ( p =const) 3 -4 адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине 4 -1 изобарный отвод теплоты1 4 q 2 v T sq 1 q 2 12 q 1 3 42 3 Р

Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе p =const • • • 2 1 ( ) p p 3 2 2 4 1 1 t 1 3 2 q T T 1 1 q T T

Экономичность цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе p =const

Сравнение циклов ГТУ Условия сравнения: , то есть отведенная теплота разная, то есть так как , то T s 1 2 3’’ 4’’ 3’ a b c v const p const 1 1 q q v const p const пл a 123 ‘ b пл a 123 » c пл a 14 ‘ b пл a 14 » c 4’V=const p=const 2 t 1 1 q q constv p t t

Сравнение циклов ГТУ Однако, ГТУ с изохорным подводом теплоты не получили широкого распространения. Недостатки • Сложности в организации изохорного сгорания топлива • Усложнение конструкции камеры сгорания • Усиленный износ клапанов

Цикл ГТУ с регенерацией тепла 1 – воздушный компрессор 2 – камера сгорания 3 – газовая турбина 4 – электрогенератор 5 — регенератор

Цикл ГТУ с регенерацией тепла 1 -2 адиабатное сжатие воздуха в компрессоре 2 -2 ’ нагрев воздуха в регенераторе за счет теплоты уходящих газов 2 ’- 3 нагрев рабочего тела в камере сгорания при p =const в процессе подвода тепла при сжигании топлива 3 -4 адиабатное расширение рабочего тела в турбине 4 -4 ’ – отвод теплоты от уходящих газов в регенераторе 4 -1 – охлаждение газов в атмосфере 1 4 q 2 v T sq 1 12 q 1 3 42 3 Р q то 2’ 4’ 4 ’ 2’ q то q

Характеристики цикла ГТУ с регенерацией тепла T sq 1 12 3 4 2’ 4’ q 22 ‘ 2 4 2 Т Т 2 1 p p 3 2 ‘ k 1 k t 1 ( 1) 2 2 ‘Т Т q то

Учет необратимости в ГТУ 1 -2 адиабатное сжатие воздуха в компрессоре 1 -2 д условное необратимое адиабатное сжатие воздуха в компрессоре 2 д-3 изобарный подвод теплоты ( p =const) 3 -4 адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине 3 -4 д условное необратимое адиабатное расширение рабочего тела в турбине 4 -1 изобарный отвод теплоты12 2 д 3 4 4 д. Т sq 1 q

Учет необратимости в ГТУд д т к 1 д 3 2′ i i ll l q h h т адк 2 1 кд к 2 ‘ 1 l h h д т3 4 ‘т 0 iт т 3 4 h h l l h h т ад е 3 4 0 i 2 1 к мех( ) / l h h e е 1 д l q мех — механический КПД е возд e. N G l

Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок Схемы и циклы ПТУ

Цикл Ренкина на перегретом паре 1 – котлоагрегат 2 — турбина 3 — электрогенератор 4 — конденсатор 5 – питательный насос ПЕ — пароперегреватель

Цикл Ренкина на перегретом паре 1 -2 расширение пара в турбине 2 -2 ’ конденсация пара в конденсаторе 2 ’ -3 сжатие воды в питательном насосе 3 -4 нагрев питательной воды до температуры кипения 4 -5 генерация пара в котле 5 -1 перегрев пара в пароперегревателеp v 1 22’ 3 4 T s 1 22’ 3 4 55 q 1 q 2 q

Термический КПД цикл Ренкина на перегретом паре — работа пара в турбине — работа сжатия в питательном насосе — подведенная теплота в котлоагрегате’1 3 21 2 3 2 ‘1 2 2 т н t 1 1 3 1 (h h )(h h )q q l l q (h h ) q тl нl 1 q 1 2 t 1 1 3 q q (h h )

Влияние начальной температуры пара на термический КПД цикла Ренкина 1’ 5 2’ 4 3 1 2 ∆ q 1 ∆ q 2 sh 2 t 1 q 1 2 q q ‘ t t T =const P=const

Влияние начального давления пара на термический КПД цикла Ренкина 5 4 3 2 sh 2 t 1 q 1 2 q q ‘ t t T =const P’=const P =const 1 2’ 1’ 5’ ∆ q 2∆ q 1 4’

Влияние начального давления пара на термический КПД цикла Ренкина недостатки • возрастает влажность и падает сухость • дополнительное сопротивление • эрозия лопаток турбины • увеличивается работа насоса • возрастает число ступеней методы борьбы • одновременное повышение давления и температуры пара перед турбиной • промежуточный (вторичный) перегрев пара 5 4 3 sh T=const P’=const P=const 11’ 5’ К 4’ 2 2 ’ x’ х

КА – котлоагрегат ПЕ – пароперегреватель ППЕ – промежуточный пароперегреватель ЦВД – цилиндр высокого давления ЦСД – цилиндр среднего давления ЦНД – цилиндр низкого давления К – конденсатор ПН – питательный насос. Промежуточный перегрев пара (вторичный)

Промежуточный перегрев пара (вторичный) 1 -6 расширение пара в ЦВД 6 -7 промежуточный перегрев пара 7 -2 расширение пара в ЦСД+ЦНД 2 -2 ’ конденсация пара в конденсаторе 2 ’ -3 сжатие воды в питательном насосе 3 -4 нагрев питательной воды до температуры кипения 4 -5 генерация пара в котле 5 -1 перегрев пара в пароперегревателе. T 4 3 2’ 26 0 s 5 1 7 q 1 ’ q 1 ”

Промежуточный перегрев пара (вторичный) — работа пара в цилиндре высокого давления — работа пара в цилиндрах среднего и низкого давления — работа сжатия в питательном насосе — подведенная теплота в котлоагрегате — подведенная теплота в промежуточном паропергревателе 1 3 7 6 2 2 ‘1 2 t 1 1 3 7 6 ЦВД ЦСД ЦНД н 1 6 7 2 3 2 ‘ ‘ » 1 3 7 61 1 (h h )q q q (h h ) l l l(h h ) (h h )q q ЦВДl ЦСД ЦНДl нl ‘ 1 q » 1 q 1 6 7 2 t 1 3 7 6 (h h )

Влияние конечных параметров пара на величину КПД цикла Ренкина 5 4 3 1 2 sh 2’ 3’т t 1 l q 1 1 l q ‘ t t Δq 1 l т

Регенеративный цикл ПП – пароперегреватель Т – турбина ЭГ – электрогенератор К – конденсатор ПНД – подогреватель низкого давления ПН – питательный насос ПВД – подогреватель высокого давления. Т ~ПП ПН КЭГ ПВД ПНДα 1 1 — α 1 α 2 1 — α 2 α 1 1 — α

Регенеративный цикл T s 1 22’ 3 4 5 ПНД ПВД а а’ b b’ 1 -a расширение пара в первых ступенях турбины а-а ’ изобарный отвод теплоты от пара в ПВД a-b расширение в ступенях турбины b-b ’ изобарный отвод теплоты от пара в ПНД b ’ -2 расширение в ступенях турбины 2 -2 ’ конденсация пара в конденсаторе 2 ’ -3 сжатие воды в питательном насосе 3 -4 нагрев питательной воды до температуры кипения 4 -5 процесс парообразования 5 -1 перегрев пара

Влияние числа отборов на прирост термического КПД

Основные характеристики цикла • Теоретическая мощность турбины • Внутренняя мощность турбины • Эффективная мощность • Электрическая мощностьт 0 1 2 N D h h 1 2 д o 1 2 i h h 0 1 2 д т o i i. N D h h N eм i. N N э e г N N

• Относительный эффективный КПД • Относительный электрический КПД • Расход пара на турбину • Удельный расход пара. Основные характеристики циклаo oм e i oэ o м г i эт 0 1 2 oэ 1 2 i e N N NN D h h h h 0 0 э oэ 1 2 1 D d N h h

• Внутренний КПД цикла • Эффективный КПД цикла • КПД котлоагрегата Основные характеристики цикла т н 1 2 3 2 ‘пол н 1 1 2 ‘ 3 2 ‘ / / oi oi h h h hl q h h 0 1 2 ‘ кр н D h h BQ eк i м

Теплофикационные установки Комбинированной выработкой на электростанциях электроэнергии и теплоты называют теплофикацией , а турбины, применяемые на таких электростанциях – теплофикационными Тепловые электростанции, осуществляющие комбинированную выработку электроэнергии и теплоты называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) , в отличии от конденсационных электростанций (КЭС) , вырабатывающих только электроэнергию

Турбины с противодавлением (типа Р) 1 – тепловой потребитель; 2 – редукционно-охладительная установка; 3, 5 – турбины с противодавлением и конденсационная, 4 – генераторы; 6 – конденсатор Если максимальные тепловые нагрузки не удается покрыть с помощью противодавления турбины, то пар потребителю отпускается также через РОУ. Т. к. Р-турбина работает по тепловому графику нагрузок, то для обеспечения электрического потребителя обязательно имеется К-турбина. 12 3 5 44 6 p п. D 0 , p 0 , t 0 D п

Турбины с промежуточным регулируемым отбором пара (типа П) 1, 2 – стопорный и регулирующий клапаны ЧВД; 3 – часть высокого давления; 4 – регулирующий клапан ЧНД; 5 – часть низкого давления; 6 – конденсатор; 7, 8 – отсечной и обратный клапаны; 9 – тепловой потребитель; 10 – редукционно-охладительная установка 910 p п. D 0 , p 0 , t 0 D п D к p к

Турбина с двухступенчатым подогревом сетевой воды (типа Т) 1 , 3 – части высокого и низкого давления, 2 – регулирующий клапан; 4 , 5 – нижняя и верхняя ступени подогревателя сетевой воды 1 2 3 4 5 D к , p к. D 0 , p 0 , t 0 D 1 , p 1 , h 1 D 2 , p 2 , h 2 h ′ 1 h ′ 2 t ос. G св , t пс

К – конденсационные П – теплофикационные с производственным отбором пара Т – теплофикационные с отопительным отбором пара ПТ – теплофикационные с производственным и отопительным отбором пра Р – с противодавлением, без регулируемого отбора пара ПР – теплофикационные с противодавлением и с производственным отбором пара. Маркировка паровых турбин

ТР – теплофикационные с противодавлением и с отопительным отбором пара ТК – теплофикационные с отопительным отбором пара, с большой привязанной конденсационной мощностью КТ – теплофикационные с отопительными отборами нерегулируемого давления. Маркировка паровых турбин

• 1 цифра – электрическая мощность (номинальная/максимальная) • 2 цифра – начальное давление в МПа (кгс/см 2 ) для П, ПТ, Р и ПР – давление производственного отбора и (или) противодавление в МПа (кгс/см 2 ) частота вращения (50/25) – дробью после давления • 3 цифра — модификация. Маркировка паровых турбин

Примеры обозначений • К-800 -23, 5 -5 (или К-800 -240 -5) • ПТ-140/165 -12, 8/1, 5 -2 • КТ-1070 -5, 9/25 -3 (КТ-1070 -60/1500 -3) • ПР-6 -35/15/

Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок Эксергия

• Получение работы возможно, если система не находится в состоянии равновесия с окружающей средой • Получение работы прекратиться при достижении состояния равновесия системы и окружающей среды • Максимальную работу в цикле Карно можно получить при осуществлении обратимых адиабатных и изотермических процессов

Система «рабочее тело-окружающая среда» • I закон термодинамики для системы • внутренняя энергия системы в начальном состоянии • внутренняя энергия системы в конечном состоянии» ‘ U U L Q = 0 ‘ 1 01 U = U +U » 2 02 U = U +U 1 01 2 02 1 2 01 02 L U +U — U U U

• Для окружающей среды • Работа системы. Система «рабочее тело-окружающая среда» 02 01 0 0 U — U Q + L 0 0 2 1 -L p V V 01 02 0 0 2 1 U — U Q p V V 1 2 0 0 2 1 L U U Q p V V

• Теплота, сообщенная среде • Энтропия замкнутой адиабатной системы Система «рабочее тело-окружающая среда» 0 0 02 01 Q T S — S 1 2 0 02 01 0 2 1 L U U T S — S p V V 02 01 1 2 S S 1 2 0 2 1 S SL U U T p V V

• Получение работы прекратиться. Система «рабочее тело-окружающая среда» 0 2 U U 0 2 V V 0 2 p p 0 2 T T max 1 0 0 1 0 S SL U U T + p V V max 1 0 0 1 0 S SL H H T 1 0 0 1 0 S SE H H T

Эксергия • Эксергия является максимальной работой, которую можно совершить в обратимом процессе изменения состояния системы (рабочее тело) от начальных параметров до параметров окружающей среды ( состояние равновесия )

Энергия и эксергия Энергия системы Эксергия системы Зависит только от параметров системы и не зависит от параметров окружающей среды Зависит как от параметров системы, так и от параметров окружающей среды Всегда имеет величину отличную от нуля Может иметь величину равную нулю Подчиняется закону сохранения энергии в любых процессах и уничтожаться не может Подчиняется закону сохранения только при обратимых процессах; в реальных необратимых процессах уничтожается частично или полностью Преобразование одних форм в другие ограничено по условиям второго закона термодинамики для всех процессов, в том числе и обратимых Преобразование одних форм в другие не ограничено по условиям второго закона термодинамики для обратимых процессов

Виды эксергии и ее составляющие • Для безэнтропийных видов энергии • Механическая энергия • Электрическая энергия LE L ЭEЭ

Виды эксергии и ее составляющие • Эксергия видов энергий, характеризуемых энтропией • эксергия вещества в замкнутом объеме , Дж; , Дж/кг • эксергия потока вещества , Дж; , Дж/кг • эксергия потока теплоты , Дж; , Дж/кг • эксергия потока излучения , Дж; , Дж/м 2 Ee Ee QEQe и Eиe

• Эксергия вещества в замкнутом объеме и потоке состоит из следующих составляющих: • термической • механической или (деформационной) • реакционной • концентрационной Виды эксергии и ее составляющие. E E тe pe re ce

• термическая ( ) + механическая ( ) = термомеханическая (термодеформационная, физическая) • реакционная ( ) + концентрационная ( ) = химическая ( нулевая )( )Виды эксергии и ее составляющиетepe rece химe

Эксергия Безэнтропийная энергии Виды энергии, характеризуем ые энтропией Вещества в замкнуто м объеме Термическа я Механическая Реакционна я Концентрац и-онная. Потока вещества Поток теплоты Излучени е

Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок Виды эксергии и ее составляющие

Эксергия вещества в замкнутом объеме • оболочка • непроницаемая • неподвижная • способна деформироваться • проводить теплоту • «нулевое» состояние, т. е. полное равновесие как внутри системы, так и с окружающей средой. • о. с. ; ; ; ; Tu s p

Эксергия вещества в замкнутом объеме • Взаимодействие системы и среды • термическое • механическое • Максимальная полезная работа, которую может совершить вещество в замкнутом объеме, равна работе расширения (сжатия) за вычетом работы, затрачиваемой веществом на преодоление давления окружающей среды в обратимом процессе при p о. с. =constо. с. υde dl p dυ

Эксергия вещества в замкнутом объемео. с. d d d e l p dq dl dl dq dudu о. с. Tdq ds о. с. T vde ds du p dν о. с. T ( ) ( ) ve s s u u p о. с( ) T ( ) ve u u s s p

Эксергия вещества в замкнутом объеме Так как параметры окружающей среды постоянны, обозначим При определении эксергии при переходе из состояния 1 в состояние 2 значение величины С не меняется, тогда: Для всей массы вещества, находящейся в замкнутом объемео. с. TС u s p 2 1 о. с. 2 1 о. с 2 1 e e ( ) T ( ) v vu u s s p vо. сe u T s p E me

_ v v о. с. e e RT v 0 e

Эксергия вещества в потоке • оболочка • непроницаемая • подвижная • способна деформироваться • проводить теплоту • «нулевое» состояние, т. е. полное равновесие как внутри системы, так и с окружающей средой. • о. с. ; ; ; ; Tu s p

Эксергия вещества в потоке • Взаимодействие системы и среды • термическое • механическое • Функция отличается от функции количеством работы, связанной с перемещением потока вещества: eev о. с( )p p

Эксергия вещества в потоке С учетом, что В дифференциальной форме: о. с( ) T ( ) ( )e u u s s p p p о. с( ) T ( )e u u s s p p h u p о. с. T ( )e h h s s о. с. Tde dh ds

Так как параметры окружающей среды постоянны, обозначим При определении эксергии при переходе из состояния 1 в состояние 2 Для всего потока вещества при его расходе m : Эксергия вещества в потоке. E me 2 1 1 2 о. с. 1 2 e e h h T (s s ) о. с. Ch T s о. с. Δ Δ T Δe h s

Эксергия вещества в потоке Для идеального газа с учетом Для изотермического потока идеального газа. Tpdh c d T T p d dp ds c R p о. с T (Т Т ) Т ln ln T p p p e cс R p о. с Т ln p e R p e

Эксергия потока теплоты • Эксергия теплоты называется максимальная работа, которая может быть получена за счет теплоты, переданной от горячего источника тепла с температурой Т к рабочему телу, при условии, что холодным источником является окружающая среда с температурой T оc

Эксергия потока теплоты • Воспринимаемая теплота рабочим телом от горячего источника • Эксергия теплоты • Непревратимая в работу часть теплоты. T 1 2 3 4 q 1 q 2 Δs S Т То. с1 Tпл. 123 ba 41 q s b a 1 о. с. Tпл. 1234 qe l q s о. с. Ts

Эксергия потока теплоты термический КПД цикла Карно откуда для всего теплового потока — эксергетическая температурная функция (коэффициент работоспособности теплоты)о. с t 1 T -T T 1 T T l s s q s о. с 1 T l (1 )пл. 1234 T qe q о. с. T 1 Tq q q. E Q

Физический смысл коэффициента работоспособности теплоты • Количество работы, которую можно получить в идеальном прямом цикле от единицы теплоты о. с q T 1 T q t о. с q T 0 1, то 0 1 T о. с q T 1, то 0 T

Эксергия потока теплоты при p =const Тогда Эксергию теплового потока в процессах теплообмена при постоянном давлении можно вычислить как разность потока вещества до и после изменения температуры1 q h о. с q 1 о. с T T T e q (1 ) h h T T h q h s. T T

Эксергия потока излучения • Эксергия потока излучения определяет максимальную работу, которая может быть выполнена во время обратимого процесса приведения этого излучения в состояние равновесия с окружающей средой (при T о. с ) — степень черноты излучающей поверхности — постоянная Стефана-Больцманаиe 4 4 3 о. с и 0 3 T T 4 Т Т С 3 e 23 0 С 1, 38 10 и 0 e

Эксергия потока излучения • Т=0, 63 T о. с, то энергия и эксергия излучения равны • T>0, 63 T о. с, то эксергия излучения меньше его энергии • T<0, 63 T о. с, эксергия излучения больше его энергии

Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок Эксергетический баланс Эксергетические потери

Эксергетические балансы и эксергетическая производительность • В обратимых процессах e 1 вх e 2 вх e 3 вх e 1 вых e 2 вых e 3 выхΣe вх Σe выхвх выхe e П 0 вх выхe e вых вх e вх вх вх Е Е П П 1 Е Е Е вх выхe e. П

Виды потерь • Внутренние потери – связанные с необратимостью процессов, протекающих внутри системы (трение) • Внешние потери – связанные с условиями взаимодействия системы с окружающей средой и другими источниками и приемниками энергии (потери через тепловую изоляцию).

Закон Гюи-Стодолы • Когда полезная работа будет максимальной? • Когда в системе протекают обратимые процессы • Все процессы в системе протекают необратимо • Необходимо рассчитать уменьшение полезной работыh 1 ; s 1 h 2 ; s 2 q 1 T 1 q 0 T 0 l

Закон Гюи-Стодолы • Установка, работающая обратимо • Установка, работающая необратимо • Равное количество подведенной теплоты Q 1 • Количество и параметры подведенного вещества равны • Количество и параметры отводимого вещества равны • Меняется количество отводимого тепла Q 0 (количество отведенного тепла для установки, работающей обратимо Q 0 s ) • Работа, совершаемая обратимой установкой максимальна l макс

Закон Гюи-Стодолы • Энергетический баланс реальной установки • Энергетический баланс идеальной установки • Потери работы, вызванные необратимостью1 1 2 0 h q q h h q l l 1 1 2 0 sмакс 1 1 2 0 s h q q h h q l l макс 0 0 se= =q q l l

Закон Гюи-Стодолы • Сумма приращений энтропии (для реальной установки) • Сумма приращений энтропии (для идеальной установки)01 2 1 0 qq s s s Т T 0 s 1 2 1 0 qq 0 s s Т T 0 0 0 ss. T q q e 2 1 0 e=(s -s )T

Эксергетический анализ топливоиспользующих установок 3 гр 2 е Е Е 7 тп ок вхе Е Е

Эксергия топлива • жидкое топливо • газообразное топливо • каменный уголь • бурый угольр ж в 0, 975 e q р г в 0, 95 e q р тв в 1, 08 e q р тв в 1, 15. . . 1, 2 e q

• 1 -2 теоретическое расширение пара в турбине • 1 -2 д реальное расширение пара в турбине • 2 д-2 ’ – процесс конденсации пара в конденсаторе • 2 ’ -3 – теоретическое сжатие в насосе • 2 ’ -3 – практическое сжатие в насосе • 3 -1 – подвод теплоты к рабочему телу в котле. Потери эксергии Паротурбинная установка P 1 2 2’ 3 4 5 2 д s 3 д

Потери эксергии Парогенератор • В котельную установку входит поток воды с температурой и давлением : • Суммарная эксергия топлива и окислителя к вх пв о. с( )Т ( )e h h s s к вх тв окqe eе пв. Т пв. P

• Из котла выходит пар с температурой и давлением • В котле полезная работа не производится, тогда потери в котле Потери эксергии Парогенераторк 0 0 вых 1 о. с( )Т ( ) e h h s s к к вх qвх вых ( )e e к к вх qвх выхe e 0 1 Т 0 1 P

• Удельная эксергия теплоты, полученной при сгорании топлива при температуре Тг: • Потери эксергии из-за потерь тепла в окружающую среду: Потери эксергии Парогенератор р о. с. н г. Т 1 qе Q Т окр1 q.

• Потери эксергии при переходе эксергии топлива в эксергию теплоты • Потери эксергии при передаче полученной теплоты к образующемуся водяному пару: Потери эксергии Парогенераторгр тпq. D E E пг окр пq.

п в тп е Е Е ЕПотери эксергии Парогенератор

• Эксергия пара на входе в паропровод равна эксергии пара на выходе из котла • Эксергия пара с температурой T 1 и давлением Р 1 на выходе из паропровода Потери эксергии. Паропроводпп к вх выхe e пп вых 1 о. с( ) T ( ) e h h s s

• В паропроводе полезная работа не производится, тогда потери в паропроводе • Эксергетический КПД паропровода Потери эксергии. Паропроводпп пп пп вх вых e e e пп ппвых епп вх

Потери эксергии. Турбогенераторная установка • Пар в турбину подается с температурой Т 1 и давлением P 1 • Пар на выходе из турбины имеет температуру T 2 д и давление P 2 дт пп вх выхe e т вых 2 д о. с 0 2 д о. с( ) T ( ) e h h s s

• Турбогенераторная установка производит работу (работа, передаваемая внешнему потребителю (электроэнергия, отдаваемая в сеть)) — теплота, выделяющаяся при сгорании топлива — эффективный абсолютный КПД всей теплосиловой установки. Потери эксергии. Турбогенераторная установкаe l ‘уст e el q ‘р нq Q уст e

• Потери эксергии в турбогенераторе • Потери эксергии, обусловленные механическими потерями в турбине • Потери эксергии, обусловленные механическими и электрическими потерями в генераторе. Потери эксергии. Турбогенераторная установкат т т вх вых e( ) e e e l т м 1 2 д м( )(1 ) e h h т г 1 2 д м г( ) (1 ) e h h т т т вх вых e e e l e

• Остальные вызваны необратимым характером процесса расширения пара в турбине • Эксергетический КПД турбогенераторной установки. Потери эксергии. Турбогенераторная установкат тe т т вх вых 1 е L

Потери эксергии. Конденсатор • Эксергия пара, поступающего из турбины в конденсатор • Эксергия конденсата, выходящего из конденсатора • В конденсаторе полезная работа не производится, тогда потери эксергииконд т вх выхe e конд вых 2′ о. с 2 ‘ о. с( ) T ( ) e h h s s конд вх вых e e e

Потери эксергии. Насос • Эксергия воды, поступающей в насос • Эксергия воды на выходе из насоса • Для привода насоса подводится работа • Потеря эксергии воды в насосе • Эксергетический КПД насосан конд вх выхe e н к вых вхe e н 3 д 2 ‘l h h н н н вх вых н e e e l н н твых вх н e E E L н н н вх н вых e l e e

1 E 2 E 21 i n i. E n. E E ’’ 1 E 2 E 21 i n i. E n. E E E ’’ 1 E E 2 E 21 i n i. E n. E E ’’ a ‘ E б ‘ Ea ‘ E в ‘ E a ‘

Роль потерь эксергии в разных элементах системы • Дополнительная первичная эксергия • Для первого элемента • Для элемента ni i 1 ( )’E E 1 1 1 ( )’E E n 1 2 3 n 1 ( )’. . . E E n 1 2 3 ni i 1′ ‘ E E. . .