Методы термодинамического анализа эффективности теплоэнергетических установок
Покупка
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Автор:
Павлова Ирина Борисовна
Под ред.:
Хвесюк Владимир Иванович
Год издания: 2011
Кол-во страниц: 108
Дополнительно
Доступ онлайн
В корзину
Дано представление о круговых термодинамических процессах (циклах) и об обратимых и действительных (необратимых) циклах теплоэнергетических установок. Показано, в чем заключается недостаточность анализа эффективности циклов и установок, базирующегося только на 1-м законе термодинамики; описано, в чем состоит анализ эффективности установок, основанный на обоих - 1-м и 2-м - законах термодинамики (эксергетический анализ). Объяснены понятия эксергии и эксергетических потерь. Приведены примеры применения различных методов анализа эффективности: метода коэффициентов полезного действия при анализе теплосиловой установки, а также энтропийного и эксергетического методов во всех разобранных примерах. Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика» и изучающих дисциплину «Термодинамика». Дано представление о круговых термодинамических процессах (циклах) и об обратимых и действительных (необратимых) циклах теплоэнергетических установок. Показано, в чем заключается недостаточность анализа эффективности циклов и установок, базирующегося только на 1-м законе термодинамики; описано, в чем состоит анализ эффективности установок, основанный на обоих - 1-м и 2-м - законах термодинамики (эксергетический анализ). Объяснены понятия эксергии и эксергетических потерь. Приведены примеры применения различных методов анализа эффективности: метода коэффициентов полезного действия при анализе теплосиловой установки, а также энтропийного и эксергетического методов во всех разобранных примерах. Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика» и изучающих дисциплину «Термодинамика».
Для студентов вузов, обучающихся по направлению "Теплоэнергетика" и изучающих дисциплину "Термодинамика".
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- ВО - Магистратура
- 13.04.01: Теплоэнергетика и теплотехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана И.Б. Павлова МЕТОДЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Под редакцией В.И. Хвесюка Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия по курсу «Термодинамика» Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2011
УДК 621.1.016(075.8) ББК 31.31 П12 Рецензенты: Р.З. Кавтарадзе, В.К. Тютин Павлова И.Б. Методы термодинамического анализа эффективности теплоэнергетических установок : учеб. пособие по курсу «Термодинамика» / И.Б. Павлова; под ред. В.И. Хвесюка. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 108, [4] с. : ил. Дано представление о круговых термодинамических процессах (циклах) и об обратимых и действительных (необратимых) циклах теплоэнергетических установок. Показано, в чем заключается не- достаточность анализа эффективности циклов и установок, бази- рующегося только на 1-м законе термодинамики; описано, в чем состоит анализ эффективности установок, основанный на обоих 1-м и 2-м законах термодинамики (эксергетический анализ). Объяснены понятия эксергии и эксергетических потерь. Приведе- ны примеры применения различных методов анализа эффективно- сти: метода коэффициентов полезного действия при анализе теп- лосиловой установки, а также энтропийного и эксергетического методов во всех разобранных примерах. Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Тепло- энергетика» и изучающих дисциплину «Термодинамика». УДК 621.1.016(075.8) ББК 31.31 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 П12
ПРЕДИСЛОВИЕ В рассматриваемых в данном пособии теплоэнергетических установках происходят превращения энергии, в результате кото- рых либо получается работа (в теплосиловых установках), либо передается теплота с низшего температурного уровня на высший (в холодильных и теплонасосных установках). При этом энергети- ческим ресурсом, которым необходимо располагать, в первом слу- чае является теплота, а во втором работа. Проведение общего анализа эффективности таких установок позволяет выяснить: как получить максимальный выход работы, холода1 или теп- лоты при минимальных затратах соответственно теплоты (топлива органического или ядерного) или работы (электроэнергии); как обеспечить минимальные затраты металла и других ма- териалов при условии достижения необходимой прочности и на- дежности конструкций; как ограничить затраты на обслуживание установок и т. п.; как свести к минимуму вред, наносимый окружающей среде действием теплоэнергетических установок. Исследования, связанные с первым из поставленных вопросов, заключаются в проведении термодинамического анализа установок. Для выработки мероприятий, необходимых для решения задач, пе- речисленных во втором и третьем пунктах, требуется проведение технико-экономического анализа. Окончательные выводы можно сделать с учетом и термодинамического, и технико-экономического анализов. В данном пособии вопросы технико-экономического ана- лиза не затрагиваются. Здесь рассматриваются методы термодина- мического анализа прямых и обратных необратимых (реальных) циклов различных теплоэнергетических установок. ______________ 1 Производством холода называется происходящий в холодильных машинах процесс отвода теплоты от охлаждаемых объектов при температуре ниже темпе- ратуры окружающей среды [11].
Обычно термодинамический анализ начинается с рассмотрения обратимого цикла. На этой стадии исследования процесса преоб- разования энергии результаты получаются как следствия 1-го за- кона термодинамики. Например, если речь идет о преобразовании теплоты в работу, то оценивается отношение величин, входящих в уравнение (1.1а), которое следует из 1-го закона термодинамики, т. е. отношение полученной работы к количеству затраченной теп- лоты (термический КПД цикла). Поскольку уравнение 1-го закона термодинамики справедливо для всех процессов и обратимых, и необратимых, – его использу- ют в виде уравнения баланса теплоты при анализе и необратимых циклов, а также установок в целом. Но на основе уравнения тепло- вого баланса не удается установить характер распределения необра- тимости по отдельным элементам установки и провести количест- венную оценку местных потерь. Так как снижение эффективности преобразования теплоты в работу связано с возрастанием энтропии при проведении этого процесса, оценивать необратимые потери можно только с использованием 2-го закона термодинамики. Таким образом, задача термодинамического анализа заключа- ется не только в том, чтобы определить предельно возможную эф- фективность установки, но также и в том, чтобы выявить те эле- менты установки, уменьшение необратимости в которых может повлиять на повышение эффективности установки в целом. По- этому термодинамический анализ должен быть основан на обоих законах термодинамики 1-м и 2-м. В данном пособии показано, в чем состоит недостаточность термодинамического анализа эффек- тивности теплоэнергетических установок по показателям, полу- ченным на основе только 1-ого закона термодинамики, а также как проводится анализ с применением обоих законов термодинамики. Автор выражает признательность доценту кафедры Э-6 В.И. Хвостову, высказавшему целый ряд замечаний, и аспиранту кафедры Д.Н. Карбушеву, выполнившему графическую часть ра- боты.
1. КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ (ЦИКЛЫ) Термодинамическая система и окружающая среда. Термо- динамической системой (ТС) называется макроскопический объ- ект, подлежащий термодинамическому анализу. Все другие тела, которые не входят в состав исследуемой ТС и с которыми ТС мо- жет взаимодействовать, принято называть окружающей средой (ОС). Взаимодействующие ТС и ОС обмениваются между собой энергией и веществом или только энергией. Возможны два качественно различных способа передачи энер- гии от одного тела к другому: передача энергии в форме работы (совершением работы) и в форме теплоты (путем теплообмена). Передача энергии в форме работы происходит в процессе силового взаимодействия тел. Работа, совершенная над телом, есть работа силы, приложенной к нему со стороны другого тела, с которым первое тело взаимодействует. В зависимости от природы дейст- вующих сил работу называют механической, электрической и др. Передача энергии в форме теплоты (теплообмен) обусловлена разностью температур взаимодействующих тел. Теплообмен про- исходит либо при непосредственном контакте тел (теплопровод- ность, конвекция), либо при испускании и поглощении электро- магнитных волн (теплообмен излучением). Максвелл охарактеризовал работу как передачу упорядоченно- го движения от одного тела к другому, а теплоту как передачу хаотического движения микрочастиц вещества. Понятие «работа» связано с передачей энергии любого вида, а понятие «теплота» с передачей только внутренней энергии. Количество энергии, пере- даваемой в форме работы или в форме теплоты, называют количе- ством работы или количеством теплоты соответственно. Телами ОС являются источники и приемники теплоты, работы и вещества. В качестве одного из тел ОС рассматривается источник теплоты бесконечно большой теплоемкости, имеющий наинизшую установившуюся естественным образом температуру атмосферный
воздух или вода природных водоемов. В различных случаях такое тело может быть приемником или источником теплоты. Поверхность, реальная или условная, которая отделяет ТС от ОС и на которой могут происходить взаимодействия между ними, называется контрольной поверхностью. Контрольная поверхность может допускать взаимодействия различного рода, а может и изо- лировать ТС от ОС. Например, если контрольная поверхность не допускает обмена энергией между ТС и ОС в форме теплоты, то она называется адиабатной поверхностью, а процесс взаимодейст- вия адиабатным процессом. Если контрольная поверхность рас- сматривается как абсолютно жесткая, обмен энергией в форме работы деформации отсутствует. И наконец, контрольная поверхность может быть проницаемой или непроницаемой для вещества. Если контрольная поверхность допускает обмен энергией между ТС и ОС в любой форме, но не допускает обмена веществом, то ТС называется закрытой. Если ТС может обмениваться с окружающей средой и энергией, и веществом, она называется открытой. Взаимодействия определенного рода: деформационное, электрическое, магнитное и др., а также тепловое – возможны, если на контрольной поверхности существуют разности соответствующих одноименных интенсивных параметров состояния. При изучении процессов в теплоэнергетических установках рассматриваются главным образом два рода взаимодействий: тепловое, обусловленное разностью температур, и деформационное, вызванное разностью давлений. Если эти разности бесконечно малы (в пределе равны нулю), протекает равновесный процесс, а если разности конечны неравновесный. Поскольку в равновесном процессе термодинамическая система проходит ряд бесконечно близких состояний, каждое из которых является равновесным, равновесные процессы можно изображать в термодинамических диаграммах. Представление о равновесности процесса является идеализацией, важной для понимания термодинамики. Все реальные процессы неравновесны. Равновесные процессы обладают свойством обратимости: обра- тимым называется процесс, при проведении которого сначала в прямом, а затем в обратном направлениях к начальному состоянию возвращаются и термодинамическая система, и окружающая среда. Совокупность взаимодействующих между собой ТС и ОС, включенная в границы, не допускающие никаких иных взаимодей- ствий, называется расширенной системой (рис. 1.1). Например,
если термодинамическому исследованию подвергается установка с поршневым двигателем внутреннего сгорания, она и представляет собой расширенную систему: в качестве ТС рассматриваются про- дукты сгорания топлива, периодически подвергающиеся расшире- нию и сжатию в цилиндрах двигателя. Телами ОС являются источник теплоты (сгорающее топливо), приемник теплоты (атмосферный воз- дух) и приемник работы (например, электрогенератор). Кроме того, в процессах расширения газов маховик является приемником работы, а в процессах сжатия источником работы. Рис. 1.1. Расширенная система: ТС термодинамическая система; 1, 2, 3, 4 тела, составляющие окружаю- щую среду Круговые процессы (циклы). Несколько последовательных процессов, в результате протекания которых термодинамическая система, взаимодействуя с окружающей средой, возвращается в исходное состояние, образуют круговой процесс, или цикл. Обратимый цикл, т. е. цикл, состоящий из обратимых (равно- весных) процессов, может быть представлен графически (см., на- пример, цикл 1D2C1 в координатах V – p и S – T на рис. 1.2, а и б). Поскольку внутренняя энергия системы является функцией со- стояния, ее изменение U в круговом процессе равно нулю. По уравнению 1-го закона термодинамики , U Q L где Q теплота; L работа, для кругового процесса имеем
ц ц, Q L (1.1) где ц Q – общее количество теплоты, полученной и отданной тер- модинамической системой при взаимодействии с окружающей средой; ц L – общее количество работы всех процессов цикла. Та- ким образом, количество работы, совершенной в течение цикла, равно суммарному количеству теплоты, которым система обменя- лась с окружающей средой. Рис. 1.2. Круговой процесс (цикл): а в координатах объем давление; б в координатах энтропия температура В соответствии с рис. 1.2, а и формулой 2 1 2 1 , L pdV где p абсолютное давление; V объем ТС, работа в процессе 1D2 положительна (объем системы увеличивается): 1 0 1D2 L L (площадь e1D2f ), а в процессе 2С1 отрицательна: 2 0 2C1 L L (площадь ). e1С2 f Следовательно, ц 1 2 0, i L L L L т. е. работа цикла 1D2C1, численно равная площади, ограни- ченной его контуром в координатах V – p, положительна. Это
означает, что в результате осуществления некоторой термодина- мической системой цикла 1D2C1 была получена работа. На рис. 1.2, б линия 1D2 изображает процессы, протекающие с увеличением энтропии S (подвод теплоты к системе), а линия 2С1 – с уменьшением энтропии (отвод теплоты). Эти же процессы изображены на рис. 1.2, а в координатах V – p. Обозначив через 1 Q количество теплоты, подведенное к термодинамической системе от теплоотдатчика в процессе 1D2 (площадь m1D2n в координатах ), S T и через 2 Q – количество теплоты, отведенное от системы к теплоприемнику в процессе 2C1 (площадь m1C2n), в соответствии с правилом знаков, принятых для количеств теплоты (см. [14], с. 34), получим ц 1 2 0, i Q Q Q Q где ц Q количество теплоты, превращенное в работу (см. (1.1)). Циклы, в результате осуществления которых происходит пре- вращение теплоты в работу, называются прямыми (в соответствии с направлением обхода контура цикла по ходу часовой стрелки). Уча- стки прямого цикла с подводом теплоты соответствуют более высо- кой температуре, чем участки с отводом теплоты (см. рис. 1.2, б, диа- грамму S – T). Таким образом, в прямом цикле теплота 1, Q подведенная к термодинамической системе на высшем температурном уровне, равна сумме 1 ц 2 Q Q Q или, поскольку ц ц, Q L 1 ц 2 , Q L Q (1.1а) т. е. сумме работы цикла и теплоты, отведенной от ТС на низшем температурном уровне. Здесь величины ц L и 2 Q отнесены к цик- лу, все процессы в котором обратимы. В тепловом балансе необратимого цикла (см. разд. 3.2) учиты- ваются потери, связанные с необратимостью процессов, которые уменьшают работу цикла. Поэтому максимальный полезный эф- фект имеют обратимые циклы. Этот эффект оценивается термиче-
ским коэффициентом полезного действия (КПД) t, который ра- вен отношению работы обратимого цикла к количеству подведен- ной к термодинамической системе теплоты: t = ц 1 ц 1 2 1 / / 1 / L Q Q Q Q Q (1.2) или, переходя к удельным величинам, t = ц 1 2 1 / 1 / . l q q q (1.2а) Выражения (1.2) и (1.2а) показывают, что термический КПД меньше единицы; это является следствием того, что не все количе- ство подведенной к системе теплоты 1 1 ( , ) Q q превращается в рабо- ту, так как часть его 2 2 ( , ) Q q неизбежно отводится в окружающую среду. По прямым циклам работают тепловые двигатели устройст- ва, предназначенные для превращения теплоты в механическую работу. Периодическое действие двигателя (т. е. последовательное совершение многих повторяющихся циклов) позволяет осуществ- лять это превращение непрерывно. Термодинамическая система, за счет изменения состояния которой в тепловых двигателях получа- ют работу, называется рабочим телом. На рис. 1.2, а и б также изображен обратный цикл 1С2D1, на- правления протекания процессов которого указаны штриховыми линиями со стрелками. Для обратного цикла ц 1 2 2 1 0 C D L L L (1.3) и ц 2 1 0, Q Q Q (1.4) где 2 1 2 C Q Q количество теплоты, подведенное к термодинами- ческой системе на низшем температурном уровне; 1 2 1 D Q Q ко- личество теплоты, отведенное от системы на высшем температур- ном уровне (см. рис. 1.2, б). Выражения (1.3) и (1.4) показывают, что для совершения об- ратного цикла затрачивается работа ц, L при этом происходит пе- редача теплоты на высший температурный уровень в количестве 1 2 ц 2 ц . Q Q Q Q L (1.5)
Доступ онлайн
В корзину