8977

УДК 378.126

Дыскин Л.М. Анализ эффективности паросилового цикла [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / Л.М. Дыскин, Н.А. Самсонова; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 54 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Ключевые слова: техническая термодинамика, теплопередача, термодинамические процессы, паросиловой цикл, водяной пар, тепловая энергия.

Рассмотрены различные методы определения эффективности теплоэнергетических установок. Приведен анализ паросилового цикла Ренкина методом коэффициентов полезного действия и эксергетическим методом. Даны основные показатели экономичности конденсационной и теплофикационной паросиловых установок.

© Л.М. Дыскин, Н.А. Самсонова, 2016

© ННГАСУ, 2016

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей теплоэнергетики является изучение закономерностей энергетических процессов, протекающих в различных теплоэнергетических устройствах. Непосредственный практический интерес представляет разра-

ботка наиболее экономичных способов превращения энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую или электрическую энергию, поступа-

ющую потребителю.

Современные энергетические установки являются сложными устрой-

ствами, состоящими из большого количества узлов. Анализ эффективности таких установок должен предусматривать исследование эффективности от-

дельных узлов. Это дает возможность выявить места наибольших потерь энер-

гии и определить способы повышения экономичности установки.

Традиционным, наиболее распространенным методом анализа эффек-

тивности циклов теплоэнергетических установок является метод коэффициен-

тов полезного действия. В основе этого метода лежит определение относи-

тельных и абсолютных КПД отдельных узлов и установки в целом. Метод КПД учитывает потери, обусловленные лишь внутренней необратимостью цикла, но не учитывает потерь, связанных с внешней необратимостью, т.е. ко-

нечной разностью температур источника теплоты и рабочего тела.

Поэтому в последнее время все более широкое распространение находят методы анализа эффективности, основанные на понятии работоспособности термодинамической системы и учитывающие внешнюю необратимость цикла.

В первом из этих методов – энтропийном – используют для расчета ве-

личину изменения энтропии всего цикла и отдельных элементов последнего.

При этом теплоэнергетическая система рассматривается в целом как изолиро-

ванная термодинамическая система.

Во втором эксергетическом методе определения потерь работоспособ-

ности каждый элемент установки рассматривают как самостоятельную неизо-

5

лированную термодинамическую систему. Эффективность работы элемента оценивают путем сравнения работоспособности, которой обладает рабочее те-

ло на входе в этот элемент, с величиной потери работоспособности в результа-

те необратимых процессов, происходящих в элементе.

Очевидно, что, в конечном итоге, все перечисленные выше методы, по-

строенные на законах термодинамики, дают одинаковый результат.

В данной работе необходимо рассчитать эффективность необратимого цикла Ренкина, который является основным в современных паросиловых установках, а также определить экономичность теплофикационного цикла с ухудшенным вакуумом в конденсаторе.

Варианты задания выбираются по табл. 1 и 2 Приложения.

6

1 . ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕОБРАТИМЫХ ЦИКЛОВ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

1.1. Метод коэффициентов полезного действия

Для оценки эффективности паросиловой установки следует ответить на два основных вопроса:

1. Каков коэффициент полезного действия обратимого цикла теплоси-

ловой установки, от каких факторов он зависит и что следует предпринять для его увеличения?

2. Каковы необратимые потери в реальном цикле установки, как рас-

пределяются эти потери по отдельным элементам цикла и на усовершенство-

вание какой части цикла теплосиловой установки надо обратить внимание для уменьшения степени необратимости и, следовательно, увеличения КПД цик-

ла?

Поэтому анализ циклов теплосиловых и других установок проводится,

как правило, в два этапа: сначала анализ обратимого цикла, затем - реального цикла, с учѐтом основных источников необратимости.

Термин «термический КПД» употребляют для обозначения КПД об-

ратимого цикла, а КПД реального необратимого цикла называют внутренним абсолютным КПД цикла

Внутренний абсолютный КПД характеризует степень совершенства процессов, выполняемых рабочим телом, но не отражает степени конструк-

тивного совершенства тех или иных узлов установки, характеризуемого эф-

фективными КПД, которые рассмотрены ниже.

В соответствии с определениями

7

лота, подводимая к рабочему телу, отводимая от рабочего тела в обратимом

цикле и отводимая от рабочего тела в действительном цикле соответственно. Степень совершенства обратимых циклов полностью характеризуется

величиной термического КПД в сравнении с термическим КПД цикла Карно,

осуществляемого в том же интервале температур. Эффективность реальных циклов можно оценивать по величине внутреннего абсолютного КПД, опреде-

ляемого соотношением (1.2). Однако сама по себе величина не говорит о

том, какова степень необратимости цикла. Поэтому при анализе реальных не-

обратимых циклов используют понятие относительного КПД цикла, определя-

емого следующим образом. Уравнение (1.2) для внутреннего абсолютного КПД запишем в таком виде:

( ) ( )

Обозначив

⁄

с учетом уравнения (1.1) получим

Величина – внутренний относительный КПД цикла. Она показывает,

насколько действительный цикл менее совершенен, чем обратимый цикл, т. е.

какую долю термического КПД обратимого цикла составляет внутренний аб-

солютный КПД реального необратимого цикла.

Кроме необратимых потерь, возникающих в процессах, осуществляемых собственно рабочим телом в цикле и учитываемых внутренним относитель-

8

ным КПД цикла, в реальной теплосиловой установке имеются потери, обу-

словленные необратимостью тепловых, механических, электрических процес-

сов в отдельных элементах установки (потери на трение в подшипниках, в па-

ропроводах, электрические потери в электрогенераторе и т. д.).

С учѐтом этого эффективность теплосиловой установки в целом харак-

теризуется величиной эффективного абсолютного КПД, представляющего со-

бой отношение величины работы, отданной теплосиловой установкой внеш-

нему потребителю, к количеству теплоты, подведѐнной к установке.

Рассмотрим подробнее внутренний относительный КПД реального цик-

ла.

Обязательным элементом теплосиловой установки являются: устрой-

ство, в котором производится работа при расширении рабочего тела (турбина,

цилиндр с поршнем, реактивное сопло и т.д.), и устройство, в котором за счѐт подвода работы извне осуществляется сжатие (повышение давления) рабочего

тела (компрессор, диффузор, насос, цилиндр с поршнем в такте сжатия и т. д.).

Реальные процессы сжатия (повышения давления) и расширения рабоче-

го тела всегда сопровождаются необратимыми потерями. Так, при расширении рабочего тела в процессе адиабатного течения с трением в кинетическую энергию потока (а затем в механическую работу) преобразуется только часть располагаемой разности энтальпий: если располагаемая разность энтальпий

конце обратимого процесса расширения и в конце необратимого (действи-

тельного) процесса расширения соответственно.

Поэтому внутренний относительный КПД реального процесса расшире-

ния, например, в турбине равен:

9

Аналогично в устройствах, сжимающих рабочее тело, действительная

отсутствии этих потерь.

Внутренний относительный КПД реального процесса сжатия (повыше-

ния давления), например, в компрессе равен

⁄

Величины внутренних относительных КПД машин определяют экспе-

риментальным путѐм.

Поскольку работа цикла равна разности работы, полученной в процессе расширения, и работы, затраченной в процессе сжатия (повышения давления),

ее можно выразить уравнением

а работу реального необратимого цикла – уравнением

или с учѐтом (1.5) и (1.6):

В соответствии с (1.3) соотношение для внутреннего относительного КПД цикла запишется в виде

Для паросиловых циклов иногда допустимо пренебречь работой повы-

шения давления в конденсатном насосе по сравнению с работой расширения пара в турбине, поэтому можно записать: