Методы повышения эффективности теплосиловых установок

Введение
Термодинамика не запрещает такое преобразование, так как по главному закону термодинамики....
Du = dq - dw #8594; Dw = dq - du.
Следовательно, операцию Dw0 разрешено получить либо подачей тепла dq0 и/ или уменьшением внутренней энергии du0.
В хим технике и энергетике тепловые электростанции употребляются в качестве источников энергии для компрессоров, вакуумных насосов, вентиляторов и воздуходувок, насосов для перемещения жидкостей, привода дробилок и остальных измельчителей. В энергетике тепловые электростанции употребляются для производства электрической и тепловой энергии для отопления.
1. Двигатели внутреннего сгорания
Эти двигатели отличаются по типу топлива бензином и дизельным топливом. На рисунке. 1 показана индикаторная диаграмма цикла бензиновых двигателей.
Рис.1. Схема-индикатор двигателя внутреннего сгорания с бензиновым двигателем.
А1 - процесс всасывания паро-воздушной смеси в объем цилиндра;
1 - 2 - сжатие этой смеси; в точке 2 - искровое зажигание зажигательного устройства (свечи);
2 - 3 - вспышка (взрыв) паров бензина в смеси с кислородом воздуха;
3 - 4 - процесс политропического расширения дымовых газов;
в пункте 4 - открытие выпускного клапана;
4 - 1 - процесс отвода дымовых газов в атмосферу.
На рис. 2 приведена индикаторная диаграмма дизельного двигателя внутреннего сгорания.
Рис. 2. Индикативная схема дизельного двигателя внутреннего сгорания.
А1 - это процесс всасывания чистого воздуха из атмосферы в цилиндр двигателя;
1 - 2 - процесс сжатия воздуха; в точке 2 - впрыск дизельного топлива в цилиндр;
2 - 3 - сжигание топлива; 3 - 4 - процесс политропического расширения;
т. 4 - открытие выпускного клапана; 4 - 1 - выброс дымовых газов в атмосферу.
Можно показать, что тепловой КПД ηt двигателей внутреннего сгорания сильно зависит от степени сжатия p1/r2 : чем больше эта степень, тем больше ηt. Для бензиновых двигателей степень сжатия ограничивается температурой самовоспламенения паров бензина в смеси с кислородом воздуха. Поэтому смесь паров должна сжиматься до температуры ниже точки воспламенения, а само сгорание (взрывчатого типа) инициируется искрой в свече зажигания.
В дизельных двигателях чистый воздух сжимается, и степень сжатия в таких двигателях ограничивается только прочностными свойствами материалов двигателя. По этой причине степень сжатия в дизельных двигателях значительно выше, чем в бензиновых, поэтому доступен также сайт ηt.
Для бензиновых двигателей η ≈ 25% - 30%, для дизельных двигателей η ≈ 40% - 45%. Это означает, что из 10 литров бензина, находящегося в баке, только 2,5 литра будут использованы для привода автомобиля, а остальное - для подогрева атмосферы и экологической грязи. Но дизельный двигатель будет потреблять чуть меньше половины топлива, а остальное будет использоваться для подогрева атмосферы и экологической грязи.
2. Паровые агрегаты
На рис. 3 представлена технологическая схема паротурбинной электростанции для производства электроэнергии.
Пар высокого давления и температуры подается в сопла турбины, где потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию потока пара (скорость потока - сверхзвуковая). Кинетическая энергия сверхзвукового потока преобразуется на лопатках турбины в кинетическую энергию вращения турбинного колеса и в работу по выработке электроэнергии.
На рис. 3 показана одна турбина, фактически турбина имеет несколько ступеней расширения пара.
После турбины пар направляется в конденсатор. Это обычный теплообменник, охлаждающая вода проходит внутри труб, водяной пар конденсируется снаружи, и вода становится жидкой.
Рис. 3. Основная технологическая схема паровой электростанции.
Эта вода подается на питающий насос, где давление возрастает до номинального (расчетного) значения.
Затем вода под высоким давлением направляется в котельную. В этом агрегате вода сначала нагревается до точки кипения из дымовых газов топки котла, затем подается в кипящие трубы, где подвергается фазовому превращению в состояние сухого насыщенного пара.
Наконец, сухой насыщенный пар поступает в перегреватель, который нагревается дымовыми газами топки. Состояние пара на выходе из перегревателя указано в п. 1. Это закрывает цикл. Данный цикл паротурбинной электростанции был предложен немецким инженером Ранкиным, поэтому он получил название "цикл Ранкина....".
Рассмотрим цикл Ранкина на трех термодинамических схемах p - v, T - s, h - s..
Рис. 4 Рейтинговый цикл на термодинамических диаграммах.
Нумерация точек совпадает с нумерацией на рис. 4.
Процесс 1 - 2 - расширение пара в соплах турбины;
2 - 3 - процесс конденсации пара; 3 - 4 - процесс в подающем насосе;
4 - 5 - процесс нагрева и кипячения воды; 5 - 1 - процесс перегрева пара.
Заштрихованными являются те области диаграммы, площадь которых численно равна рабочему циклу и нагреву, и "ts = wz".
Из технологической схемы на рис

. следует, что тепло подается в рабочее тело в процессах 4 - 5 - 1, при которых ds 0. А для этих процессов характерен инвариант p1 = const. Поэтому тепло, подаваемое в цикле Ренкина "подву", равно:
"сабвуф" = h1 - h4. J.
Тепло отводится от рабочего тела в процессе 2 - 3 (ds 0), причем этот процесс тоже p2 = const. Поэтому .
"ответ" = h2 - h3. J.
Разница между приложенным и приложенным теплом - это тепло петли "c", которое в режиме wc превращается в работу (см. лекцию 4):
wz = "c = (h1 - h4) - (h2 - h3) = (h1 - h2) - (h4 - h3)".
Разница между энтальпией воды перед подающим насосом (пункт 3) и после (пункт 4) пренебрежимо мала. В этом отношении.
wz = "c = h1 - h2".
Тепловая эффективность цикла Ренкина (а это отношение "пользы", т.е. wz, к "стоимости", т.е. "под") равна
ηt = (h1 - h2)/(h1 - h4).
Пример. Паровая электростанция работает по циклу Ренкина с начальными параметрами пара p1 = 20 бар и t1 = 3000C. Давление конденсатора p2 = 0,05 бар. Найти коэффициент тепловой эффективности ηt.
Решение. Как следует из общего метода решения задач, в котором присутствует реальный рабочий орган, в первую очередь необходимо выяснить состояние воды в первой точке цикла, чтобы узнать, из каких таблиц для водяного пара следует находить необходимые параметры.
Из таблиц насыщенного пара для H2O при значении p1 = 20 бар находим температуру насыщения (кипения): тонна = 2120С. Сравните это значение с t1 = 3000C. Так как t1 тонна, то делаем вывод, что в точке 1 водяной пар находится в перегретом состоянии и поэтому необходимо использовать таблицу для перегретого водяного пара. Глядя на нее, видим, что для решения задачи из таблицы необходимо использовать энтальпию в точке 1: h1 = 3019 кДж/кг.
Затем перейдем к определению параметров состояния пара в точке 2. Об этой точке известно, что p2 = 0.05 бар и что s2 = s1 = 6.757 кДж/кг K (здесь мы провели изоэнтропию от точки 1 до изобара p2 = const, потому что процесс 1 - 2 - это процесс течения пара в соплах турбины).
Опять же, мы традиционно ссылаемся на таблицу насыщенных паров воды по давлению и видим, что при p2 = 0,05 бар энтропия s΄ = 0,4761 кДж/кг K для кипящей воды и энтропия s" = 8,393 кДж/кг K для сухого насыщенного пара. Сравнивая энтропию s "s" и s2, мы видим, что пункт 2 относится к влажному (насыщенному) пару, поэтому мы должны использовать влажный водяной пар.
Глядя на это, мы видим, что для решения этой задачи необходимо определить значение энтальпии в пункте 2. Для этого сначала нужно найти степень сухости водяного пара в точке 2, и только потом определить h2.
s2 = s1 = s΄ + xr/Tn → x = (s1 - s΄)Tn/r.
Мы находим фазовую переходную теплоту воды под давлением p2 = 0,05 бар на тех же самых таблицах насыщенного водяного пара: r = 2423 Кдж/кг. Здесь мы также находим температуру пара в точке 2: t2 = тонна = 32.880C. Затем .
x = (6,757 – 0,476)(32,88 + 273)/2423 = 0,793.
Теперь можно рассчитать энтальпию водяного пара в точке 2:
h2 = h΄ + xr → h2 = 137,83 + 0,793*2423 = 2059 кДж/кг.
Кипящая энтальпия воды h=137,83 кДж/кг=Н4 снова находится в тех же самых таблицах насыщенных водяных паров.
Это окончательное решение:
ηt = (3019 - 2059)/(3019 - 137,83) = 0,333.
Ответ: ηt = 0,333 = 33,3%.
Примечание. Это значение теплового КПД, по сути, означает следующее. Из 100 вагонов угля, сжигаемых в топке котельного агрегата, добываемого гдеето в Кузбассе тяжелым и опасным трудом шахтеров, привезенных, скажем, на Кольский полуостров в Кировске по железной дороге, - только 34 вагона угля будут "превращены" в электричество, а остальные 66 вагонов пойдут на подогрев атмосферы. Какая расточительность!
Горячая вода из конденсаторов некоторых ТЭЦ на берегах Москвы-реки сбрасывается в реку. Дикие утки не хотят лететь в Африку на зиму, они и ТЭЦ - это хорошо, но для нас это разорение.
Наблюдение. Мы найдем тепловую эффективность цикла Carno в тех же температурных пределах, что и в рассмотренном нами примере. Температура воды в конденсаторе уже определена по таблице насыщенного водяного пара при p2 = 0,05 бар: тонна = 32,880С.
ηкt = 1 - T2/T1 = 1 - (32,88 + 273)/(300 + 273) = 0,466 = 46,6%.
Другими словами, наиболее совершенный цикл, т.е. цикл Карно, имеет эффективность в условиях рассматриваемого примера чуть меньше половины (из 100 вагонов угольной половины пойдет на подогрев атмосферы). Здесь тоже бесполезно спорить с термодинамикой.
На рис. 5 показана причина низкой эффективности цикла Ренкина по сравнению с циклом Карно.
Рис. 5. Иллюстрация причины низкой эффективности цикла Ренкина
по сравнению с циклом Карно. Потеря работы - заштрихованная область.
Нумерация точек совпадает с нумерацией на рисунке