Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок
Цикл Карно
Цикл Карно
Циклы ДВС
Циклы ДВС
Теоретические циклы ДВС
Цикл Отто
Цикл Отто
Характеристики цикла Отто
Необходимо отметить
Цикл Дизеля
Цикл Дизеля
Характеристики Цикла Дизеля
Необходимо отметить
Цикл Тринклера (Сабатэ)
Характеристики цикла Тринклера-Сабатэ
Сравнение циклов Отто и Дизеля при ε=const
Сравнение циклов ДВС Т3=const
Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок
Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)
Изменение давления в зависимости от времени в камере сгорания
Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)
Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)
Экономичность цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)
Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const
Простейшая камера сгорания ГТУ
Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const
Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const
Экономичность цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const
Сравнение циклов ГТУ
Сравнение циклов ГТУ
Цикл ГТУ с регенерацией тепла
Цикл ГТУ с регенерацией тепла
Характеристики цикла ГТУ с регенерацией тепла
Учет необратимости в ГТУ
Учет необратимости в ГТУ
Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок
Цикл Ренкина на перегретом паре
Цикл Ренкина на перегретом паре
Термический КПД цикл Ренкина на перегретом паре
Влияние начальной температуры пара на термический КПД цикла Ренкина
Влияние начального давления пара на термический КПД цикла Ренкина
Влияние начального давления пара на термический КПД цикла Ренкина
Промежуточный перегрев пара (вторичный)
Промежуточный перегрев пара (вторичный)
Промежуточный перегрев пара (вторичный)
Влияние конечных параметров пара на величину КПД цикла Ренкина
Регенеративный цикл
Регенеративный цикл
Влияние числа отборов на прирост термического КПД
Основные характеристики цикла
Основные характеристики цикла
Теплофикационные установки
Турбины с противодавлением (типа Р)
Турбины с промежуточным регулируемым отбором пара (типа П)
Турбина с двухступенчатым подогревом сетевой воды (типа Т)
Маркировка паровых турбин
Примеры обозначений
Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок
Система «рабочее тело-окружающая среда»
Эксергия
Энергия и эксергия
Виды эксергии и ее составляющие
Виды эксергии и ее составляющие
Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок
Эксергия вещества в замкнутом объеме
Эксергия вещества в замкнутом объеме
Эксергия вещества в замкнутом объеме
Эксергия вещества в замкнутом объеме
Эксергия вещества в потоке
Эксергия вещества в потоке
Эксергия вещества в потоке
Эксергия вещества в потоке
Эксергия потока теплоты
Эксергия потока теплоты
Эксергия потока теплоты
Физический смысл коэффициента работоспособности теплоты
Эксергия потока теплоты при p=const
Эксергия потока излучения
Эксергия потока излучения
Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок
Эксергетические балансы и эксергетическая производительность
Виды потерь
Закон Гюи-Стодолы
Закон Гюи-Стодолы
Закон Гюи-Стодолы
Закон Гюи-Стодолы
Эксергетический анализ топливоиспользующих установок
Эксергия топлива
Потери эксергии Паротурбинная установка
Потери эксергии Парогенератор
Потери эксергии Парогенератор
Потери эксергии. Паропровод
Потери эксергии. Паропровод
Потери эксергии. Турбогенераторная установка
Потери эксергии. Турбогенераторная установка
Потери эксергии. Турбогенераторная установка
Потери эксергии. Турбогенераторная установка
Потери эксергии. Конденсатор
Потери эксергии. Насос
Роль потерь эксергии в разных элементах системы
3.03M
Category: physicsphysics

Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок. Циклы ДВС

1. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок

Циклы ДВС

2. Цикл Карно

p
1
1-2 изотермическое
расширение
2-3 адиабатное расширение
3-4 изотермическое сжатие
4-1 адиабатное сжатие
q1
2
4
q2
3
v

3. Цикл Карно

T
q1
1
Цикл Карно
2
Т1
Т2
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
T2 s
Т2
1
1
T1 s
Т1
3
4
q2
Δs
S
Цикл Карно дает максимальное значение
термического КПД в заданной диапазоне температур

4. Циклы ДВС

4
Циклы ДВС
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
4-0 – изохорный отвод теплоты (выхлоп дымовых газов в атмосферу)

5. 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

6. Теоретические циклы ДВС

ЦИКЛЫ ДВС
Цикл Отто
Цикл Дизеля
Цикл
Тринклера-Сабатэ

7. Цикл Отто

1-й такт: ВПУСК
Открывается впускной клапан
Поршень движется вниз
Цилиндр заполняется ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСЬЮ
Закрывается впускной клапан
2-й такт: СЖАТИЕ
Клапаны закрыты
Поршень движется вверх
Повышаются давление и температура
3-й такт СГОРАНИЕ-РАСШИРЕНИЕ
Сгорание.
Расширение.
4-й такт: Выпуск
Открывается выпускной клапан
Поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания,
находящиеся в цилиндре

8. Цикл Отто

p
T
3
3
q1
q1
2
2
4
q2
1
4
q2
1
v
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
s

9. Характеристики цикла Отто


1
ε
2
p3

p2
Cv T4 T1
q2
1
• ηt 1
q1
Cv T3 T2
T4
1
T1
1
T1
1 k 1
1
T2 T3 1
T
2

10. Необходимо отметить

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

11. Цикл Дизеля

1-й такт: ВПУСК
Открывается впускной клапан
Поршень движется вниз
Цилиндр заполняется ВОЗДУХОМ
Закрывается впускной клапан
2-й такт: СЖАТИЕ
Клапаны закрыты
Поршень движется вверх
Значительно повышаются давление и температура
3-й такт СГОРАНИЕ-РАСШИРЕНИЕ
Топливо впрыскивается под высоким давлением
Расширение.
4-й такт: Выпуск
Открывается выпускной клапан
Поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания,
находящиеся в цилиндре

12. Цикл Дизеля

q1
p
3
3
T
q1
2
4
2
4
1
q2
q2
1
v
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
s

13. Характеристики Цикла Дизеля

1
2
T4
1
Cv T4 T1
q2
T1 T1
1 p 1
1 1
1
1 k 1
q1
C p T3 T2
kT2 T3 1
(p 1)
T
2
3
2

14. Необходимо отметить

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

15. Цикл Тринклера (Сабатэ)

q’’1
p
3
T
4
q”1
q’1
q’1
2
3
4
5
2
5
1
q2
1
q2
v
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
s

16. Характеристики цикла Тринклера-Сабатэ


1
2
p3
p2
4
3
q2
1
1
t 1 ' '' 1 1
q1 q1
( 1) ( 1)

17. Сравнение циклов Отто и Дизеля при ε=const

123’4 – цикл с изохорным
подводом теплоты
123’’4 – цикл с изобарным
подводом теплоты
3’
T
3’’
v=const
4
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
p=const
2
q2
дизеля
q1отто q
1
1
s
a
b
tотто tдизеля

18. Сравнение циклов ДВС Т3=const

1234 – цикл с изохорным
подводом теплоты
12’34 – цикл с изобарным
подводом теплоты
3
T
p=const
2’
2
4
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
v=const
q2
1
s
q1дизеля q1отто
tдизеля tотто

19. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок

Схемы и циклы ГТУ

20.

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

21. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)

1 – компрессор
3 – камера сгорания
4 – топливный насос
5 – клапаны
6 – газовая турбина

22. Изменение давления в зависимости от времени в камере сгорания

23. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)

Р
Р0
Цикл ГТУ с подводом теплоты в
процессе
v=const
(импульсная)
3
q1
4
2
1
q2
T
3
q1
4
2
1
v
q2
s
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 теплоты

24. Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)

p2
• ( )
p1
p3
пт
p2
• t 1
1
k пт1/k 1
(k 1)/k
пт 1

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

26. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const

1 – компрессор
2 – камера сгорания
3 – газовая турбина
4 – электрогенератор
5 – топливный насос

27. 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

28. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const

Цикл ГТУ с подводом теплоты в
q
процессе p=const
1
Р
2
3
1
q2
4
v
3
T
q1
4
2
1
q2
s
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 теплоты

29. Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const

p2
• ( )
p1
3
2
q2
T4 T1
1
t 1 1
1 1
q1
T3 T2

30. Экономичность цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const

31. Сравнение циклов ГТУ

Условия сравнения:
v const p const
q1v const q1p const , то есть
3’
T
3’’
V=const
p=const
2
пл a123'b пл a123''c
4’’
4’
1
a
b c
s
отведенная теплота разная,
то есть пл a14'b пл a14''c
так как t 1 q2 , то
q1
v const
t
p const
t

32. 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

33. Цикл ГТУ с регенерацией тепла

1 – воздушный компрессор
2 – камера сгорания
3 – газовая турбина
4 – электрогенератор
5 - регенератор

34. Цикл ГТУ с регенерацией тепла

Р
2
q1
2’
3
qто
4’
1
4
q2
v
3
T
q1
2
1
2’
4’
4
q2
s
qто
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

35. Характеристики цикла ГТУ с регенерацией тепла

Т 2' Т 2
Т4 Т 2
3
T
q1
2
1
2’
4’
4
p2
p1
q2
s
qто
3
2'
t 1
Т
( 1)
2'
Т2
1
k 1
k
( 1)
( 1)

36. Учет необратимости в ГТУ

Т
q1
3

2
1

4
q2
s
1-2 адиабатное сжатие воздуха в
компрессоре
1-2д условное необратимое
адиабатное сжатие воздуха в
компрессоре
2д-3 изобарный подвод теплоты
(p=const)
3-4 адиабатное расширение
рабочего тела в газовой турбине
3-4д условное необратимое
адиабатное расширение рабочего
тела в турбине
4-1 изобарный отвод теплоты

37. Учет необратимости в ГТУ

кад
l
h h
2 1
l
h2 ' h1
т
к
д
к
li
lтд lкд
i
q1д h3 h2'
д
h3 h4 '
l
т
т
0i т
lт h3 h4
lе (h3 h4 ) 0iт (h2 h1 ) / кад мех
мех - механический КПД
е
le
q1д
Nе Gвоздle

38. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок

Схемы и циклы ПТУ

39. Цикл Ренкина на перегретом паре

1 – котлоагрегат
2 - турбина
3 - электрогенератор
4 - конденсатор
5 – питательный насос
ПЕ - пароперегреватель

40. Цикл Ренкина на перегретом паре

p
q1
3
4
2’
5
1
q2 2
v
T
1
q1
4
5
3
2’
q2 2
s
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
пароперегревателе

41. Термический КПД цикл Ренкина на перегретом паре

q1 q 2 (h1 h 3 ) (h 2 h 2' ) (h1 h 2 ) (h 3 h 2' ) l т lн
t
q1
(h1 h 3 )
(h1 h 3 )
q1
l т - работа пара в турбине
lн - работа сжатия в питательном насосе
q1 - подведенная теплота в котлоагрегате
q1 q 2 (h1 h 2 )
t
q1
(h1 h 3 )

42. Влияние начальной температуры пара на термический КПД цикла Ренкина

h
1’
T=const
q2
t 1
q1
∆q1
P=const
T=const 1
5
q1 q 2
2’
4
2
∆q2
t t'
3
s

43. Влияние начального давления пара на термический КПД цикла Ренкина

h
P’=const
T=const
1’
5’
q2
q1
q1 q 2
P=const
1
t 1
∆q1
t t'
5
4’
4
2
2’
∆q2
3
s

44. Влияние начального давления пара на термический КПД цикла Ренкина

h
P’=const
T=const
К
1’
1
3
• дополнительное сопротивление
• эрозия лопаток турбины
5’ 5
4’
4
P=const
• увеличивается работа насоса
• возрастает число ступеней
2
2’
x’
недостатки
• возрастает влажность и падает
сухость
х
методы борьбы
• одновременное повышение
давления и температуры пара
s
перед турбиной
• промежуточный (вторичный)
перегрев пара

45. Промежуточный перегрев пара (вторичный)

КА – котлоагрегат
ПЕ – пароперегреватель
ППЕ – промежуточный
пароперегреватель
ЦВД – цилиндр высокого давления
ЦСД – цилиндр среднего давления
ЦНД – цилиндр низкого давления
К – конденсатор
ПН – питательный насос

46. Промежуточный перегрев пара (вторичный)

q1’
T
1 q1”
4
5
7
6
3
2’
0
2
s
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

47. Промежуточный перегрев пара (вторичный)

t
q1 q 2 (h1 h 3 ) (h 7 h 6 ) (h 2 h 2 ' )
q1
(h1 h 3 ) (h 7 h 6 )
(h1 h 6 ) (h 7 h 2 ) (h 3 h 2 ' ) lЦВД lЦСД ЦНД lн
(h1 h 3 ) (h 7 h 6 )
q1' q1"
lЦВД - работа пара в цилиндре высокого давления
lЦСД ЦНД - работа пара в цилиндрах среднего и низкого давления
lн - работа сжатия в питательном насосе
q1' - подведенная теплота в котлоагрегате
q1" - подведенная теплота в промежуточном паропергревателе
t
(h1 h 6 ) (h 7 h 2 )
(h1 h 3 ) (h 7 h 6 )

48. Влияние конечных параметров пара на величину КПД цикла Ренкина

h
1

t
q1
5

2
4
Δq1
l1 q1
2’
3
t t'
3’
s

49. Регенеративный цикл

1-α1
1-α1-α2
ЭГ
ПП
~
Т
α1
ПВД
ПН 1-α1
α2
ПНД
α2
α1
К
ПП – пароперегреватель
Т – турбина
ЭГ – электрогенератор
К – конденсатор
ПНД – подогреватель низкого
давления
ПН – питательный насос
ПВД – подогреватель высокого
давления

50. Регенеративный цикл

T
1
5
а
а’
4
b’
3 2’
b
2
ПНД
s
ПВД
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

51. Влияние числа отборов на прирост термического КПД

52. Основные характеристики цикла

• Теоретическая мощность турбины
N т D0 h1 h2
• Внутренняя мощность турбины
h h
oi 1 2д
h1 h2
Ni D0 h1 h2д N т oi
• Эффективная мощность
Ne Ni м
• Электрическая мощность
N э Ne г

53. Основные характеристики цикла

• Относительный эффективный КПД
oe oi м
• Относительный электрический КПД
oэ oi м г
• Расход пара на турбину
Ni
Ne


D0
h1 h2 oi h1 h2 oe h1 h2 oэ h1 h2
• Удельный расход пара
d0
D0
1
N э oэ h1 h2

54.

Основные характеристики цикла
• Внутренний КПД цикла
т
н
lпол h1 h2 oi h3 h2' / oi
i
q1
h1 h2' h3 h2' / oiн
• Эффективный КПД цикла
e к
i м
• КПД котлоагрегата
D0 h1 h2'
к
BQнр

55. 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

56. Турбины с противодавлением (типа Р)

D 0 , p 0 , t0
2
1
3
4
5
4
Dп
pп
6
1 – тепловой потребитель;
2 – редукционно-охладительная
установка;
3, 5 – турбины с противодавлением
и конденсационная,
4 – генераторы;
6 – конденсатор
Dп
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.

57. Турбины с промежуточным регулируемым отбором пара (типа П)

1
2
3
4
5
D0, p0, t0
1, 2 – стопорный и регулирующий клапаны ЧВД;
3 – часть высокого давления;
10
4 – регулирующий клапан ЧНД;
5 – часть низкого давления;
6 – конденсатор;
7, 8 – отсечной и обратный клапаны;
9 – тепловой потребитель;
10 – редукционно-охладительная установка

7
9
Dп
8
pп

6

58. Турбина с двухступенчатым подогревом сетевой воды (типа Т)

D0, p0, t0
1
2
3
1, 3 – части высокого и низкого давления,
2 – регулирующий клапан;
4, 5 – нижняя и верхняя ступени
подогревателя сетевой воды
D1,
p1, h1
D2 ,
p2, h2
Dк,

Gсв, tпс
5
h′1
4 h′2
tос

59.

Маркировка паровых турбин
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

60.

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

61. Маркировка паровых турбин

• 1 цифра – электрическая мощность
(номинальная/максимальная)
• 2 цифра – начальное давление в МПа (кгс/см2 )
для П, ПТ, Р и ПР – давление производственного
отбора и (или) противодавление в МПа (кгс/см2 )
частота вращения (50/25) – дробью после давления
• 3 цифра - модификация

62. 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-6-35/15/5

63. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок

Эксергия

64.

• 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

65. Система «рабочее тело-окружающая среда»

• I закон термодинамики для системы
U" U ' L Q = 0
• внутренняя энергия системы в начальном
состоянии
'
U =U1 +U01
• внутренняя энергия системы в конечном
состоянии состоянии
U '' =U 2 +U02
L U1 +U 01 -U 2 -U 02 U1 U 2 U 01 U 02

66.

Система «рабочее тело-окружающая среда»
• Для окружающей среды
U02 -U01 Q0 + L0
L0 p0 V2 -V1
U 01 -U 02 Q0 p0 V2 V1
• Работа системы
L U1 U 2 Q0 p0 V2 V1

67.

Система «рабочее тело-окружающая среда»
• Теплота, сообщенная среде
Q0 T0 S02 - S01
L U1 U 2 T0 S02 - S01 p0 V2 V1
• Энтропия замкнутой адиабатной системы
S02 S01 S1 S2
L U1 U 2 T0 S1 S2 p0 V2 V1

68.

Система «рабочее тело-окружающая среда»
• Получение работы прекратиться
p0 p2
T0 T2
U0 U2
V0 V2
Lmax U1 U 0 T0 S1 S0 + p0 V1 V0
Lmax H1 H 0 T0 S1 S0
E H1 H 0 T0 S1 S0

69. 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)

70. 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

71. Виды эксергии и ее составляющие

• Для безэнтропийных видов энергии
• Механическая энергия
EL L
• Электрическая энергия
EЭ Э

72. Виды эксергии и ее составляющие

• Эксергия видов энергий, характеризуемых энтропией
• эксергия вещества в замкнутом объеме
E , Дж; e , Дж/кг
• эксергия потока вещества
E , Дж; e , Дж/кг
• эксергия потока теплоты
E Q , Дж; eQ , Дж/кг
• эксергия потока излучения
E и , Дж; e и , Дж/м2

73.

Виды эксергии и ее
составляющие
• Эксергия вещества в замкнутом объеме E и
потоке E состоит из следующих
составляющих:
термической e т
механической или (деформационной) e p
реакционной e r
концентрационной ec

74.

Виды эксергии и ее
составляющие
• термическая ( e т ) + механическая ( e p ) =
термомеханическая
(термодеформационная, физическая)
• реакционная ( e r ) + концентрационная ( ec ) =
химическая (нулевая)(e хим )

75.

Безэнтропийная
энергии
Вещества в
замкнутом
объеме
Потока
вещества
Эксергия
Термическая
Механическая
Реакционная
Виды энергии,
характеризуемые
энтропией
Поток
теплоты
Излучение
Концентрационная

76. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок

Виды эксергии и ее
составляющие

77. 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. uо.с. ; sо.с. ; pо.с. ; о.с ;Tо.с.
• u; s; p; ;T

78. 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 pо.с.=const
deυ dl pо.с.dυ

79. Эксергия вещества в замкнутом объеме

de dl pо.с.d
dq du dl dl dq du
dq Tо.с.ds
dev Tо.с.ds du pо.с dν
ev Tо.с. ( sо.с s ) (uо.с u ) pо.с ( о.с )
ev (u uо.с ) Tо.с. ( s sо.с ) pо.с ( о.с )

80. Эксергия вещества в замкнутом объеме

Так как параметры окружающей среды постоянны,
обозначим
uо.с Tо.с. sо.с pо.с о.с С
При определении эксергии при переходе из состояния
1 в состояние 2 значение величины С не меняется,
тогда:
ev u Tо.с. s pо.с
ev 2 ev1 (u2 u1 ) Tо.с. ( s2 s1 ) pо.с ( 2 1 )
Для всей массы вещества, находящейся в замкнутом
объеме
E me

81.

ev
ev
RTо.с.
_
0 e v

82. 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. uо.с. ; sо.с. ; pо.с. ; о.с ;Tо.с.
• u; s; p; ;T

83. Эксергия вещества в потоке

• Взаимодействие системы и среды
• термическое
• механическое
• Функция e отличается от функции ev
количеством работы, связанной с перемещением
потока вещества:
p pо.с ( p pо.с )

84. Эксергия вещества в потоке

e (u uо.с ) Tо.с. ( sо.с s) pо.с ( о.с ) ( p pо.с )
e (u uо.с ) Tо.с. (s sо.с ) p pо.с о.с
С учетом, что h u p
e h hо.с Tо.с. (s sо.с )
В дифференциальной форме:
de dh Tо.с.ds

85.

Эксергия вещества в потоке
Так как параметры окружающей среды
постоянны, обозначим
hо.с. Tо.с.sо.с. C
При определении эксергии при переходе из
состояния 1 в состояние 2
Δe Δh Tо.с.Δs
e2 e1 h1 h 2 Tо.с. (s1 s2 )
Для всего потока вещества при его расходе m:
E me

86. Эксергия вещества в потоке

Для идеального газа с учетом
dh c p dT
dT
dp
ds c p
R
T
p
T
p
e c p (Т Т о.с ) Т о.с с p ln
R ln
Tо.с
pо.с
Для изотермического потока идеального газа
p
e Т о.с R ln
pо.с
e

87. 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 Tоc

88. Эксергия потока теплоты

T
• Воспринимаемая
теплота рабочим телом
от горячего источника
q1 T s пл.123ba41
q1
1
2
Т
То.с
3
4
eq l q1 Tо.с. s пл.1234
q2
a
Δs
• Эксергия теплоты
b
S
• Непревратимая в работу
часть теплоты
Tо.с. s

89. Эксергия потока теплоты

термический КПД цикла Карно
l T s-Tо.с. s
Tо.с
t
1
q1
T s
T
Tо.с
откуда eq l q1 (1
) пл.1234
T
для всего теплового потока
Eq Q q
Tо.с
q 1
T - эксергетическая температурная
функция (коэффициент работоспособности теплоты)

90.

91. Физический смысл коэффициента работоспособности теплоты

• Количество работы, которую можно получить
в идеальном прямом цикле от единицы
теплоты
Tо.с
q 1
T
q t
Tо.с
0
1, то 0 q 1
T
Tо.с
1, то q 0
T

92. Эксергия потока теплоты при p=const

q1 h
Tо.с
Tо.с
Tо.с
) h(1
) h h
Тогда eq q1 (1
T
T
T
Tо.с
h q1
h sTо.с
T
Эксергию теплового потока в процессах
теплообмена при постоянном давлении
можно вычислить как разность потока
вещества до и после изменения температуры

93. Эксергия потока излучения

• Эксергия потока излучения eи определяет
максимальную работу, которая может быть
выполнена во время обратимого процесса
приведения этого излучения в состояние
равновесия с окружающей средой (при Tо.с)
3T 4 Tо.с 4 4Т о.сТ 3
eи С0
3
- степень черноты излучающей поверхности
С0 1,38 10 23 - постоянная Стефана-Больцмана
0 eи

94. Эксергия потока излучения

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

95. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок

Эксергетический баланс
Эксергетические потери

96. Эксергетические балансы и эксергетическая производительность

Σeвх
e1вх
e2вх
e3вх
e1вых
e2вых Σeвых
e3вых
e e
e e П 0
• В обратимых процессах П 0 e
Е
Е П
П
1
Е
Е
Е
вх
вх
вых
вых
вых
вх
e
вх
вх
вх
вх
eвых

97. 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).

98. Закон Гюи-Стодолы

• Когда полезная работа
будет максимальной?
T1
q1
h1; s1
l
h2; s2
q0
T0
• Когда в системе протекают
обратимые процессы
• Все процессы в системе
протекают необратимо
• Необходимо рассчитать
уменьшение полезной
работы

99. Закон Гюи-Стодолы

• Установка, работающая обратимо
• Установка, работающая необратимо
• Равное количество подведенной теплоты Q1
• Количество и параметры подведенного
вещества равны
• Количество и параметры отводимого вещества
равны
• Меняется количество отводимого тепла Q0
(количество отведенного тепла для установки,
работающей обратимо Q0s)
• Работа, совершаемая обратимой установкой
максимальна lмакс

100. Закон Гюи-Стодолы

• Энергетический баланс реальной установки
h1 q1 h 2 q 0 l
l q1 h1 h 2 q 0
• Энергетический баланс идеальной установки
h1 q1 h 2 q 0s lмакс
lмакс q1 h1 h 2 q 0s
• Потери работы, вызванные необратимостью
e= lмакс l =q 0 q 0s

101. Закон Гюи-Стодолы

• Сумма приращений энтропии (для реальной
q0
установки)
q1
s
Т
s 2 s1
T0
• Сумма приращений энтропии (для
идеальной установки)
q 0s
q1
0 s 2 s1
Т
T0
sT0 q 0 q 0s e
e=(s 2 -s1 )T0

102. Эксергетический анализ топливоиспользующих установок

егр
Е
3
Е2
е
Е7
Етп Еок Евх

103. Эксергия топлива

• жидкое топливо
eж 0,975qвр
• газообразное топливо
eг 0,95qвр
• каменный уголь
eтв 1,08qвр
• бурый уголь
eтв 1,15...1,2 qвр

104. Потери эксергии Паротурбинная установка

P
1
3 3д
4 5
2’
2 2д
s
• 1-2 теоретическое расширение пара
в турбине
• 1-2д реальное расширение пара в
турбине
• 2д-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

105. Потери эксергии Парогенератор

• В котельную установку входит поток воды с
температурой Т и давлением P :
пв
пв
к
eвх
(hпв hо.с ) То.с (sпв sо.с )
• Суммарная эксергия топлива и окислителя
eqквх eтв еок

106. Потери эксергии Парогенератор

• Из котла выходит пар с температурой Т10 и
давлением P10
к
eвых
(h10 hо.с ) Т о.с ( s10 sо.с )
• В котле полезная работа не производится,
тогда потери в котле
к
к
к
eвх
eqвх
eк eвых
к
к
к
eк (eвх
eqвх
) eвых

107.

Потери эксергии
Парогенератор
• Удельная эксергия теплоты, полученной при
сгорании топлива при температуре Тг:
Т
еq Qнр 1 о.с.
Т г.
• Потери эксергии из-за потерь тепла в
окружающую среду:
Dокр 1 Eq

108.

Потери эксергии
Парогенератор
• Потери эксергии при переходе эксергии
топлива в эксергию теплоты
Dгр Eтп Eq
• Потери эксергии при передаче полученной
теплоты к образующемуся водяному пару:
Dпг Eq Dокр Eп

109.

Потери эксергии
Парогенератор
е
Еп
Ев Етп

110. Потери эксергии. Паропровод

• Эксергия пара на входе в паропровод равна
эксергии пара на выходе из котла
пп
к
eвх
eвых
• Эксергия пара с температурой T1 и
давлением Р1 на выходе из паропровода
пп
eвых
(h1 hо.с ) Tо.с ( s1 sо.с )

111. Потери эксергии. Паропровод

• В паропроводе полезная работа не
производится, тогда потери в паропроводе
пп
пп
eпп eвх
eвых
• Эксергетический КПД паропровода
епп
пп
Eвых
пп
Eвх

112. Потери эксергии. Турбогенераторная установка

• Пар в турбину подается с температурой Т1 и
давлением P1
т
пп
eвх eвых
• Пар на выходе из турбины имеет температуру
T2д и давление P2д
т
eвых
( h2д hо.с ) T0 ( s2д sо.с )

113. Потери эксергии. Турбогенераторная установка

• Турбогенераторная установка производит
работу le (работа, передаваемая внешнему
потребителю (электроэнергия, отдаваемая в
сеть))
le q' eуст
q' Qнр - теплота, выделяющаяся при
сгорании топлива
eуст - эффективный абсолютный КПД всей
теплосиловой установки

114. Потери эксергии. Турбогенераторная установка

• Потери эксергии в турбогенераторе
т
т
eвх
eвых
le e т
т
т
e т (eвх
eвых
) le
• Потери эксергии, обусловленные
механическими потерями в турбине
eмт (h1 h2д )(1 м )
• Потери эксергии, обусловленные
механическими и электрическими потерями
в генераторе e т (h h ) (1 )
г
1

м
г

115. Потери эксергии. Турбогенераторная установка

• Остальные вызваны необратимым
характером процесса расширения пара в
турбине
• Эксергетический КПД турбогенераторной
установки
т
L
E
т
e
е
E E
т
вх
т
вых
1
т
Eвхт Eвых

116. Потери эксергии. Конденсатор

• Эксергия пара, поступающего из турбины в
конденсатор
конд
т
eвх
eвых
• Эксергия конденсата, выходящего из
конденсатора
конд
eвых
(h2' hо.с ) Tо.с ( s2' sо.с )
• В конденсаторе полезная работа не
производится, тогда потери эксергии
конд
конд
eконд eвх
eвых

117. Потери эксергии. Насос

• Эксергия воды, поступающей в насос
н
конд
eвх
eвых
• Эксергия воды на выходе из насоса
н
к
eвых
eвх
• Для привода насоса подводится работа
lн h3д h2'
• Потеря эксергии воды в насосе
н
н
eвх
lн eвых

н
н
eн eвх
eвых

• Эксергетический КПД насоса
н
н
E
E
вх
eт вых

118.

n
i
Ea'
2
1
n
i
'
б
E
Ea'
2
1
n
i
Ea'
1
E1 E
2
E2
E’’
En E
Ei
E2
E1
Eв'
En
Ei
E2
E1
E’’
Ei
E’’
En

119. Роль потерь эксергии в разных элементах системы

• Дополнительная первичная эксергия
E ( E )i
'
i
1
i
i
• Для первого элемента
E1' ( E )
• Для элемента n
E ( E )
'
n
1
1
1
1 2 3... n
En'
1
1
n
E1'
i 2 3 ... n
i
English     Русский Rules