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
2д
2
1
4д
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
lт
t
q1
5
lт
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
Nэ
Nт
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
Dк
7
9
Dп
8
pп
pк
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,
pк
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
2д
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
eн
н
н
eн eвх
eвых
lн
• Эксергетический КПД насоса
н
н
E
E
вх
eт вых
Lн

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