8977
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Л.М. Дыскин, Н.А. Самсонова
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОСИЛОВОГО ЦИКЛА
Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Энтропийный и эксергетический методы оценки эффективности теплоэнергетических систем»
для обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 Теплотехника и теплоэнергетика, профиль Тепломассообменные процессы и установки
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Л.М. Дыскин, Н.А. Самсонова
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОСИЛОВОГО ЦИКЛА
Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Энтропийный и эксергетический методы оценки эффективности теплоэнергетических систем»
для обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 Теплотехника и теплоэнергетика, профиль Тепломассообменные процессы и установки
Нижний Новгород
2016
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
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................................................. |
4 |
|
1 . ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕОБРАТИМЫХ ЦИКЛОВ |
|
|
ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК .......................................................................................................... |
6 |
|
|
1.1. Метод коэффициентов полезного действия ................................................. |
6 |
|
1.2. Энтропийный метод...................................................................................... |
11 |
|
1.3. Эксергетический метод ................................................................................ |
16 |
2. |
АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОСИЛОВОГО ЦИКЛА |
|
РЕНКИНА ................................................................................................................................................. |
21 |
|
|
2.1. Цикл Ренкина ............................................................................................. |
21 |
|
2.2. Анализ цикла Ренкина методом коэффициентов полезного действия ... |
27 |
|
2.3. Анализ цикла Ренкина эксергетическим методом ................................... |
37 |
3. |
РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ ........................ |
45 |
4. |
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ................................................................................... |
49 |
5. |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ .................................................................................................. |
51 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................................................ |
52 |
|
|
ПРИЛОЖЕНИЕ ......................................................................................................................... |
53 |
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
где |
и |
– полезная работа, получаемая в обратимом и действитель- |
||
ном (реальном необратимом) циклах соответственно; , |
и |
– теп- |
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
равна |
,, то в работу превращается только |
, причѐм |
. |
Здесь |
– энтальпия рабочего тела в начале процесса расширения, в |
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:
|
|
⁄ |
где |
и |
– действительная и теоретическая работы расширения. |
9
Аналогично в устройствах, сжимающих рабочее тело, действительная
работа, подводимая от внешнего источника, |
из-за необратимых потерь |
всегда больше, чем теоретическая работа |
, затрачиваемая на сжатие при |
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: