Термодинамический анализ раобчих процессов преобразования энергии. Термодинамич КПД

Термодинамические диаграммы играют важную роль в анализе рабочих процессов различных циклов холодильных машин; с их помощью можно также графическим путем определять параметры рабочего тела для тепловых расчетов. Они широко применяются не только при изучении циклов однокомпонент-ного тела, но и циклов раствора. Термодинамические диаграммы, в которых по осям координат откладываются давление, температура, мольный объем и наносятся кривые фазового равновесия ( см. ниже), называются фазовыми диаграммами. Для многокомпонентных систем по осям координат может откладываться и состав.Термодинамическая диаграмма представляет собой диаграмму, на которой по осям координат откладывают значения термодинамических параметров или функций состояния. Использование термодинамических диаграмм способствует успешному проведению термодинамического анализа.
Из термодинамических диаграмм ступенчатого сжатия видно, что промежуточное давление влияет на распределение затрат энергии между ступенями компрессора.
В термодинамической диаграмме p - V изотермический процесс изображается кривой, называемой изотермой

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты (Q₁) у нагревателя и отдаёт количество теплоты Q₂ холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом, ,

так как изменение внутренней энергии U в круговом процессе равно нулю (это функция состояния).Напомним, что работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.При этом нагреватель потратил энергию Q₁. Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен

 

33 циклы ГТУ

В современ-

ных ГТУ используется цикл со сгоранием

при p = const (рис. 6.5).

В состав ГТУ обычно входят камера

сгорания, газовая турбина, воздушный

компрессор, теплообменные аппараты

различного назначения (воздухоохлади-

тели, маслоохладители системы смазки,

регенеративные теплообменники) и вспо-

могательные устройства (маслонасосы,

элементы водоснабжения и др.).

Рабочим телом ГТУ служат продукты

сгорания топлива, в качестве которого

используется природный газ, хорошо

очищенные искусственные газы (домен-

ный, коксовый, генераторный) и специ-

альное газотурбинное жидкое топливо

(прошедшее обработку дизельное мотор-

ное и соляровое масло). В реальных условиях все процессы

в ГТУ являются неравновесными, что

связано с потерями работы в турбине

и компрессоре, а также с аэродинамиче-

скими сопротивлениями в тракте ГТУ.

На рис. 20.10 действительный процесс

сжатия в компрессоре изображен ли-

нией 1-2., а процесс расширения в тур-

бине — линией 3—4. Точками 2а и 4а от-

мечено состояние рабочего тела соот-

ветственно в конце равновесного адиа-

батного сжатия и расширения, точ-

кой О — параметры окружающей среды.

Ввиду потерь давления во всасывающем

тракте компрессора (линия 01) процесс

сжатия начинается в точке /.

Таким образом, на сжатие воздуха

в реальном цикле затрачивается боль-

шая работа, а при расширении газа

в турбине получается меньшая работа по

сравнению с идеальным циклом. КПД

цикла получается ниже. Чем больше сте-

пень повышения давления л (т. е. выше

рг), тем больше сумма этих потерь по

сравнению с полезной работой. При оп-

ределенном значении я (оно тем выше,

чем больше Тз и внутренний относитель-

ный КПД турбины и компрессора,

т. е. меньше потери в них) работа турби-

ны может стать равной работе, затрачен-

ной на привод компрессора, а полезная

работа — нулю.

Поэтому наибольшая эффективность

реального цикла, в отличие от идеально-

го, достигается при определенной (опти-

мальной) степени повышения давления,

причем каждому значению Гц соответ-

ствует свое л,,™ (рис. 20.11). КПД про-

стейших ГТУ не превышает 14—18%,

и с целью его повышения ГТУ выпол-

няют с несколькими ступенями подвода

теплоты и промежуточным охлаждением

сжимаемого воздуха, а также с регене-

ративным подогревом сжатого воздуха

отработавшими газами после турбины,

приближая тем самым реальный цикл

к циклу Карно.

 

Циклы паросиловых установок

Цикл с промежуточным перегревом пара.Для того чтобы увеличить термический к. п. д. цикла Ренкина, часто применяют так называемый перегрев пара в специальном элемент установки - пароперегревателе, где пар нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении P₁. В этом случае средняя температура подвода тепла увеличивается по сравнению с температурой подвода тепла в цикле без перегрева и, следовательно, термический к. п. д. цикла возрастает. Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике.

Поскольку в настоящее время не существует промышленных энергетических установок с ядерным перегревом пара (перегрев пара в непосредственно в активной зоне ядерного реактора), то для ядерных реакторов BWR и РБМК используется цикл с промежуточным перегревом пара. (обратно к содержанию)

Цикл с промежуточным перегревом пара в T-S диаграмме.

 Для повышения КПД в цикле с промежуточным перегревом пара, используется двух ступенчатая турбина, состоящая из цилиндра высокого давления и нескольких (4 для РБМК) цилиндров низкого давления. Пар из барабана сепаратора направляется в цилиндр высокого давления (ЦВД), часть пара отбирается для перегрева. Расширяясь в цилиндре высокого давления процесс на диаграмме 1-6, пар совершает работу. После ЦВД пар направляется в пароперегреватель, где за счет охлаждения отобранной в начале части пара, осушается и нагревается до более высокой температуры, (но уже при более низком давлении, процесс 6-7 на диаграмме) и поступает в цилиндры низкого давления турбины (ЦНД). В ЦНД пар расширяясь, снова совершает работу (процесс 7-2 на диаграмме) и поступает в конденсатор. Остальные процессы соответствуют процессам в выше рассмотренном цикле Ренкина. (обратно к содержанию)

Регенеративный цикл

Малое значение КПД цикла Ренкина по сравнению с циклом Карно связано с тем, что большое количество тепловой энергии при конденсации пара передается охлаждающей воде в конденсаторе. Для снижения потерь часть пара из турбины отбирается и направляется на регенерационные подогреватели, где тепловая энергия, высвобождаемая при конденсации отобранного пара, используется для подогрева воды, полученной после конденсации основного парового потока.

В реальных паросиловых циклах регенерация осуществляется с помощью регенеративных, поверхностных или смешивающих, теплообменников, в каждый из которых поступает пар из промежуточных ступеней турбины (так называемый регенеративный отбор). Пар конденсируется в регенеративных теплообменниках, нагревая питательную воду, поступающую в реактор. Конденсат греющего пара смешивается с основным потоком питательной воды.

Схема установки с регенеративным циклом: Т - турбина, К – конденсатор, Н – насос, Р – некий нагревающий реактор, PП1, РП2 – регенеративные подогреватели. Стрелками показаны отборы пара из турбины

Цикл паросиловой установки с регенерацией, строго говоря, нельзя изобразить в плоской Т-S-диаграмме, поскольку эта диаграмма строится для постоянного количества рабочего тела, тогда как в цикле установки с регенеративными подогревателями количество рабочего тела оказывается различным по длине проточной части турбины.

Поэтому, в дальнейшем, рассматривая изображение цикла этой установки в плоской Т-S-диаграмме, следует иметь в виду условность этого изображения; для того чтобы подчеркнуть это, рядом с Т-S-диаграммой (рисунок 9) помещена диаграмма, показывающая расход (D) пара через турбину вдоль ее проточной части. Эта диаграмма относится к линии 1-2 в T-S-диаграмме — линии адиабатного расширения пара в турбине. Таким образом, на участке 1-2 цикла в T-S-диаграмме количество рабочего тела убывает с уменьшением давления, а на участке 5 - 4 количество рабочего тела возрастает с ростом давления (к питательной воде, поступающей из конденсатора, добавляется конденсат пара из отборов).

Т-S диаграмма цикла с регенеративным подогревом.

 

Изображение циклов и процессов в T-S диаграмме обладает большой наглядностью, поскольку площади на данной диаграмме соответствуют работе или энергии процесса. Эта наглядность позволяет визуально сравнивать различные процессы и циклы, однако эта наглядность является одновременно и недостатком Т-S диаграммы, поскольку измерить площадь сложной фигуры очень сложно, а все основные циклы, как мы видели представляют собой именно комбинацию сложных кривых, исключение составляет только цикл Карно.

35 предмет и задачи теории теплообмена. Основные понятия. Виды переноса

Во всех веществах теплота передает-

ся теплопроводностью за счет пе-

реноса энергии микрочастицами. Моле-

кулы, атомы, электроны и другие микро-

частицы, из которых состоит вещество,

движутся со скоростями, пропорциональ-

ными их температуре. За счет взаимодей-

ствия друг с другом быстродвижущиеся

микрочастицы отдают свою энергию бо-

лее медленным, перенося таким образом

теплоту из зоны с высокой в зону с более

низкой температурой.

В жидкостях перенос теплоты может

осуществляться еще и за счет перемеши-

вания. При этом уже не отдельные моле-

кулы, а большие, макроскопические

объемы горячей жидкости перемещаются

в зоны с низкими температурами, а хо-

лодная жидкость попадает в зоны с вы-

сокими температурами. [Перенос теплоты

вместе с макроскопическими объемами

вещества носит название конвектив-

ного тепло перенос а, или просто

конвекции. Часто приходится рассчитывать теп-

лообмен между жидкостью и поверхно-

стью твердого тела. Этот процесс получил

специальное название конвективная

теплоотдача (теплота отдается от

жидкости к поверхности или наоборот) .у

[Третьим способом переноса теплоты

является излучение. Излучением теп-

лота передается через все лучепрозрач-

ные среды, в том числе и через вакуум,

например в космосе, где это единственно

возможный способ получения теплоты от

Солнца и потери ее в межзвездное про-

странство.^Носителями энергии при теп-

лообмене излучением являются фотоны,

излучаемые и поглощаемые телами, уча-

ствующими в теплообмене.

В большинстве случаев перенос теп-

лоты осуществляется несколькими спосо-

бами одновременно, хотя часто одним

или даже двумя способами пренебрегают

ввиду их относительно небольшого вкла-

да в суммарный сложный теплоперенос.

 

36теплопроводность через плоские стенки

1).Однородная плоская стенка (Рис.9.2.).

Температуры поверхностей стенки –t_ст1 и t_ст2.

Плотность теплового потока:

q = -λ∙ ∂t/∂n = - λ∙ ∂t/∂x = - λ∙ (t_cт2 - t_cт1)/(x_cт2 - x_cт1)∙

или

q = λ∙ (t_cт2 - t_cт1)/(x_cт2 - x_cт1)∙ t/x Тогда

q = λ/δ∙(t_ст1 – t_ст2) = λ/δ∙Δt,

Если R =δ/λ -термическое сопротивление теплопроводности стенки [(м²∙К)/Вт], то плотность теплового потока:

q = (t_ст1 – t_ст2)/R .

Общее количество теплоты, которое передается через поверхность F за время τ определяется:

Q = q∙F∙τ = (t_ст1 – t_ст2)/R·F∙τ .

Температура тела в точке с координатой х находится по формуле:

t_x = t_ст1 – (t_ст1 – t_ст2)∙x/ δ .

2).Многослойная плоская стенка.

Рассмотрим 3-х слойную стенку . Температура наружных поверхностей стенокt_ст1 и t_ст2, коэффициенты теплопроводности слоевλ₁, λ₂, λ₃, толщина слоевδ₁, δ₂, δ₃.

Плотности тепловых потокок через каждый слой стенки:

q = λ₁/δ₁∙(t_ст1 – t_сл1) ,

q = λ₂/δ₂∙(t_сл1 – t_сл2)
q = λ₃/δ₃∙(t_сл2 – t_ст2) ,

Решая эти уравнения, относительно разности температур и складывая, получаем:

q = (t₁ – t₄)/(δ₁/λ₁ + δ₂/λ₂ + δ₃/λ₃) = (t_ст1 – t_ст4)/R_o ,

где: R_o = (δ₁/λ₁ + δ₂/λ₂ + δ₃/λ₃) – общее термическое сопротивление теплопроводности многослойной стенки.

Температура слоев определяется по следующим формулам:

t_сл1 = t_ст1 – q∙(δ₁/λ₁).

t_сл2 = t_сл1 – q·δ₂/λ₂).

---

Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 701; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!