Эксергетические потери от внутренней необратимости процессов цикла

Практически все термодинамические циклы теплоэнергетических установок состоят только из изобарных и адиабатных процессов. В изобарных процессах осуществляется теплообмен между источниками теплоты и рабочим телом или между рабочими телами. В адиабатных процессах производится работа сжатия или расширения. Наибольшее влияние на эффективность термодинамического цикла оказывают внутренние потери в адиабатных процессах, которые рассмотрим в первую очередь. Рассмотрим определение этих потерь на примере простейшего цикла ГТУ, изображенного в T-s диаграмме (рис.1.7). Здесь показаны обратимый (1-2) и необратимый (1-2^’) процессы сжатия в компрессоре, а также обратимый (3-4) и необратимый (3-4^’) процессы расширения в газовой турбине. Пунктирной линией изображены необратимые процессы потому, что невозможно определить состояние рабочего тела в каждой точке этих процессов. Только в их начальной и конечной точках можно, допуская наличие равновесного состояния, определить действительные их параметры. В результате трения в процессе сжатия 1-2^” энтальпия рабочего тела увеличится на теплоту трения (q_тр), равную работе трения (l_тр) и эквивалентную площади d22^‘ b. Эксергия же этого тела увеличится только на величину Dex^Q = q_тр - T₀ DS_тр, измеряемую площадкой 122^’ a.

Эксергетические потери при работе трения, равной

l_тр^к = q_тр = h_2’ - h_2, (1.20)

составят

Dex^пот = l_тр^к - Dex^Q = T₀ DS_тр. (1.21)

Соответственно этому эксергетический КПД адиабатногопроцессасжатия будет равен отношению приращения эксергии сжимаемого тела (DEx^сж) к затраченной работе сжатия (l_сж)

(1.22)

Рис.1.7. Определение потерь эксергии в процессах сжатия и расширения

простейших ГТУ

Эксергетические потери в газотурбинной установке от трения в процессе адиабатного расширения рабочего тела в турбине будут зависеть от того, используется ли теплота уходящих газов ГТУ в системе регенерации или в каких-либо утилизационных установках или нет. В данном случае, когда в результате трения в процессе 3-4^‘ (рис.1.7) энтальпия отработавших газов увеличивается на D h₄ = h_4’ - h₄ и в дальнейшем не используется, потери работы в установке будут равны величине D h₄, т.е.

D l^т_пот = D h₄. (1.23)

Это следует из того, что работа газа в турбине при отсутствии трения будет равна (h₃ - h₄), а при наличии трения (h₃ - h_4’). Тогда

D h₄ = T_4,cр DS^т_тр = h_4’ - h₄. (1.24)

В результате повышения температуры уходящих газов от Т₄ до Т₄', их эксергия увеличивается на пл. b44^’c = Dex^ух. Если теплота уходящих газов используется, то потери возможной работы в системе от трения в турбине составят величину

D l^т_пот = D h₄ - Dex^ух, (1.25)

где Dex^ух - используемая часть эксергии уходящих из проточной части турбины газов.

Подобное уменьшение потерь в установке происходит при осуществлении регенеративного подогрева уходящими из турбины газами сжатого в компрессоре воздуха (рис.1.8). Наличие такой регенерации позволяет потерю работы цикла от трения в турбине D l_т^пот, равную площади 44^’ fg, использовать в виде теплоты для увеличения энтальпии воздуха перед входом его в камеру сгорания. В идеальном случае это приращение его энтальпии составит

Dh_в = h_в’- h_в = h_4’ - h₄ = Dh₄. (1.26)

Рис.1.8. Потери эксергии в процессах сжатия и охлаждения

регенеративного цикла ГТУ

Вызванное этим приращение эксергии воздуха будет равно

Dex^вз = Dh_вз - T₀Ds_вз. (1.27)

Вместе с тем, наличие регенерации увеличит влияние на полезную работу цикла потерь от трения в компрессоре. Вызванные необратимостью процесса сжатия потери работы цикла окажутся большими, чем при отсутствии регенерации. Это произойдет вследствие того, что уходящие из регенератора газы будут выходить с тем более высокой температурой, чем выше температура поступающего в него воздуха. Если в результате трения его энтальпия возрастет от h₂ до h₂^‘, то это вызовет увеличение энтальпии

уходящих газов от h_y до h_y ^‘ и потерю эксергии, равную

dex^пот = (h_2’ - h₂) - T₀(s_2’ - s₂). (1.28)

Суммарная потеря эксергии в системе от трения в компрессоре будет равна сумме Dex^пот и dex^ух, определяемых по формулам (1.21) и (1.28).

ex =Dex^пот + ex . (1.29)

Таким образом, эксергетические потери в ГТУ от внутренней необратимости тех или иных процессов зависят не только от работы трения (или преодоления гидравлических сопротивлений), но и от ее влияния на процессы в других элементах цикла. Подобная взаимосвязь между эксергетическими потерями в отдельных элементах энергоустановки и потерей возможной работы всей установки обязательно должна учитываться при термодинамическом анализе реальных циклов.

Дата добавления: 2015-07-02