Файл: Начало эксергетического анализа Системный подход к анализу тепловых схем.pdf

Начало эксергетического анализа
Системный подход к анализу тепловых схем

Понятие эксергии
•
В современной энергетике существует две формы передачи энергии:
•
Работа;
•
Теплота.
•
Из Первого закона термодинамики они равнозначны
•
Из Второго закона термодинамики они не равнозначны
•
Второй закон учитывает «превратимость» одного вида энергии в другой
•
Работа может быть полностью использована для любой цели или превращения;
•
Теплота имеет частичную превратимость, зависящую от:
•
Температуры теплоты;
•
Температуры окружающей среды.

Понятие эксергии
•
Рассмотренные ранее показатели тепловой экономичности не учитывают различие теплоты и работы:
•
В числителе складываются электрическая и тепловая мощности
•
Свести к единому показателю энергетические ценности отводимых от ПТУ потоков можно используя эксергетический анализ
•
Анализ энергетического баланса, иногда, может не дать ответ, каким может быть максимально полезный эффект системы;
•
Эксергетический анализ может это сделать.
0 0
э
т
э т
N
Q
Q
η
+
=

Понятие эксергии
•
Энергия – понятие, связанное с фундаментальными свойствами материи
•
Законы сохранения
•
Эксергия – характеризует превратимость энергии в условиях ОС, параметры которой не зависят от параметров рассматриваемой системы.
•
Энергетический баланс – суть закон сохранения энергии:
•
Однако эксергетический баланс:
вх
вых
Q
Q
=
∑
∑
вх
вых
E
E
>
∑
∑

Эксергия – определения
•
Эксергия – свойство термодинамической системы или потока энергии, определяемое количеством работы, которая может быть получена внешним приемником энергии при обратимом взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия.
•
Проще: эксергия – максимальная работа потока вещества при его расширении от параметров системы до параметров окружающей среды
•
Эксергетическая функция состояния потока вещества (удельная)
•
Индекс о.с означает параметры окружающей среды;
•
константа, определяемая только параметрами окружающей среды
(
)
о с
о с
о с
о с
о с
e
h h
T
s
s
h T s
с
= −
−
−
= −
−
о с
о с
о с о с
с
h
T s
=
−

Эксергия – определения
•
Максимальная работа может быть произведена потоком вещества в изоэнтропном процессе.
•
Минимальное количество отданной ОС теплоты (в соответсвии с вторым законом термодинамики):
•
Эксергия – максимально возможная работа потока вещества от его исходного состояния, характеризуемого h и s, до конечного состояния, характеризуемого h о.с и s о.с
•
Предполагается, что изменение кинетической и потенциальной энергии потока пренебрежимо малы;
•
Эксергия – параметр состояния, включающий параметры ОС
(
)
о с
о с
T
s
s
−

Эксергия – определения
•
Эксергия – технически свободная энтальпия
•
Часть энтальпии тела (в любой точке процесса с параметрами вещества h и s), которая может превратиться в в другие виды энергии:
•
Остальная часть, т.е. - представляет собой энергию тела, непревратимуя в данных условиях в другие виды, есть:
•
Связанная энергия или
•
Анергия
•
Как и любой другой параметр состояния, полная эксергия есть:
о с
h T s
−
о с
T s
0
q
подв
подв
E
D e
=

Эксергия тепловой и электрической энергии ПТУ
•
Аналогично формуле, приведенной выше, удельная эксергия, отдаваемая
ПТУ потребителям тепловой энергии:
•
пр – параметры «прямой» воды, отходящей потребителям;
•
обр – параметры «обратной» воды, приходящей от потребителей.
•
Полная эксергия:
- расход сетевой воды, кг/с
•
Отводимая от ПТУ электрическая энергия может быть преобразована в любой другой вид энергии, поэтому:
(
)
q
Т
пр
обр
пр
обр
о с
пр
обр
e
e
e
h
h
T
s
s
=
−
=
−
−
−
q
Т
c в q T
E
G e
=
c
в
G
нт
N
э
E
N
=

Эксергетический КПД и эксергетический баланс
•
Эксергетический КПД ПТУ:
•
Эксергетический баланс ПТУ:
- потери эксергии вследствие диссипации.
•
В отличии от энергии, которая не может уничтожится, эксергия может уничтожится вследствие диссипации энергии – ее рассеяния.
нт
э
q T
экс
q
подв
N
E
E
η
+
=
вх
вых
экс
E
E
D
=
+
∑
∑
∑
экс
D

Сравнение энергетического и эксергетического балансов

Анализ сравнения
1. Значения полной эксергии подводимой тепловой энергии и отпускаемой потребителям теплоты меньше аналогичных значений в энергетическом балансе;
2. Доля эксергии электрической энергии в эксергетическом балансе наибольшая;
3. Полная эксергия отводимой в конденсаторе теплоты рабочего тела (пара) значительно меньше тепловой мощности;
•
Конденсатор – наглядный пример:
•
В нем отводится (теряется) огромное количество тепловой энергии;
•
Однако на из этой энергии можно извлечь крайне мало работы – мала разница между параметрами системы и ОС;
•
Максимальная работ а, кот орую можно получит ь в конденсат оре мала;
•
Реальную работ у можно вообще не получит ь
(учитывая вакуум в конденсаторе и низкую температуру конуденсации).

Анализ сравнения
•
Второй наглядный пример и результат –
потери на диссипацию –
значительные!
•
Энергетическим балансом не учитываются вовсе;
•
В эксергетическом занимают значительную часть (1/4).
•
Основные причины диссипации – потери на трение и теплообмен с ОС в оборудовании.
•
Таким образом – стоит совершенствовать оборудование ПТУ
•
Т.о., не стоит переживать, что мы отдаем большее количество энергии в конденсаторе – мы получили бы там мало работы;
•
Лучше улучшать проточную часть турбины и совершенствовать оборудование, ведь теряя энергию на трение, пар «слабее» вращает турбину.

Системный подход
•
АС – сложный технический объект:
•
С многочисленностью и разнообразием установленного оборудования;
•
Многочисленностью и разнообразием протекающих процессов;
•
Взаимовлиянием многочисленных параметров.
•
В результате –
невозможно аналитически и анализировать и экспериментально установить зависимость функциональных свойств АС от управляемых параметров.
•
Сложность задач проектирования и исследования АС.

Системный подход
•
АС – сложный технический объект:
•
С многочисленностью и разнообразием установленного оборудования;
•
Многочисленностью и разнообразием протекающих процессов;
•
Взаимовлиянием многочисленных параметров.
•
В результате –
невозможно аналитически и анализировать и экспериментально установить зависимость функциональных свойств АС от управляемых параметров.
•
Сложность задач проектирования и исследования АС.

Традиционный метод и системный подход
Традиционный метод
•
Исследуемый объект можно выделить и изучить изолированно от окр.среды;
•
Сложный объект разлагается на ряд составных частей –
части исследуются независимо;
Системный подход
•
Объект изучается во взаимодействии с окр. средой с учетом всех его внешних свзяей;
•
Объект рассматривается как система, включая механизм взаимодействия его составных частей;
•
Система – множество предметов вместе со связями между ними и между их свойствами;
•
Предметы – части, компоненты или элементы системы;
•
Окружение – множество всех предметов вне системы (таких, что изменением свойств предметов вне системы влияет на систему и наоборот).
•
Следст вия
:
•
Какую возможную конфигурацию предметов принять за систему – зависит от исследователя;
•
Всякая система допускает разбиение на подсистемы.

Системный подход
•
Определение границ исследуемой системы – одна из основных операций системного подхода;
•
В систему включают конечное число элементов, необходимых для ее функционирования;
•
Определяются все взаимодействия системы с окружением;
•
По входящим связям система получает воздействие;
•
По отходящим передает его;
•
Совокупность любым образом выделенных элементов (реальных или воображаемых) является системой, если:
1.
Заданы связи между компонентами (предметами);
2.
Каждый компонент внутри системы считается неделимым;
3.
С окружением система взаимодействует как единое целое;
4.
При количественном/качественном изменении компонент сохраняется однозначность связей.

Системный подход
•
Построение иерархических уровней
•
На каждом последующем уровне изучается какая то часть исходной системы со все большей степенью детализации;
•
I иерархический уровень – тепловая схема всей АС;
•
РУ, ПТУ, ППУ, НПЧ (низкопотенциальная часть);
•
II иерархический уровень – основные технологические установки
•
Система регенерации, Система СПП, СТВС, система компенсации давления,…
•
III иерархический уровень – технологические объединения
•
Реактор, компенсатор давления, парогенераторы;
•
IV иерархический уровень – элементы оборудования
•
Тепловыделяющая сборка, блок защитных труб, ГЦН;
•
Твэл, двигатель ГЦН, …

Системный подход к анализу тепловых схем
•
Граница объекта исследования выбирается исследователем
•
Каждый компонент системы может рассматриваться как система
Схема АЭС для I иерархического уровня исследований.

Схемы ПТУ и ППУ 2-го иерархического уровня
Схема ППУ с водо-водяным энергетическим реактором.

1 – Паровая турбина;
2 – Конденсационная установка;
3 – Система регенерации теплоты;
4 – Теплофикационная установка;
5 – система промежуточного перегрева и сепарации пара.
Принципиальная тепловая схема ПТУ К-220-4.3
Схемы ПТУ и ППУ 2-го иерархического уровня