Тепловой и энергетический балансы тепловой установки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУЮВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 69. ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1952 г.

ТЕПЛОВОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНСЫ ТЕПЛОВОЙ

УСТАНОВКИ

* Г. И. ФУКС 1

Исследование работы тепловой установки с помощью ее теплового баланса является общеизвестным приемом. Наряду с этим, энергетический баланс установки пока не получил применения в практике, хотя, как это неоднократно указывалось [1], он может дать весьма интересные результаты, в особенности в сопоставлении с тепловым балансом.

Тепловой баланс установки в целом и в любой её части составляется на основе закона сохранения энергии (первого закона термодинамики). Потери на этой основе оцениваются в калориях независимо от того, в какой доле эти калории могут быть превращены в работу в данной установке. Калория тепла, „потерянная" в конденсатор, расценивается в тепловом балансе так же, как калория тепла, потерянная в паропроводе острого пара от котла к турбине. Между тем, как известно, из калории тепла в остром паре можно получить определенное количество работы, а из калории тепла, отдаваемой в конденсатор, считая, что он имеет наинизшую возможную в данных условиях температуру, работы получить нельзя.

Энергетический баланс учитывает не только количество, но и „качество" потерь в установке, т. е. то количество работы, которое может быть получено за счет потерянного тепла.

2

Энергетический баланс установки и любой ее части можно составить разными приемами. Так, по Гюи [2], потеря работоспособности может быть подсчитана по соотношению

ДЛ^ = Г0Д5, (1)

где Т0 —наинизшая температура в системе, Д5 — приращение энтропии.

Однако непосредственное применение этого соотношения для подсчета не всегда будет правильным. Если в какой-то части установки одновременно происходят необратимые процессы (например, дросселирование или теплообмен при конечной разности температур и т. д.) и прямая отдача тепла в окружающую среду с более низкой температурой, то уменьшение энтропии системы, вызванное последним процессом, может частично или полностью компенсировать увеличение энтропии от первых процессов. Тогда, очевидно, расчет по (1) не даст правильных результатов

х) Именно поэтому, повидимому, Келлер [3] при составлении энтропийного баланса установки не учитывает потери во внешнюю среду в каждой части установки, а берет ее в суммарном выражении. Эго противоречит принципу составления энергетического баланса.

Пусть в системе с наинизшей т мпературой Т0 имеется теплообменник, в котором горячая жидкость совершает процесс 1—2, см. фиг. 1, а холодная—процесс 3—4. Горячая жидкость отдает тепло нагреваемая (холод-мая)—воспринимает тепло = составляет потерю во внешнюю

Фиг. 1

среду. Используя понятия средне-термодинамических температур процессов I—2 (7*) и 3—4 (Тп) [4], можно записать для работоспособности процессов 1—2 и 3—4 выражения:

АЬ2 = С}2 1

Т То

(2) (20

Потеря работоспособности составит

А А1 = А1г-АЦ

или

Из фиг. 1 очевидно, что

(3)

(4)

(4') 37

Следовательно, потеря работоспособности в теплообменнике

ЬАЬ = АС1 + Т0ЬЗ, (5)

где = — <32 дает прямую потерю тепла в окружающую среду,, а Д5=Д52 —представляет собою наблюдаемое приращение энтропии в теплообменнике. Ясно, что прямые потери тепла всегда ведут к снижению работоспособности системы. Величины Дб^ и Д52 представляют собою приращения энтропии отдельных тел в теплообменнике, поэтому их значения не зависят от величины нулевых значений энтропии отдельных тел системы. Для воды и пара, например, можно брать значения энтропии непосредственно из таблиц.

Полученное выражение (5) пригодно не только для теплообменника, но и для любой части тепловой установки и всей установки в целом. Таку например, если в паропровод от котла подается ОкЧаС пара с параметрами рх3(и1х и а к турбине пар подходит с параметрами и 52, что

обозначает, что во внешнюю среду теряется

д<3 — ;2)

час

и имеет место дросселирование пара от давления пара до ръ то потеря работоспособности в паропроводе составит

Д AL

(h-h)+ T0{s2 — Sj)

к кал /Р-, ч

-(о)

час

В паропроводе влажного пара, в котором конденсат отводится, к концу паропровода подойдет G2<G1. Потеря работоспособности будет

ДAL = (G^-Q^H- UG2s2 - Gxs2) (5">

час

Котел паросиловой установки в целом также можно рассматривать как теплообменник. Но тепло, подводимое с топливом, необходимо учитывать как эквивалентное количество химической энергии, из которого в пределе может быть получена максимальная работа в количестве, практически равном теплотворной способности топлива [5]. Потеря работоспособности & котле составит

ДAL = BQh - G{(i-ib)-T0 (s~sb)), (5r//)

где G, В и Qh—часовые расходы пара, топлива и его теплотворная способность соответственно, s, h и Sb—энтальпии и энтропии пара и воды соответственно.

В качестве иллюстрации приводится пример сопоставления теплового и энергетического балансов конденсационной паровой установки при следующих условиях. ^

Давление и температура котельного пара рх — Шатау ^ = 420°С. Перед турбинойр1 =30ЛЯ1ви ^' = 400°С, в конденсаторер2 = 0,05«««. Я.п.д. отдельных элементов: ^у = 0,85д т)о/ = 0,80; г\м —0,98, ^ — 0,96. Мощность ЛГ= 12000 кет.

Тепловой баланс установки по этим данным будет *)

Таблица 1

Наименование статей мгкал\час %

1. 6,772 15,00

2. Потери в паропроводе....... 0,518 1,15

3. Потери теоретического цикла (в кон- 24,143 * 53,48

4 Добавочные потери действительного цикла .............. 2,742 6,07

5. Механические потери ......• 0,219 0,49

6. Потери в генераторе ....... 0,430 0,95

7 . Полезная работа ......... 10,320 22,86

Итого.............•. . . 45,144 100,00

Подведено с топливом....... 45,144 100,00

Энергетический баланс Установки рассчитан по соотношениям (5'), (5") и (5'").

Таблица 2

Наименование статей мгкал1нас киловатт Н

1. Потеря работоспособности в котле .... ........ 31,045 36100 68,77

2. Потеря работоспособности в паропроводе ......... 0,388 451 0,86

3. Потеря действительного цикла 2,742 3186 , 6,07

4. Механические потери .... 0,219 257 0,49

5. Потери в генераторе ..... 0,430 499 0,95

6. Полезная работа ....... 10,320 12000 22,86

45,144 52493 100,00

Подведено с топливом ..... 45,144 52493 100,00

Сопоставление теплового и энергетического балансов дано на фиг. 2. Потеря котла в калориях невелика. Но пар в котле получается при невысокой температуре, поэтому его работоспособность составляет лишь 31,23% от. работоспособности топлива. Таким и был бы к.п.д. установки при отсутствии в ней дальнейших потерь при превращении энергии.

В тепловом балансе установки основную потерю составляет потеря теоретического цикла (отвод тепла в конденсатор). В действительности эта потеря уже обусловлена тем, что при сообщении тепла рабочему телу в котле имела место необратимая передача тепла. Отвод соответственного

Все расчеты проведены по М. П. Вукаловичу [6]

количества тепла от рабочего тела становится тем самым неизбежным при данном характере теоретического цикла. Отвод тепла в конденсатор в теоретическом цикле происходит при наинизшей температуре в системе,

Бллянш

а)Те плохой ^Энергетической

|Потери генератора

Г 1 Полезная раЬота М1| Механические потери ' . Потери уеистЬит. цикли Потери В конденсаторе Потери паропроВода • 23 Потери; В Ротле.

Фиг. 2

т. е. отводится то тепло, которое в данных" условиях нельзя превратить в работу. Поэтому соответственная статья потери в энергетическом балансе отсутствует.

о осСОСОС 9 ф

» 8

КУДо-роо^с!

Таким образом, энергетический баланс ясно указывает на слабые звенья в цепи превращения энергии. Поэтому рекомендуется, наряду с обычным тепловым балансом, сводить также энергетический баланс установки.

ЦИТИРОВАНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Кирпичев. М. Энергетический баланс тепловых установок. Изв. АН СССР, отделение техн. наук, № 12, 1949.

kss Gouy. Sur l'énergie utfilisable. Journal de Physique, 1889 r.

3. A. Keller. Entropie —balance dlagramm spotlights steam—power losses. Power Enginee ring, 195<i г., июль.

4. Фукс Г. И. Средне-термодинамические температуры. Изв. Томского политехи, института, т. 63, 1944.

5. Фукс Г. И. Степень совершенства теплосиловой установки. Изв. Томского политехи. института, т. 66, 19-18.

6. Вукалович. М. Термодинамические свойства воды и водяного пара, 1950.

ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ

Стр. Строка | Напечатано Следует

24 2 снизу 1Г = S Р Tr=S Pr

41 4 сверху цитированая цитированная

57 5 сверху термо-игидродинамические термо- и гидродинамические

69 11 снизу топлоносителя теплоносителя

85 10 снизу dV „ л dV 0ass ¿а =

da

102 17 снизу бессейнов бассейнов

178 фиг. 1 в процесс в процессе

185 14,15,17 снизу э е

204 7 сверху огд год

210 6 снизу где 860 NzMk = 8(Nik — №k) где 860 Ыэмк = 860 (Nik — N9k)

211 9 сверху Nz = Nzk + Nzno Na =» Nafc + N3no

211 18 сверху 860 N-k Dk— ■ — — </0 — Ik) f[M 860 Nah Dk — ' . .v ' Ä (i0 — ik) *]г