Читальный зал -->  Изменение энтропии 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74

Из изложенного ясно, что зксергия, т. е. максимальная работа, которую можно получить от рабочего тела в потоке, как правило, не равна располагаемому теплоперепаду A -/го. В некоторых случаях, как в изображенном на рис. 5.12 примере, она оказывается больше располагаемого теплоперепада за счет теплоты, отбираемой рабочим телом от окружающей среды. В других случаях (когда so<Si) она будет меньше, чем hi -ho-

Эксергия e = hi-hn - To{s\-sn) зависит от параметров как рабочего тела hi, si, так и окружающей среды ро, Та. Однако если параметры окружающей среды заданы (чаще всего принимают Го = 293 К, ро=100кПа), то эксергию можно рассматривать просто как функцию состояния рабочего тела. Понятие эксергия полезно при анализе степени термодинамического совершенства тепловых аппаратов.

Проиллюстрируем это на следующем примере. Представим себе, что в аппарат поток рабочего тела входит с удельной эксергией ei, а выходит из него с эксергией 62, причем в аппарате рабочее тело совершает техническую работу /тек. Насколько совершенно протекает термодинамический процесс в аппарате?

Каждый килограмм рабочего тела до аппарата потенциально может совершить максимальную работу ei, а после аппарата ei. Значит, пройдя аппарат, рабочее тело потеряло часть работоспособности, равную ci-62. Но при этом была совершена техническая работа /тех-Таким образом, чистая потеря работоспособности в аппарате

в данных условиях работу:

макс -1 2-

(5.33)

Д/ = ((?1 -62) -/ток.

(5.32)

Эта потеря может происходить только из-за неравновесности протекающих в аппарате процессов. Чем больше неравновесность, тем больше Д/ и меньше полезная работа /тех- Если все происходящие в аппарате процессы равновесны, то мы получаем максимально возможную

Если в тепловой аппарат, производящий полезную работу /тек, входит поток рабочего тела с параметрами pi, Ti и подводится теплота q от источника с температурой Г ст, а из аппарата выходит поток рабочего тела с параметрами Pi, Ti, то потеря работоспособности составит

А=[(евк + )-в х]-.ех. (534)

где еах и бвых определяются по формуле (5.31), а e, = qi (1-Тй/Т, ).

В выражение величины Д/ входят потери работоспособности, обусловленные трением и теплообменом при конечной разности температур, а также потери теплоты аппаратом вследствие теплообмена с окружающей средой.

Для количественной оценки степени термодинамического совершенства теплового двигателя используется э к с е р-гетический КПД, который имеет вид

11экс = тех/(евх+е,-вых)- (5-35)

Контрольные вопросы и задачи

5.1. Определить теоретические значения скорости истечения и расхода воздуха, вытекающего из воздухопровода через отверстие диаметром 5 мм в атмосферу. Избыточное давление в воздухопроводе 0,2-10 Па, температура 20 С. Барометрическое давление 758 мм рт.ст.

5.2. Во сколько раз изменится теоретическая скорость истечения сухого насыщенного пара (pi=4,5 МПа) в атмосферу, если суживающееся сопло заменить соплом Лаваля? Трение в сопле не учитывать.

5.3. За счет чего при дросселировании пара любого состояния происходит увеличение энтропии?

5.4. Можно ли в результате дросселирования сухого насыщенного пара вновь получить сухой пар меньшего давления?

5.5. Компрессор сжимает 100 м/ч воздуха температурой /i = 27C от давления pi = = 0,098 до р2 = 0,8 МПа. Определить мощность, необходимую для привода идеального (без потерь) компрессора, считая сжатие изотермическим, адиабатическим и политропный с показателем политропы п = 1,2.

I л а в d ш е с I d я

ЦтЛЫ ТЕПЛОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

iJ ТММОДИНЛМИЧ! ( кля

*гктинн()( ть циклов

1-л() ы:с усглиоиок

Как показано в § 3.3, наибольший термический КПД в заданном диапазоне температур имеет цикл Карно. При его осуществлении предполагается использование горячего источника с постоянной температурой, т. е. фактически с бесконечной теплоемкостью. Между тем на практике в работу превращается теплота продуктов сгорания топлива, теплоемкость которых конечна. Отдавая теплоту, они охлаждаются, поэтому осуществить изотермическое расширение рабочего тела при максимальной температуре горения не удается. В этих условиях необходимо установить общие принципы, определяющие наибольшую термодинамическую эффективность теплосилового цикла, в частности, с позиций потери эксергии.

Эксергетический и термический коэффициенты полезного действия позволяют оценивать термодинамическое совершенство протекающих в тепловом аппарате процессов с разных сторон. Термический КПД, а также связанный с ним метод тепловых балансов позволяют проследить за потоками теплоты, в частности рассчитать, какое количество теплоты превращается в том или ином аппарате в работу, а какое выбрасывается с неиспользованным (например, отдается холодному источнику). Потенциал этой сбрасываемой теплоты, ее способность еще совершить какую-либо полезную работу метод тепловых балансов не рассматривает.

Эксергетический метод, наоборот, позволяет проанализировать качественную сторону процесса превращения теплоты в работу, выявить причины и рассчитать потери работоспособности потока рабочего тела и теплоты, а значит, и предложить методы их ликвидации, что позволит увеличить эксергетический КПД и эффективность работы

установки. Поэтому в дальнейшем анализе эффективности работы тепловых установок мы будем параллельно пользоваться как эксергетическим методом, так и методом балансов теплоты.

Назначением теплосиловых установок является производство полезной работы за счет теплоты. Источником теплоты служит топливо, характеризующееся определенной теплотой сгорания Q. Максимальная полезная работа /. акс которую можно получить, осуществляя любую химическую реакцию (в том числе и реакцию горения топлива), определяется соотношением Гиббса (1839-1903) и Гельмгольца (1821 -1894), получаемым в химической термодинамике:

L :,., = Q+TdL ,.,/dT. (6.1)

Эта работа может быть меньше теплоты сгорания Q, а может быть и больше, в зависимости от знака dL ; tc/dT. Расчеты показывают, что для большинства ископаемых топлив L aKc Q- Таким образом, эксергия органического топлива (в расчете на единицу его массы) примерно равна теплоте его сгорания, т. е. теоретически в работу можно превратить весь тепловой эффект реакции, например, в топливных элементах. Физически это понятно, поскольку в своей основе химическая реакция связана с переходом электронов в веществе; организовав этот переход, можно сразу получить электрический ток.

В теплосиловых установках энергия топлива сначала превращается в тепловую путем его сжигания, а полученная теплота используется для выработки механической энергии. Поскольку горение - неравновесный процесс, он связан с потерей работоспособности тем большей, чем ниже температура 7 i получаемых продуктов сгорания. Действительно, из формулы (5.31) видно, что эксергия рабочего тела в потоке е возрастает с увеличением ht=CpTi, все более приближаясь по мере увеличения Ti к теплоте реакции. В современных паровых кот-

лах, например, где теоретическая температура горения достигает 2000 °С и более, потери эксергии при горении составляют 20-30 %.

Выше уже отмечалось, что основными причинами, снижающими эффективность тепловых процессов, являются трение и теплообмен при конечной разности температур. Вредное влияние трения не нуждается в пояснениях. Чтобы рельефнее представить вредное влияние неравновесного теплообмена, а заодно продемонстрировать разницу между методами балансов эксергии и теплоты, рассмотрим передачу теплоты от одного теплоносителя к другому, например, от продуктов сгорания топлива к воде и пару в паровом котле.

Продукты сгорания, охлаждаясь в изобарном процессе 1-2 (рис. 6.1), отдают теплоту Qr = mr (/iir -Й2г), которая затрачивается на нагрев воды (линия 3-4), ее испарение (линия 4-5} и перегрев пара до нужной тем[1ературы (линия 5-6). Если не учитывать теплопотери в окружающую среду, то количество теплоты, отданной газами, будет равно количеству теплоты Q = D(h(, - Aj), воспринятой водой и паром: Q, = Q или

ГПг (Ли-/J2r) = £> (Аб -ft.i)-

Здесь т, и D - массовые расходы газов и пара, а Air, .. , he - удельные энтальпии соответствующих веществ в соответствующих состояниях.

Чтобы изобразить описанные процессы в 7, .ч-диаграмме водяного пара в одном масштабе, отложенные на ней значения энтропии воды и пара отнесены к 1 кг, а энтропии греющих газов - к их количеству, приходящемуся на 1 кг пара, т. е. 5 =.sir m,/D, S2 = -S2, гПг/О, где s, - удельная энтропия газа. Для удобства сравнения принято также общее начало отсчета энтропии, т.е. .S2r/Яг/О = sa. В таком случае площадь 1-Г-2-2, представляющая собой количество отданной газом теплоты, и площадь 2-3-4-5-6-6, эквивалентная количеству теплоты, воспринятой паром, равны друг другу.

Поток газа входит с эксергией ei = (Л,- А - 7- (.V,- ,v, ,) I mjn, а

выходит с эксергией = /),-Л,),-- - 7 (.Sj, - s,) tnJD, теряя на кило-

Рис. 0.1. К расчету по Т, .v диаграмме эксср-гетических потерь при неравновесном теплообмене

грамм пара эксергию е-с.2 = = (А, -А2А2, - 7 (i-, -i-2,) mJD.

Соответственно увеличение эксергии килограмма пара ее - (;:i= (Лц - А;, - ГоХ X(i6 -s,i). Потери эксергии при передаче теплоты (i?i - £>2) -(<?б -(?,ч) I составят

Ta(Sb-~sum,/D) = Ta{s -si). (6.2)

Графически эти потери изображаются заштрихованной на рис. 6.1 площадкой.

Расчеты показывают, что только из-за неравновесного теплообмена потеря эксергии, т. е. работы, которую теоретически можно было бы получить, используя теплоту продуктов сгорания топлива, превышает 30 %.

I.:.. цик,/1Ы iiopiiim ПЫХ ДИИ1 Л м JII И

В11УТ1>1.11НГо (, ОР.ЛНИЯ

Чтобы исключить эксергетические потери за счет неравновесного теплообмена с горячим источником теплоты, целесообразно использовать в качестве рабочего тела газы, получающиеся при сгорании топлива. Это удается осу[Г1ествить в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), сжигая топливо непосредственно в его цилиндрах.

Теоретический цикл ДВС состоит из адиабатного сжатия 1-2 рабочего тела в цилиндре, изохорного 2-3 или изобарного 2-7 подвода теплоты, адиабатного расширения 3-4 или 7-4 и изохорного

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.