Коэффициенты полезного действия

Как известно, тепловые установки делятся на тепловые двигатели, в которых осуществляется прямой цикл (по часовой стрелке) с отдачей работы внешнему потребителю, и на холодильные установки, работающие по обратному циклу (потив часовой стрелки) с затратой работы, подводимой извне.

В свою очередь, тепловые двигатели можно разделить на три основные группы: двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и превращение его в работу происходит внутри цилиндра двигателя; газотурбинные установки (ГТУ) и реактивные двигатели, в которых процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса; паросиловые установки, где теплота сообщается рабочему телу в отдельном агрегате – паровом котле, а превращение теплоты в работу в паровой турбине (ПТУ).

Общим для циклов тепловых двигателей первых двух групп является использование в качестве рабочего тела газообразных продуктов сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном и том же агрегатном состоянии и при относительно высоких температурах считаются идеальным газом.

Характерной чертой тепловых двигателей третьей группы является использование таких рабочих тел, которые в цикле претерпевают агрегатные и фазовые изменения (жидкость, влажный пар, перегретый пар) и подчиняются законам реальных газов.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов, учет которых делает термодинамический анализ циклов невозможным. В связи с этим для выявления

, основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами, допускающими применение для их анализа термодинамических методов. Такие циклы называют теоретическими.

В соответствии с этим анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: сначала анализируется теоретический (обратимый), а затем реальный (необратимый) с учетом основных источников необратимости.

Степень совершенства теоретических циклов полностью характеризуется величиной термического кпд

, который учитывает только неизбежную термодинамическую потерю q2:

.                                           (116)

Эффективность реального необратимого цикла оценивается так называемым индикаторным (внутренним) кпд:

,                                                    (117)

где

– индикаторная работа в необратимом цикле (без учета механических потерь).

Для установления степени необратимости цикла используют понятие относительного внутреннего кпд, представляющего собой отношение индикаторной работы

к теоретической

 

,                                                  (118)

и показывающего, насколько реальный цикл менее совершен, чем теоретичес-кий. Легко видеть, что

.                                               (119)

Кроме необратимых потерь, учитываемых внутренним кпд, в теплосиловой установке имеется ряд других потерь (потери теплоты в окружающую среду в камерах сгорания и паропроводах, потери на трение в подшипниках, потери в генераторах и т.д.). Поэтому работа, переданная внешнему потребителю e, меньше работы, полученной в цикле i. Отношение действительной полезной работы

e, отданной потребителю, к количеству затраченной теплоты q1, называется эффективным кпд установки:

.                                                  (120)

Отношение эффективной работы к работе индикаторной можно заменить отношениями кпд, которое является механическим кпд

мех.

.

                     (121)

Отсюда

.                   (122)

Для паровой турбины

, где

введено вместо i3 – энтальпия воды при температуре кипения, соответствующей давлению в конденсаторе.

Рис. 43

- относительный внутренний

.

Все процессы цикла Ренкина необратимы из-за теплообмена при конечной разности температур. Но степень необратимости во всех этих процессах относительно мала.

Основная необратимость связана с потерей кинетической энергии на

трение пара в соплах и на лопастях. На рис. 43 условно изображен необратимый процесс расширения пара 1- 6, так как известны его начальные и конечные параметры. Не превращенная в работу теплота идет на увеличение энтальпии пара. Теплота, воспринятая паром из-за необратимости измеряется пл. 26782. Теоретическая и индикаторная работы определяются следующими выражениями:

Отсюда

                                       (123)

9.7 Контрольные вопросы

1. Изобразите схему и цикл паротурбинной установки, работающей по циклу Карно.

2. Изобразите цикл в Т- s координатной системе и схему паротурбинной установки, работающей по циклу Ренкина. Запишите термический коэффициент полезного действия цикла Ренкина.

3. Какие существуют способы повышения к.п.д. цикла Ренкина?

4. С какой целью применяют вторичный перегрев пара? Опишите цикл паротурбинной установки со вторичным перегревом пара.

5. Опишите регенеративный цикл паротурбинной установки.

6. Что такое индикаторный, относительный внутренний и эффективный коэффициент полезного действия паротурбинной установки?