Термодинамический анализ теплоэнергетических систем

Методика анализа теплоэнергетических систем основана на термодинамическом аппарате и рассмотрении отдельных процессов. Термодинамический анализ таких систем может проводиться на трёх уровнях.

Первый уровень термодинамического анализа систем достигается определением внутренних потерь D_i от необратимости во всех элементах системы, внешних потерь D_e, а также установлением причин, их вызывающих. Полученная при этом информация позволяет установить распределение и характеристику потерь как для системы в целом, так и в каждом её элементе. Кроме того, создаётся возможность количественно охарактеризовать эффективность внешних взаимодействий системы.

Второй уровень термодинамического анализа систем характеризуется тем, что наряду с потерями D_i и D_e определяются значения потоков эксергии всех видов – как внутри системы, так и проходящих через её контрольную поверхность. Таким путёмсоздаётся возможность определить относительные характеристики – КПД η_e, эксергетические веса элементов и эксергетическую производительность. В результате получается «разрез», «рентгеновский снимок», позволяющий увидеть и объективно оценить все происходящие в системе энергетические превращения. Такой «снимок» может служить основой для дальнейшей работы по усовершенствованию системы и сопоставлению её с другими, предназначенными для тех же или аналогичных целей.

Большое значение такая информация имеет и с методической точки зрения, позволяя наглядно представить идеи, лежащие в основе действия различных технических систем преобразования вещества и энергии, их достоинства, недостатки, а при сопоставлении разных решений – выявить тенденции дальнейшего развития. При всей важности той информации, которую можно получить на первом и втором уровнях термодинамического анализа, она все же недостаточна для того, чтобы служить базой решения главной задачи – совершенствования теплоэнергетической системы, её оптимизации. Здесь нужна правильная диагностика, основанная на выявлении связей, взаимовлияния элементов системы. Следовательно, для полного термодинамического анализа нужен ещё один, третий уровень.

Третий уровень термодинамического анализа связан с учетом неэквивалентности эксергии (коэффициенты δi) и определением структурных коэффициентов. Знание этих коэффициентов дает возможность найти факторы, варьирование которых позволяет выйти на термодинамическую оптимизацию технической системы. Термодинамическая оптимизация технических систем, так же как и их термодинамический анализ на третьем уровне, необходимый для ее проведения, используется в инженерной практике относительно редко. Причина этого связана с особенностями целевой функции термодинамической оптимизации – эксергетического КПД ηe, максимум которого определяет конечный результат. Термодинамическая оптимизация, основанная на варьировании исходных параметров или изменении структуры системы, в ряде случаев может дать существенный практический эффект. Вместе с тем необходимо учитывать определенные границы его применения. В конечном счете для практики решающей всегда будет оценка, получаемая при технико-экономической оптимизации. Результаты термодинамической и технико-экономической оптимизации вобщем случае не совпадают; система, весьма эффективная термодинамически, может оказаться экономически очень далекой от оптимума.

Первый из них относится к системам, у которых в определенном интервале параметров повышение КПД вызывает одновременно улучшение и экономических показателей. Такая связь характерна для многих простых систем или сравнительно независимых элементов сложных систем. Непременным условием, определяющим возможность существования этих простых связей, служит относительная стабильность неэнергетических затрат при существенном изменении энергетических (которые непосредственно определяются значением КПД). Примерами сравнительно простых систем, удовлетворяющих этому условию, могут служить многие агрегаты химической технологии, холодильные и теплонасосные установки, компрессорные и детандерные машины и т. д. К этой же группе относятся и некоторые теплосиловые установки и их агрегаты, подогреватели питательной воды, ступени турбин и отдельные узлы многих других систем.

Второй случай, когда можно провести оптимизацию на основе данных второго и третьего уровней термодинамического анализа, относится к случаю, при котором можно вычислить и применить смешанные эксергетические характеристики систем (массовые, объемные и др.). Такие величины могут использоваться как весьма эффективные целевые функции технико-экономической оптимизации.

Проведение эксергетического анализа теплоэнергетических систем возможно на всех стадиях проектирования и производства: при выборе основныхпринципов процесса, эскизной проработке, конструировании и, естественно, при эксплуатации системы.

Дыскин Л. М. Современные методы термодинамического анализа в теплоэнергетике [Текст]: учеб. пособие / Л. М. Дыскин, М. С. Морозов; под общ. ред. Л.М. Дыскина; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2018. – 133 с.