Энтропийный и эксергетический методы анализа

В реальных теплоэнергетических установках имеет место необратимость двух типов:

• • необратимость, вызванная наличием трения при движении рабочего тела в элементах установки;
• • необратимость, обусловленная наличием конечной разности температур в процессах передачи теплоты между рабочим телом и источниками теплоты.

Цикл называют внутренне обратимым, если в нем отсутствуют потери на трение при течении рабочего тела, и полностью обратимым, если наряду с этим отсутствуют необратимые потери, связанные с внешним теплообменом (обменом теплотой с горячим и холодным источниками). Таким образом, цикл, в котором отсутствуют потери на трение при течении рабочего тела, но осуществляется теплообмен при конечной разности температур между рабочим телом и источниками, будет обратим внутренне, но необратим внешне.

Метод коэффициентов полезного действия учитывает потери лишь внутренней необратимости цикла, но никак не учитывает потери, обусловленные разностью температур рабочего тела и источников теплоты. Тем не менее метод коэффициентов полезного действия широко распространен в практике теплотехнических расчетов. Объясняется это тем, что внешняя необратимость не влияет на количественные результаты анализа: внутренняя необратимость цикла приводит к потере части подводимой теплоты, а внешняя необратимость не приводит к потерям теплоты, так как одно и то же ее количество передается вне зависимости от того, какова разность температур между рабочим телом и источниками теплоты. Внешняя необратимость приводит к потере качества — работоспособности, недоиспользованию температурного потенциала теплоты, который в случае термодинамически более совершенной организации процесса теплообмена позволил бы получить большую работу.

Ярким примером внешней необратимости является теплообмен в котле между продуктами сгорания топлива и пароводяной эмульсией — рабочим телом паротурбинной установки. В современных крупных котлоагрегатах КПД топок превышает 95%, следовательно, с позиций первого начала термодинамики это очень совершенное устройство. С позиций второго начала термодинамики в топке имеет место ярко выраженная внешняя необратимость процесса передачи теплоты от горячего источника (Т_{ ~ 2200 К) к экранным трубам, в которых циркулирует пароводяная смесь (Т_{ ~ 600 К). Потеря работоспособности рассчитывается по формуле Пои — Стодолы. Тепловое устройство, весьма эффективное с позиций первого начала термодинамики, оказывается весьма несовершенным с позиции второго начала термодинамики (эксергетический КПД котла не превышает 50%).

В отличие от метода коэффициентов полезного действия энтропийный и эксергетический методы, основанные на обоих началах термодинамики, позволяют найти источники необратимости в элементах энергетической установки.

Суть энтропийного и эксергетического методов анализа одинакова: это расчет потерь необратимости. Различны лишь способы практического применения.

Величина потери работоспособности всей системы в целом равна сумме величин потерь работоспособности в отдельных элементах этой системы:

Найденные значения AL, покажут, в каких элементах установки необратимые процессы вносят основной вклад в величину AL_v а следовательно, в каких элементах установки процессы требуют усовершенствования в первую очередь.

Возрастание энтропии A5, в результате необратимости процессов вычисляется по известным формулам.

Иногда удобно судить о степени обратимости процессов внутри элементов установки по внешней характеристике рабочего тела и источников — по разности эксергий АЕх на входе в элемент установки и на выходе из него. Величина эксергии определяется по формулам эксергии теплоты, потока или неподвижного рабочего тела, иногда удобно пользоваться специальными эксергетическими диаграммами.

Первым был разработан энтропийный метод анализа энергетических установок. Эксергетический метод возник в 60-е гг. XX в. и получил распространение в различных областях теплотехники и холодильной техники.

Таким образом, методы количественного анализа совершенствования энергетических установок, основанные на первом начале термодинамики, должны быть дополнены методами качественного анализа на базе двух начал термодинамики — энтропийным или эксергетическим, позволяющими учесть все необратимости, внутренние и внешние, оценить их вклад, выявить элементы системы, требующие первоочередного усовершенствования.