9. Эксергия. Эксергетические потери и кпд.

Известно, что тепловой поток и работа являются неравноценными видами энергии, поскольку превратимость теплового потока в другие виды энергии ограничивается вторым законом термодинамики, а работа является неограниченно превратимой формой энергии. В связи с этим, особенно при анализе сложных систем, используют понятие эксергии.

Эксергия представляет собой энергию, которая при участии окружающей среды может быть преобразована в любую другую форму энергии. Ее определяют как работоспособную часть энергии.

Эксергия системы остается неизменной при обратимом протекании процессов взаимодействия с окружающей средой и внутри системы и уменьшается, если какой-либо процесс является необратимым. Эксергия рабочего тела в произвольном состоянии , где – эксергия окружающей среды.

В большинстве случаев удобнее оперировать с разностями эксергии, относящимися к рассматриваемым состояниям рабочего тела. Разность эксергии в двух произвольных состояниях рабочего тела

.

Рассмотрим адиабатные процессы сжатия в ЦКМ и расширения в ТД. В изоэнтропных процессах сжатия и расширения и изменение эксергии равно изменению энтальпии: . Для необратимых адиабатных процессов уравнение эксергетического баланса имеет вид

,

где знак плюс относится к процессам сжатия, знак минус – к процессам расширения; – потеря эксергии от необратимости процесса.

Обычно полезный эффект ТД оценивают удельной холодопроизводительностью или мощностью. При эксергетическом анализе под полезным эффектом, получаемым в адиабатном детандере, понимают сумму внешней работы и эффекта охлаждения , который определяется разностью эксергий в конечном состоянии и в состоянии, характеризуемом начальной температурой и конечным давлением.

Суммарный полезный эффект при

Эксергетический КПД ТД определяется выражением

,

где – изменение эксергии в действительном процессе н–к.

При Т_н<Т_о.с эксергетический КПД меньше изоэнтропного, так как потери эксергии П больше потери холода .

Эксергетический КПД ЦКМ можно определить следующим образом:

.

При Т_о.с=Т_н этот КПД больше изоэнтропного и политропного, так как потери эксергии меньше потери работы и меньше диссипированной энергии в процессе н–к.

10. Основные критерии подобия турбомашин.

В основе теории подобия, или метода обобщенных переменных, лежит использование безразмерных (относительных) переменных и безразмерных комплексов, выражающих определенные соотношения между условиями процесса и поэтому являющихся критериями подобия. Тождество в относительном представлении зависимостей приводит к подобию при переходе к абсолютным величинам, характеризующим рассматриваемый процесс.

При соблюдении краевых (начальных и граничных) условий необходимым и достаточным условием подобия двух систем является равенство критериев подобия, составленных из заданных по условиям задачи величин.

В теории подобия устанавливается, что для процессов, которые протекают в геометрически подобных турбомашинах, работающих на идеальном газе в адиабатных условиях, определяющими являются следующие четыре критерия:

число или коэффициент скорости , учитывающие сжимаемость газа;

число Рейнольдса , учитывающее соотношение инерционных сил и сил внутреннего трения;

показатель изоэнтропы ;

режимный критерий, обычно параметрического типа, характеризующий режим работы машины; чаще всего им является безразмерный расход (например, коэффициент расхода ), степень изменения давления ( или ), безразмерная работа или отношение , являющееся критерием кинематического подобия.

Критерии Прандтля и Струхаля обычно не рассматривают. Первый потому, что процессы теплообмена в турбомашинах в большинстве случаев играют несущественную роль; второй потому, что при общем ТГД-расчете турбомашин рассматривается осредненный по времени поток газа, который представляется стационарным. В связи с этим выпадают из рассмотрения также начальные условия. Соблюдение граничных условий обеспечивается геометрическим подобием и подобием полей физических величин в начальном сечении. Геометрическое подобие предполагает соблюдение и подобия шероховатости.

Требование равенства четырех определяющих критериев подобия существенно сужает область практического применения теории подобия. Исходя из практической целесообразности, необходимо условия подобия процессов в турбомашинах свести к равенству двух определяющих критериев. С этой целью вводят упрощения: либо пренебрегают незначительным влиянием какого-либо критерия, либо вводят поправки на его влияние. Первое упрощение связано с исключением из числа определяющих критерия Рейнольдса, влияние которого на КПД машин при мало, а при практически отсутствует.

Область значений чисел Рейнольдса, в которой влияние вязкости газа на потери в элементах машины невелико, называют автомодельной.

Второе упрощающее задачу условие связано с невозможностью осуществления точного подобия процессов сжатия и расширения реального газа. Таким упрощением является замена реального газа идеальным или идеализированным, что позволяет полагать =idem.

Таким образом, в качестве условий приближенного подобия турбомашин при достаточно больших числах Рейнольдса и =idem остаются два определяющих критерия: режимный критерий и число или его аналог.