9.3 Термодинамическая эффективность газового цикла

Выполним оценку эффективности энергетической установки, работающей с газовой турбиной (рис.31).

Температура газов на входе камеры сгорания равна=298,15К, на выходе турбины=1423,15 К. Эффективность турбины примем равной 0,75.

Рассчитаем работу турбины при адиабатическом расширении газа до давления в 1 бар. Неизвестной является температура газа на выходе из турбины (). Исходя из уравнения (9), с учетом ΔS = 0, будем иметь:

(17)

Последняя зависимость рассчитывается методом итераций, что позволяет получить = 747,5 К и= 34,07 Дж/моль К (является функцией среднеарифметического значения температуры).

Скорость адиабатической работы, как и ранее, задается выражением:

(18)

Если считать, что эффективность турбины равна 0,75, то «реальная» ее работа составит (19) 508,7·0,75=381,525 кДж, а температура на выходе 892,1 К. Говоря о том, что около 50% энергии, вырабатываемой турбиной, идет на работу компрессора, «чистое» производство электричества будет равно 0,5·381,525=190,8 кДж. А это означает, что вся система в целом имеет эффективность, равную 190,8/831,5 = 0,23. Однако следует заметить, что горящий газ, покидающий систему при 892,1К, все еще содержит работоспособную энергию.

Можно рассчитать общую скорость изменения эксергии:
	(19)

Значения иизвестны. Необходимо определить величину.

Рассчитаем теплоемкость при температуре 595,13 К, которая является среднеарифметической между 892,1 К и 298,15 К. Она будет равна 33,104 Дж/моль К. Тогда ΔН = 19,66212 Дж/моль и ΔS = 36,28 Дж/моль К, что позволяет рассчитать скорость =195,47 кВт.

В итоге получаем: (рис.38), которая составляет 27,1% от исходной входящей скорости потока энергии (830,1 кВт), что говорит о том, что доля, приходящая на продукты сгорания и равная 0,271, теряется.

Рисунок 38 - Потоки эксергии и работы газового цикла, кВт

9.4 Эффективности парового цикла

Рассмотрим схему ХТС, где теплота производится в топке печи (рис.39).

Рисунок 39 - Схема парового цикла и значения основных показателей ее эффективности

Доля энергии топлива (теплоты сгорания топлива), которая поглощается паром, характеризует эффективность бойлера и изменяется в зависимости от его конструкции в пределах 85-90%.

Условия работы парового цикла приводятся в таблице 12. Анализ эффективности всей схемы будем проводить на 1 кДж/с питающего потока (топлива).

Таблица 12 - Значения параметров парового цикла

Точка измерения	Термодинамическое состояние	Т, Р	Эксергия, кДж/кг
(0)	Газ + твердое вещество и (или) газ + жидкость	–	–
(1)	Перегретый пар	500 ºС, 8600 кПа	1402,8
(2)	Влажный пар, концентрация пара 93,78%	45 ºС, 10 кПа	149,5
(3)	Насыщенная жидкость	45 ºС, 10 кПа	11,8
(4)	Переохлажденная жидкость	45 ºС, 8600 кПа	12,8
(5)	Газ	93 ºС, 101 кПа	–

Будем считать, что эффективность бойлера равна 87%. Это означает, что 1 кДж/с топлива подается в бойлер, и из этого количества 0,87 кДж/с адиабатически поглощается паром, скорость производства которого задается следующим выражением:

где h – энтальпия воды в соответствующей точке схемы.

Производство пара позволяет рассчитать потоки его эксергии в различных точках. Например, поток эксергии пара в точке (1) просто равен 2,73 · 10^-4 ·1402,8 = 0,38 кДж/с. Аналогично определяется поток эксергии в точке (2). Эксергия потока топочных газов (точка (5)) будет равна:

Наибольшая работа, которую может совершить пар в турбине, определяется разностью значений эксергии входящего и выходящего из турбины потоков (что соответствует потенциальной работе, которую может совершить пар) и равна 0,38–0,04=0,34 кДж/с. Если, как и ранее, эффективность турбины принять равной 75%, то она будет способна производить только 0,255 кДж/с электричества. Таким образом, эффективность паровой энергоустановки составляет величину 25.5%, и это, если не принимать во внимание необходимость расхода электроэнергии для питания насоса. Производительность насоса (на единицу массы пара) можно рассчитать с использованием энтальпии воды: W_pump = h₄ – h₃ = 203,4 – 191,8=11,6 кДж/кг пара или, 3,17 Дж/с для идеального насоса, умножив производительность насоса на скорость пара. При эффективности насоса, пусть равной тем же 75 %, производительность «реального» насоса составит 4,2 Дж/с. Результаты расчетов эффективности парового цикла сведены в таблицу 13.

Таблица 13 - Величины потоков эксергии парового цикла

Точка измерения	Эксергия, кДж/с
(0)	1,0
(1)	0,38
(2)	0,04
(3)	3,2214 · 10-3
(4)	7,6 · 10-4
(5)	0,024