2.2. Физические основы преобразования энергии

В основе преобразования и использования различных видов энергии лежит ряд фундаментальных законов природы. К ним относятся первый и второй законы термодинамики, закон электромагнитной индукции, закон сохранения вещества.

Первый закон термодинамики — это лишь иная формулировка закона сохранения энергии. Совокупность тел, способных энергетически взаимодействовать между собой и с телами, оставшимися за границами, выделяющими эту совокупность, называют термодинамической системой. В энергетике в качестве термодинамической системы рассматривают так называемое рабочее тело — вещество, посредством которого осуществляются рабочие процессы в энергетических установках. Для такой системы всю энергию можно считать состоящей из двух частей: макроскопической и микроскопической. Макроскопическая энергия представляет собой энергию движения системы как целого — это то, что мы называем механической энергией, а микроскопическая энергия включает в себя «скрытую» энергию частиц, т.е. внутреннюю энергию. Если две системы с разными температурами привести в соприкосновение, то возникнет поток тепла от более горячего тела к более холодному.

Согласно закону сохранения энергии поступившее в систему тепло должно быть равно сумме приращения внутренней энергии системы и работы, совершенной системой за ее пределами (переданной через границы системы).

Чтобы конструировать установки, потребляющие топливо и производящие полезную работу, необходимо знать ограничения, налагаемые вторым законом термодинамики. Сущность второго закона термодинамики состоит в констатации того факта, что любой естественный самопроизвольный процесс в природе протекает в определенном, присущем ему направлении и не может быть проведен в противоположном направлении без затраты энергии.

Существует множество формулировок второго закона термодинамики. Приведем только те, которые наиболее просто объясняют протекание процессов в энергетических установках.

Формулировка 1. Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому.

Формулировка 2. Невозможно создать периодически действующий двигатель, в результате действия которого производилась бы положительная работа за счет взаимодействия его лишь с одним источником теплоты.

Этой формулировкой устанавливается, что для работы любого теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различной температурой.

Следует подчеркнуть важную особенность тепловых процессов. Механическую работу, электрическую работу, работу электромагнитных сил и т.д. можно без остатка, полностью, превратить в тепло. Что же касается теплоты, то только часть ее может быть превращена в периодически повторяющемся процессе в механическую и другие виды работ; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику.

На основе второго закона термодинамики вводится также понятие обратимого процесса. Обратимым называется процесс, после проведения которого система сохраняет возможность вернуться в первоначальное состояние, так что ни в системе, ни во взаимодействовавших с ней телах не произойдут какие-либо конечные изменения. Не удовлетворяющий этому условию процесс называется необратимым. Источниками необратимости являются разность температур при теплообмене, трение, диффузия и др. Очевидно, что обратимые процессы — это абстракция и все реальные процессы в той или иной степени необратимы. Однако при обратимых процессах достигаются наилучшие характеристики. Поэтому анализируются обратимые процессы, а влияние необратимости учитывается введением эмпирических коэффициентов.

В энергетических установках для получения механической и электрической энергии из энергии топлива (тепловой энергии) организуются круговые процессы, в результате которых рабочее тело возвращается в исходное состояние. Такие процессы еще называют циклами. В зависимости от того, как организован цикл, насколько обратимы протекающие в нем процессы, каково рабочее тело, параметры холодного и горячего источника, зависит эффективность получения работы.

Эффективность цикла принято определять коэффициентом полезного действия, который в обобщенном виде можно выразить следующей формулой:

,

где ‑ тепло, полученное от горячего источника; ‑ тепло, переданное холодному источнику; ‑ полезная работа, совершенная в цикле.

Для простоты представления наиболее характерных циклов энергетических установок представим их графически только в координатах T, s (T, s - диаграммах), где Т — температура рабочего тела (по шкале Кельвина), s — энтропия рабочего тела.

Энтропия — это показатель, характеризующий степень обратимости любого процесса. При абсолютном нуле температур (T = 0 K) и любых давлениях энтропия всех веществ равна нулю (третий закон термодинамики). Знание абсолютного значения энтропии необходимо для расчета химического равновесия, в термодинамике ее чаще всего отсчитывают от некоторого условного начала отсчета, так как в технических расчетах представляют интерес изменения энтропии в каких-либо процессах.

Функционирование цикла подчиняется описанным выше законам термодинамики. Цикл, представленный в T, s - диаграмме последовательностью линий, следующей по часовой стрелке, называют прямым циклом или циклом двигателя.

При минимальном числе источников теплоты (двух) прямой цикл может быть обратимым, если теплообмен происходит при постоянных температурах (изотермическим) и бесконечно малой разнице между температурами рабочего тела и источников теплоты, переход от одного источника к другому осуществляется без теплообмена (адиабатно) и во всех процессах отсутствует трение. Такой цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, называется прямым обратимым циклом Карно (рис. 2.1).

Термический КПД цикла Карно можно выразить формулой

откуда

,

где Т₁ — температура горячего источника; Т₂ — температура холодного источника.

Доказано, что термический КПД цикла Карно является пределом возможности преобразования теплоты в работу с помощью теплового двигателя в заданных условиях. В определенном интервале температур Т₁ и Т₂ любой произвольный обратимый цикл имеет термический КПД ниже, чем КПД цикла Карно.

Рис. 2.1. Цикл Карно в T, s - координатах

КПД любого произвольного обратимого цикла можно также представить в том же виде, что и КПД цикла Карно, используя показатели средней температуры подвода Т_ср1 и отвода Т_ср2 тепла:

Основное производство электрической энергии за счет использования энергии сжигаемого топлива осуществляется в паротурбинных, газотурбинных и парогазовых установках. Графическое представление циклов показано на рис.2.2―2.4.

Цикл Ренкина (рис. 2.2), по которому работают паротурбинные установки, так же как и цикл Брайтона (рис. 2.3), представляет собой совокупность процессов, состоящих из двух изобар (процессов протекающих при постоянном давлении) и двух адиабат (процессов, протекающих без теплообмена с окружающей средой).

Однако, как видно из графического представления циклов, форма их различна. Объясняется это тем, что в цикле Ренкина в качестве рабочего тела используется вода и водяной пар, которые в процессе реализации цикла испытывают фазовые превращения перехода из одного состояния в другое (из жидкого в газообразное и наоборот). В цикле же Брайтона рабочее тело всегда находится в газообразном состоянии.

Рис. 2.2. Цикл Ренкина (цикл паротурбинной установки)

Рис. 2.3. Цикл Брайтона (цикл газотурбинной установки)

На всех этих диаграммах линия 1—2 представляет процесс обратимого адиабатного расширения пара в турбине, являющейся в этом случае, согласно уравнению, процессом изоэнтропным (т.е. процессом при постоянной энтропии). Линия 2―2’ соответствует изобарному (а в двухфазной области он является и изотермическим) процессу отвода теплоты q₂ при конденсации влажного пара. Обратимый адиабатный (т.е. тоже изоэнтропный) процесс сжатия воды в насосе представлен линией 2’―3, а все последующие стадии подвода теплоты q₁ для получения перегретого пара в котле (нагрев воды до кипения, парообразование, перегрев) изображаются различными участками изобары 3—1.

Действительный цикл комбинированной установки в T, s - диаграмме представлен на рис. 2.4 (цикл Брайтона―Ренкина). Здесь цикл 1—2—2’―3―1 есть цикл газотурбинной установки (ГТУ), в которой газ после расширения в турбине (точка 2) при атмосферном давлении охлаждается в газоводяном подогревателе (ГВПД) до состояния 2’, отдавая теплоту питательной воде цикла паротурбинной установки (ПТУ), и только после этого отдает теплоту q_2Г окружающей среде. В цикле ПТУ 4—5—5’—6—7―4 подогрев питательной воды от состояния 6 до состояния 7 производится в газовом подогревателе за счет теплоты газа ГТУ, а дальнейший подвод теплоты q_1В осуществляется за счет сжигания топлива в котле. Таким образом, комбинированный цикл является частично бинарным, т.е. в низкотемпературном цикле часть теплоты (та, что подводится к газоводяному подогревателю) получена из высокотемпературного цикла, а остальная часть — от продуктов сгорания топлива.

Рис. 2.4. Цикл Брайтона―Ренкина