Эффективность преобразования энергии. Условия получения максимальной работы

Кафедра теплоенергетики

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ навчальної дисципліни

«ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ЕНРГЕТИЧНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ»

ГАЛУЗЬ ЗНАНЬ 0506 «Енергетика та енергетичне машинобудування»

НАПРЯМ ПІДГОТОВКИ 6.050601 «Теплоенергетика»

СПЕЦІАЛЬНІСТЬ 8.05060101 «Теплоенергетика»

КВАЛІФІКАЦІЯ 2149.2 «інженер-дослідник»

Розробник

д.т.н., проф. Замицький О.В.

Конспект лекцій затверджений на засіданні кафедри теплоенергетики,

протокол № від 20 р.

Зав. кафедрою теплоенергетики

д.т.н., проф. Замицький О.В.

Кривий Ріг – 2016 р.

Кривий Ріг – 2016 р.

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ЭКСЕРГИЯ

Эффективность преобразования энергии. Условия получения максимальной работы

Главной задачей технической термодинамики является анализ условий преобразования одних видов энергетического воздействия в другие, т. е. условий превращения энергии. Это необходимо во всех случаях, когда имеющиеся источники первичной энергии вырабатывают ее не в той форме, какая нужна потребителю, или же когда потенциал источника энергии (температура, давление, электрическое напряжение и т. д.) не соответствуют потенциалу потребителя. В общем случае преобразователь энергии (рис.1) может получать первичную энергию в различных формах и количествах Q_A, Q_B, … от нескольких источников А, В, … и отдавать энергию различным потребителям М, N, … также в различных формах и количествах Q_M, Q_N, …

Преобразователь может сам являться источником энергии для потребителя. В этом случае отдаваемая им энергия равна уменьшению собственной внутренней энергии.

Q_o.c A_o.c

Рис.1. Схема преобразования энергии:

A, В – источники первичной энергии; Q_A и Q_B – формы передачи первичной энергии; ТС – термодинамическая система (преобразователь энергии); Q_M и Q_N – формы передачи полезной энергии; М, N, - потребители полезной энергии; Q_o.c, A_o.c – формы обмена энергией с соответственной окружающей средой; ОС – естественная окружающая среда.

В большинстве случаев преобразователь получает первичную энергию в какой-либо одной форме, а отдает энергию потребителям в нескольких формах, причем одна (или немногие) из этих форм является полезной, а остальные – побочными и составляют так называемые «потери» энергии. Эффективность преобразования энергии в общем случае характеризуется отношением количества полезной энергии, отдаваемой потребителем от источника.

Если первичная энергия является работой любого вида, то с помощью идеального преобразования, в котором отсутствует неравновесные, необратимые процессы (трение, электрическое сопротивление, диффузия и тому подобные процессы диссипации), она может быть полностью преобразована в энергию любого иного вида. Максимальная теоретическая эффективность преобразования работы в любую иную форму энергии (т. е. наибольший КПД преобразователя работы) равна единице. В реальных преобразователях имеются процессы диссипации, которые переводят часть энергии, подведенной в форме работы, в энергию хаотического теплового движения микрочастиц тел, участвующих в процессе преобразования, в связи с чем эффективность преобразования снижается. Такое снижение эффективности вызвано наличием необратимых процессов, поэтому для характеристики эффективности преобразователей работы необходимо воспользоваться вторым законом термодинамики и следствиями из него.

Если вся первичная энергия или часть ее подводится к преобразователю в форме теплоты, согласно второму закону термодинамики, полное превращение ее в работу в принципе невозможно. Если преобразователь (тепловой двигатель) работает по замкнутому циклу, т. е. не совершает работу за счет собственной внутренней энергии, то эффективность преобразования теплоты в работу в идеальном, обратимом тепловом цикле характеризуется значением термического КПД цикла, имеющим максимальное значение для цикла Карно. Однако понятие термического КПД цикла не достаточно для полной характеристики эффективности процессов и устройств для преобразования энергии. Действительно, η_t цикла не отражает потерь, вызванных необратимостью реальных процессов, необходимых для преобразования энергии, и непригодного для характеристики таких преобразователей, в которых полезно используемая потребителями энергия отдается не только в виде работы, но и в виде теплоты (например, в теплофикационных установках).

При сравнении тепловых двигателей, использующих теплоту различных температурных потенциалов, термический КПД цикла отражает лишь внешние условия, но не совершенство самой машины, так как в выражении вида η_t= 1−T₁/T₂ входят температуры источника Т₁ и приемника Т₂ теплоты, но не характеристики рабочего тела в цикле. Для учета конкретных потерь в практику были введены дополнительные показатели эффективности преобразования, такие, как индикаторные, относительный, электрический, эффективный и другие КПД машин и отдельных их элементов. Разнородность этих коэффициентов затрудняет сравнительный анализ эффективности тепловых двигателей.

Кроме того термический КПД цикла не может служить показателем эффективности обратных термодинамических циклов и машин, работающих по таким циклам, не может быть непосредственно использован для оценки эффективности преобразования энергии в разомкнутых термодинамических процессах (например, при анализе работы отдельных элементов двигательной установки).

В ходе развития термодинамических методов анализа было установлено, что эффективность преобразования энергии следует оценивать сопоставлением фактической работы, отдаваемой потребителю, с максимальным количеством работы, которое мог бы получить потребитель от данной термодинамической системы за счет ее внутренней энергии и подводимой к ней первичной энергии. Если рассматриваемая система является лишь элементом (узлом) преобразователя, ее эффективность характеризуется тем влиянием, которое оказывает необратимость в нем на итоговый эффект преобразования энергии. Если полезная энергия отдается в форме теплоты, но для оценки эффективности используют максимально возможную работу, которую можно получить за счет этой теплоты.

В зависимости от вида термодинамической системы, источников первичной энергии и условий протекания процессов в системе максимальное количество работы выражается различными соотношениями, получившими общее название функций работоспособности.

При получении выражений этих функций системы, находящейся в некотором начальном состоянии или совершающей некоторый термодинамический цикл, необходимо установить ее конечное состояние и оговорить условия перехода из одного состояния в другое.

Система может производить полезную работу лишь при отсутствии равновесия между ней и окружающей средой, поэтому за конечное состояние системы в случае разомкнутого процесса принимается состояние равновесия системы с окружающей естественной средой (например, с атмосферой), температура Т_о и давление р_о которой принимают постоянными.

Согласно второму закону термодинамики, работа будет максимальна, если при переходе системы в состоянии равновесия с окружающей средой все процессы будут полностью обратимыми (равновесными). Если при этом система получает первичную энергию от источников, то эти процессы также должны быть равновесными. Из условия обратимости следует, что теплообмен с окружающей средой может происходить только в равновесном изотермном процессе при температуре Т_о. Процесс обмена работой также должен быть равновесным, но при этом нужно учесть, что не вся работа, совершаемая системой, может быть отдана потребителю: часть ее должна быть затрачена на вытеснение соответствующего объема окружающей среды с противодавлением р_о. Поэтому при вычислении функций работоспособность учитывается только полезная работа l _п, равная разности работы деформации системы l _t-o и работы по вытеснению объема окружающей среды:

(1)

Полезной работы проточной системы является располагаемая работа l _o, так как при выводе уравнения работа вытеснения окружающей среды (работа проталкивания) была учтена.