Размещено на http://allbest.ru

Московский энергетический институт

МЭИ (ТУ)

Определение энергетической эффективности аппаратов, установок и систем

к.т.н. А.В. Мартынов,

доцент кафедры ПТС МЭИ (ТУ)

Любая установка предназначена для производства какого - либо продукта в широком смысле слова (от потребительского до энергетического). Этот продукт является полученным эффектом (ПЭ), ради которого создаётся данная установка. Продукт - это цель, достижение которой требует затраты энергии. Эффективность достижения этой цели определяется коэффициентом этой цели (К_ц). Так для КЭС - таким продуктом является электроэнергия, для ТЭЦ кроме электроэнергии - является и тепло.

Для любых нагревательных установок: котельных, печей, электроподогревателей полезным эффектом (ПЭ) - является тепло. Для холодильных установок ПЭ - является холод, для кислородных установок - кислород, для азотных - азот и т.д.

Для определения энергетической эффективности любой установки кроме полученного ПЭ необходимо учесть затраты энергии (ЗЭ), которая подводится к установке, для обеспечения её работы.

Для определения эффективности любой установки часто используются целевые коэффициенты (К_ц), учитывающие ПЭ и ЗЭ:

Для разных установок этот коэффициент К_ц имеет разные названия (табл. 1):

1. Так для холодильных установок, производящих холод: это - холодильный коэффициент:

а) Для парокомпрессорных установок:

,

теплоэнергетический эксергия электростанция карно

б) Для абсорбционных установок:

;

2. Для тепловых насосов: коэффициент преобразования или трансформации:

;

3. Для электростанций, производящих электроэнергию - коэффициент работоспособности:

;

4. Для любых теплопроизводящих установок - тепловой коэффициент:

Для сжигающих топливо

).

Однако, с целевыми коэффициентами начинаются проблемы, связанные с тем что они имеют разные значения и могут изменяться в пределах:

0 ? К_ц ? ?

Т.е целевой коэффициент может быть больше 1.

Посмотрим, что будет с целевым коэффициентом для электростанции (К_р), работающей по циклу Карно (рис. 1):

Рис. 1 Идеальный цикл Карно.

Отсюда видно, что

Таким образом коэффициент работоспособности показывает какое количество работы (L) можно получить от данного количества тепла (Q) с температурой Т при переводе его на уровень окружающей среды Т_ос. Коэффициент работоспособности имеет различное обозначение: щ; ф [1,2].

Примем любое значение для Т. Например Т = 220 єС. Тогда:

Другие целевые коэффициенты

Например, холодильный коэффициент (е) может достигать значений более 100 % (может составлять: 150; 200; 250; и т.д. %).

Для тепловых насосов коэффициент трансформации тепла (м) может достигать и 300; 400; 500 и более %.

Отсюда ясно, что все выше упомянутые целевые коэффициенты, хотя и отражают в какой-то степени энергетическую эффективность, но не являются КПД, т.к. могут принимать значения более 100%.

Следовательно, все целевые коэффициенты не отражают реальную эффективность энергетических установок и систем и не являются коэффициентами полезного действия (КПД). Это происходит потому, что в них входят различные виды энергии, такие, например, как работа (L), электроэнергия (N), тепло (Q) и т.д.

Но очевидно, что все виды энергии имеют различную природу и относятся к разным группам, таким как:

I. Упорядоченный вид энергии (L и N)

II. Неупорядоченный вид энергии (Q и J).

Поэтому нельзя с энергией различных групп, производить различные действия (арифметические, алгебраические и т.д.). (Например: Нельзя как это часто делается делить тепло на работу или наоборот: или ).

Отсюда все вышеприведённые целевые коэффициенты и дают, как уже указывалось, значение больше 100%. Только КПД (коэффициент полезного действия) объективно и правильно отражает эффективность той или иной установки, аппарата, системы. Значения КПД находится всегда в пределах (0 ? з ? 1), т.е. не превышает значения 100 %. Для идеальной установки - з = 1 (т.е. её эффективность равна 100%).

Для реальных установок з < 1 (т.е. меньше 100 %). И, естественно, чем ближе з реальных установок к 1, тем больше их эффективность. Малоэффективные установки имеют низкие значения КПД. КПД дает правильную оценку энергетической эффективности, т.к. бузируется на использовании всех видов энергии, приведённых к одному виду, учитывающему работоспособность энергии (эксергии):

Е = Э•ф,

где: Э - количнство любой энергии;

ф - коэффициент работоспособности, показывает какое количество работы (L) может произвести данное количество энергии (Э):

.

Для энергий I группы (упорядоченной энергии) коэффициент работоспособности ф = 1.

Аналогично и для электроэнергии (N): ф_N = 1.

Для энергий II группы (неупорядоченной энергии), ф ? 1. Так для тепла (Q) коэффициент работоспособности зависит от температурного уровня (Т) данного количества тепла:

(Рис. 2).

Рис. 2. Пределы измерения ф_q от Т

Табл.1

Котла: Тепловой коэффициент

Эл. станции (цикл Карно):Коэффициент работы (работоспособности)

Холодильной установки: Холодильный коэффициент

Теплового насоса: Коэффициент трансформации

Теплообменника: Коэффициент теплообменника

Эксергия (работоспособность) тепла:

.

При Т = Т_ос; ф_q = 0.

Это говорит о том, что любое количество тепла (Q) при Т_ос не обладает работоспособностью (Е), т.е. не может произвести работу, (Е_q = 0).

Для любых теплоэнергетических установок (аппаратов), где производится или потребляется тепло (Q) при Т > Тос коэффициент работоспособности тепла (ф_q) находится в пределах от 0 до 1 т.е. для реальных установок 0 < ф_q < 1.

Поэтому, работоспособность (эксергия) любого количества тепла (Е = Q• ф_q) всегда меньше данного количества тепла: E < Q.

Эксергия (работоспособность) различных видов энергии:

1) Эксергия работы:

E_L = L•ф_L = L•1 = L

(эксергия работы = количеству работы)

2) Эксергия электроэнергии:

E_N = N•ф_N = N•1 = N

(эксергия мощности = мощности)

3) Эксергия тепла:

(эксергия тепла зависит от его температуры и прямо пропорциональна коэффициенту работоспособности ф_q (рис 2).

Поэтому КПД отражающий действие (Д), которое является аналогом работы (L), должен включить и в числитель и в знаменатель величины связанные с работоспособностью энергии, т.е. эксергию:

Следовательно, только эксергетический КПД объективно отражает энергетическую эффективность любого аппарата, установки или системы. Его значения всегда находятся в пределах 0 ? з ? 1.

Отсюда КПД цикла Карно, т.е. идеального цикла будет равен1 (з = 1):

.

Очевидно, что з и для других установок будут находится в пределах 0 ? з ? 1, что является критерием правильной оценки энергетической эффективности любой установки и системы:

Для теплотехнической установки (котла)

(табл.1)

где ;

;

Т - температура полученного тепла;

Т_Т - температура горения топлива.

Для холодильной установки:

;

где

Для теплового насоса:

; где

Для солнечного нагревателя:

;

где

Для теплоэлектрической станции (ТЭС):

,

где N_э - мощность электростанции;

Q - теплопроизводительность;

Q_Т - тепло, подведённое к ТЭС (топливо, гео и т.д.);

- мощность циркуляционных насосов.

Используя эксергетический метод, можно изменить ценовую политику по определению стоимости отпускаемого тепла от ТЭЦ. Сейчас ТЭЦ отпускает тепло не учитывая его качество, которое зависит от температуры отпускаемого тепла.

Например, если цена за Гкал составляет Ц = 600 руб/Гкал, то при изменении температуры, в соответствии с температурным графиком 150 - 70 и его уменьшении при повышении t наружного воздуха температура отпускаемого тепла от ТЭЦ понижается, т.е. тепло подается уже не при 150 єС, а при более низких t, т.е. 140; 130; 110; 100 и т.д.

Следовательно, эксергия этого тепла уменьшается в соответствии с уменьшением коэффициента работоспособности ф_q (табл. 2).

Табл. 2

Поэтому цена за Гкал отпущенного тепла не должна оставаться постоянной, а должна уменьшаться с понижением температуры, отпускаемого тепла в соответствии с изменениями ф_q (рис.3).

Рис. 3 Изменение стоимости тепла в зависимости от температурного уровня, отпускаемого тепла.

Выводы

1) Для определения энергетической эффективности используется:

а) целевые коэффициенты, которые могут приобретать значение больше 1;

б) коэффициенты полезного действия КПД, которые не могут быть больше 1;

2) КПД определяются на основе эксергетического метода, учитывающего потери;

3) На основе эксергетического метода анализа необходимо определить ценовую политику на отпускаемое тепло, эл. энергию и другие виды энергии.

Литература

1. Соколов Е.Я., Бродянский В.М., «Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения», М., Энергоиздат, 1981 г.

2. Бродянский В.М., «Эксергетический метод термодинамического анализа», М., Энергия, 1973 г.

Размещено на Allbest.ru