Расчет к.п.д. генерации теплоты

Теплоэнергетика, отрасль теплотехники, занимающаяся преобразованием теплоты в др. виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Для генерирования механической энергии за счёт теплоты служат теплосиловые установки; полученная в этих установках механическая энергия используется для привода рабочих машин (металлообрабатывающих станков, автомобилей, конвейеров и т. д.) или электромеханических генераторов, с помощью которых вырабатывается электроэнергия. Установки, в которых преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется без электромеханических генераторов, называются установками прямого преобразования энергии. К ним относят магнитогидродинамические генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи энергии.

Преобразование теплоты в механическую энергию в теплосиловых установках основано на способности газо- или парообразного тела совершать механическую работу при изменении его объёма. При этом рабочее тело (газ или пар) должно совершить замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или нескольких источников теплоты отбирается определённое количество теплоты Q1 и одному или нескольким источникам теплоты отдаётся количество теплоты Q2, меньшее, чем Q1; при этом разность Q1 – Q2 превращается в механическую работу Атеор. Отношение полученной работы к затраченной теплоте называется термическим кпд этого цикла

ƞt = (1)

В простейшем случае цикл может быть осуществлен при одном источнике теплоты с температурой T1, отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с температурой T2, воспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервале T1 — T2 наивысший кпд hк = 1 — T2/T1 среди всех возможных циклов имеет Карно цикл, то есть hк ht. Кпд, равный 1, то есть полное превращение теплоты Q1 в работу, возможен либо при T1 = ¥, либо при T2= 0. Разумеется, оба эти условия нереализуемы. Важно ещё подчеркнуть, что для земных условий температура Т2для теплоэнергетических установок должна в лучшем случае приниматься равной температуре Т0 окружающей среды (воздуха или водоёмов). Получить источник теплоты с температурой Т2 < Т0 можно лишь с помощью холодильной машины, которая для своего действия в общем случае требует затраты работы. Невозможность полного превращения теплоты в работу при условии, что все тела, участвующие в этих превращениях, будут возвращены в исходные состояния, устанавливается вторым началом термодинамики.

Процессы, протекающие в реальных установках, преобразующих теплоту в др. виды энергии, сопровождаются различными потерями, в результате чего получаемая действительная работа Адейств. оказывается меньше теоретически возможной работы Атеор. Отношение этих работ называется относительным эффективным кпд установки hoe, то есть,

.ƞoe= (2)

Из формул (1) и (2) получаем Адейств= Q1 × hthoe = Q1he,

где hе = hе×hoe — эффективный кпд установки. При прочих равных условиях эффективность преобразования теплоты в работу зависит от температуры, при которой эта теплота передаётся рабочему телу. Максимальная работа, которая может быть получена за счёт некоторого количества теплоты Q, отбираемого при температуре T1 при заданной температуре среды Т0, называется работоспособностью, или эксергией la этой теплоты, то есть

Ia= Q*ƞk= Q* ((3)

Из формулы (3), в частности, видим, что при T1= T0 эксергия теплоты равна нулю.