Термодинамические пределы энергоэффективности теплоэнергетических установок

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА

УДК 621.43 В. Л. Ерофеев,

д-р техн. наук, профессор, ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова;

А. С. Пряхин,

канд. техн. наук, доцент, ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕДЕЛЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

THERMODYNAMIC LIMITS OF HEAT ENGINES EFFICIENCY

В статье рассматриваются вопросы термодинамической эффективности тепловых двигателей. Приводится методика оценки потенциальных возможностей совершенствования использования топлива в судовых энергетических установках.

The article considers the thermodynamic efficiency of heat engines. The technique of evaluation of potential opportunities to improve the use of fuels in ship power plants is given.

Ключевые слова: коэффициент полезного действия, термодинамическая эффективность, вторичные энергетические ресурсы, тепловой двигатель, энергия, энтропия, эксергия, эксергетический метод, энергетический баланс, эксергетический баланс, тепловой баланс, эффективность использования топлива.

Key words: efficiency, thermodynamic efficiency, secondary energy resources, the heat engine, energy, entropy, exergy, exergy method, exergy balance, energy balance, heat balance, efficient use of fuels.

НЕРГЕТИЧЕСКАЯ эффективность любого теплового двигателя, как известно, может быть оценена коэффициентом полезного действия, учитывающим комплекс процессов преобразования теплоты топлива в механическую энергию и передачи ее к потребителю.

П = Л» П  П -

хе *ог (мех'

где и по,- — термический КПД идеального цикла и относительный индикаторный КПД, оценивающий степень приближения реальных процессов к идеальным.

Они характеризуют процессы преобразования теплоты в работу — механическую энергию. Зачастую в научных статьях, предлагая ряд мероприятий по совершенствованию двигателей, сознательно не указывают, о повышении каких КПД идет речь и как это отразится на итоговом показателе.

Рассмотрим лишь процессы преобразования теплоты топлива в работу и возможные пределы повышения энергоэффективности этих процессов.

Термодинамическая эффективность тепловых двигателей определяется вторым началом термодинамики, а предел совершенствования идеальных циклов — циклом Карно, КПД которого определяется перепадом температур Ттах и Ттт. Если минимальная температура — это температура окружающей среды Ттт = То = 300 К, то максимальная температура рабочего тела в цикле определяется длительной жаропрочностью рабочих органов, соприкасающихся с рабочим теплом. Так, максимальная температура перегретого пара в пароэнергетических установках определяется жаропрочностью паропровода от котельного к турбинному отделению и не превышает 700^1000 °С.

Максимальная температура газа в газотурбинных установках определяется жаропрочностью лопаток турбины, постоянно омываемых газом, и не превышает 1000^1300 °С.

ГзЛ

Выпуск 2

Выпуск 2

В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочие органы камеры сгорания и цилиндропоршневой группы лишь часть одного такта соприкасаются с рабочим телом, имеющим максимальную температуру, и, кроме того, эти поверхности интенсивно охлаждаются. Поэтому максимальная температура рабочего тела в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) может быть существенно повышена. Последнее и объясняет, почему термодинамический, далеко не совершенный идеальный цикл ДВС позволяет на практике получить более высокий эффективный КПД, чем у любых других тепловых двигателей. Тем не менее и эти значения не очень велики и составляют 35^40 % для высокооборотных ДВС и 45^51 % — для малооборотных двигателей.

Повышение коэффициентов эффективности преобразования энергии в тепловых двигателях ищут на различных направлениях, в том числе путем создания установок с комбинированными циклами (газопаровые и парогазовые), в газотурбинных установках со свободно поршневыми генераторами газа (СПГГ), в поршневых ДВС с газотурбинным наддувом, в системах «турбокомпаунд», объединяющих поршневые ДВС с использованием газовых турбин не только для наддува, но и для производства механической энергии на другие нужды. Особым направлением является использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) в системах когенерации и тригенерации.

Рассмотрим комбинированный цикл турбопоршневого двигателя, используя для этого рабочую и тепловую диаграммы р\ и Тъ (рис. 1).

Цикл поршневого двигателя с наддувом представлен точками 1—2—3’—3—4, а цикл газотурбинной установки с изохорным подводом теплоты — точками 0-1-4-4 . Термодинамический предел энергетического совершенства теплового двигателя в том же интервале температур представлен циклом Карно — точки 0-2К-3-4К.

Рис. 1. Идеальный цикл турбопоршневого ДВС

Анализ рис. 1 показывает, что существуют лишь три пути движения к пределу совершенства и их границы.

1. Приближение процесса подвода теплоты к изотермическому при Ттах (предел) — площадь треугольника 2-2К-3-3 ’.

2. Приближение процесса отвода теплоты к изотермическому при Ттт = Т0 (температуре окружающей среды), предел — площадь треугольника 0-4 -4к

3. Когенерация — использование отводимой теплоты — площадь криволинейной трапеции 5-0-4 -ъ,.

1 р 3

При исследовании каждого направления использовались как энтропийный, так и эксерге-тический подходы. Результат сводился к рекомендациям добавок, например водорода в процессе

горения, а также к проявлению эффекта «термопрессии» — повышению полного давления в устройстве испарительного охлаждения отработанных газов.

Как известно, реальные процессы являются неравновесными, необратимыми, их осуществление приводит к проявлению потерь работоспособности в тех или иных размерах, к недополучению различных выгод. Так, испытания термопрессора (путь 2) показали, что положительный эффект проявляется лишь при высоких скоростях газового потока, получение которых связано с увеличением потерь на трение, которые и «съедают» весь положительный эффект испарительного охлаждения.

Потери давления после клапанов в газовыпускном коллекторе поршневой части двигателя вынуждают ряд исследователей исключить из рассмотрения импульсную турбину, переводя подвод теплоты в газотурбинных установках (ГТУ) из изохорного в изобарный, ухудшая тем самым возможности установки.

Поскольку потери от всевозможных необратимостей оцениваются относительным индикаторным КПД, то всяческие комбинации различных элементов двигателей не выходят за рамки теоретических возможностей, лишь уменьшая последние.

Уменьшение полезного эффекта вследствие необратимости реальных процессов может приводить к появлению новых вторичных энергетических ресурсов, например ВЭР системы охлаждения, ВЭР теплоты, теряемой в системе смазки и пр., что может быть использовано на путях когенерации и тригенерации.

Таким образом, пределы теплотехнического совершенствования тепловых двигателей в общем известны. Достижение этих пределов производится с использованием ряда усовершенствований процессов, иногда самонадеянно называемых «циклами» (например, циклы Миллера, Аткинса и др.). Тем не менее в целях учета не только количественных, но и качественных характеристик энергии целесообразно оценить энергетическую эффективность использования топлива эксергетическим методом.

В целях учета не только количественных, но и качественных характеристик энергии, оценки ее на базе двух (первого и второго) начал термодинамики в 1950-х гг. было введено понятие «эксергия», или «техническая работоспособность».

Эксергией называют максимальную работу, которую может совершать система при ее переходе от данного состояния в равновесие с окружающей средой. Эксергия может иметь как положительное, так и отрицательное значения. Под отрицательной эксергией понимают минимальное количество работы, которую должна затратить система, чтобы отвести теплоту от тела с данной температурой («отрицательной») в окружающую среду.

Основополагающая идея эксергетического метода заключается во введении наряду со всеобщим фундаментальным понятием «энергии» дополнительного показателя эксергии, который и учитывает разную ценность энергии для практического использования, помогает исключить часто встречающиеся ошибки, связанные с игнорированием качественной стороны энергетических превращений.

Эксергетический метод целесообразно использовать для технических систем, в которых существенное место занимают энергетические превращения, изучаемые с применением второго начала термодинамики.

Энергетический баланс, составляемый на базе первого начала термодинамики, по природе своей не может отражать потери от необратимости процессов. Эксергетический баланс во всех случаях показывает потери от необратимости в системе.

Термины «потеря энергии» и «потеря эксергии» имеют принципиально разное содержание. Первый означает потерю энергии для данной цели, второй — полное исчезновение эксергии, то есть ее уничтожение, связанное с диссипацией (рассеянием) энергии.

Кроме полной картины превращения энергии в технических системах, эксергетический баланс дает возможность установить предельные значения для получения заданного результата, тем самым выявить реальные технические возможности совершенствования оборудования, задавать

Выпуск 2

научно обоснованные масштабы для сравнения характеристик имеющейся системы с идеальными и реально достижимыми для данного уровня техники и технологии.

Анализ технических систем на основе эксергетического баланса возможен на всех стадиях проектирования и производства. Считают, что при выборе основных принципов процесса возможно определить 40 % потерь, при проектировании — еще 40 %. Таким образом, примерно на 80 % потерь на этапе производства воздействовать уже невозможно.

Поэтому эксергетический анализ имеет особенно большое значение на стадиях эскизной проработки и проектирования, когда благодаря ему можно решать многие инженерные и экономические задачи.

Одним из главных направлений реализации оптимальной стратегии развития энергетики является всемерное развитие энергосбережения [1]. Применительно к водному транспорту энергосбережение должно развиваться в направлении значительного повышения эффективности использования судового топлива.

Специфическими особенностями судовых энергетических установок (СЭУ) является сравнительно широкий диапазон мощностей дизельных двигателей (для речных судов от 60 до 3000 кВт) и автономности плавания судов (от 0,5 до 20 сут), сравнительно небольшие размеры машинного отделения, отсутствие свободных площадей для расположения дополнительных емкостей для хранения топлива, относительно низкая строительная стоимость судов, дистанционно-автоматизированное управление СЭУ, совмещение профессий членами экипажа — ограничение членов машинной команды и отсутствие зачастую постоянной вахты в машинном отделении, большое число пусков и реверсов дизелей, длительная эксплуатация их на долевых нагрузках, наличие в СЭУ, как правило, дизелей различных классов (среднеоборотных главных и высокооборотных вспомогательных, предъявляющих различные требования к топливу), недопустимость бункеровки судов топливом с температурой вспышки ниже 61 °С, отсутствие, как правило, пара для разогрева топлива и снижения его вязкости, бункеровка судов топливом с плавучих бункер-станций и связанные с этим специфические особенности хранения топлива и его очистки и т. п.

Прогнозирование использования перспективных топлив в СЭУ, определение технико-экономических показателей (ТЭП) будущих процессов использования топлива при недостаточной определенности исходных данных в этих условиях требует поиска объективных методов расчета, создания своеобразного мостика между оценкой степени совершенства технологии использования топлива в современных и перспективных СЭУ и ТЭП этих процессов. Методологической базой нахождения этих методов расчета может служить концепция предельно эффективной технологии (ПЭТ) использования топлива [2].

Предельная эффективность использования первичных энергоресурсов (топлива) в СЭУ определяется идеальными термодинамическими соотношениями процессов преобразования и передачи энергии:

„ПЭТ «ор.

1 1сэу 1сэу

Реально достижимая технология (РДТ) использования топлива может быть охарактеризована максимально возможным коэффициентом полезного действия (КПД) СЭУ:

сч

к

спу Степень необратимости протекания реальных процессов преобразования и передачи энер-Вы гии по отношению к идеальным термодинамическим процессам оценивается отношением показа-36 ] телей РДТ и ПЭТ:

по,=«/« =«/«.

Степень совершенства существующей (действующей) или предлагаемой схемы (технологии) использования топлива в реальной или проектируемой СЭУ может быть оценена величиной КПД СЭУ ПДТЭУ и степенью его приближения к показателям РДТ и ПЭТ:

Концепция ПЭТ позволяет дать перечень условий эффективности как существующих, так и новых схем использования топлива.

Оценка теплотехнической эффективности теплоэнергетических установок в настоящее время производится в основном методом тепловых балансов, основанном на первом законе термодинамики. До последнего времени, пока нефть была дешевой, можно было ограничиваться понятием «энергия» в рамках первого закона термодинамики, то есть независимо от ее потенциала. Сейчас, однако, известно, что одной из наиболее эффективных энергосберегающих технологий является совместная выработка механической энергии и низко- или среднепотенциальной теплоты. Энергосберегающей будет и та технология, которая позволит дать для потребителя то же количество теплоты, но при более низком потенциале. Таким образом, оценку теплотехнической эффективности технологии использования топлива следует вести в рамках второго закона термодинамики.

Неравноценность механической и тепловой энергии, используемых в СЭУ, малая пригодность метода тепловых балансов для сравнения ЭУ судов различных типов и раньше вызвала попытки разработать методы, основанные на втором законе термодинамики. Наиболее удобным из этих методов является эксергетический метод [3]. Однако из-за недостаточной разработанности он не нашел пока еще широкого использования в инженерной практике.

Энергия в форме теплового потока при температуре выше температуры окружающей среды (Т > То) всегда может быть разделена на эксергию ех и анергию а , причем соотношение между ними в каждом случае строго определенно и зависит от температуры:

где те — эксергетическая температурная функция, равная КПД цикла Карно.

При любом преобразовании энергии справедлив закон ее сохранения: сумма эксергии и анергии остается постоянной.

В теплоэнергетических установках, предназначенных для преобразования теплоты в работу, значение имеет только эксергия, а анергия представляет собой нежелательный балласт. Для получения эксергии необходимы ценные природные ресурсы, эксергия имеет стоимость, и именно ее расходование в народном хозяйстве должно быть возможно более экономным. Анергия тепла, напротив, всегда имеется в неограниченном количестве в окружающей среде, и ее ценность равна нулю. Переход эксергии в анергию сопровождает всякий реальный необратимый процесс (обесценивание энергии). Обратный переход анергии в эксергию невозможен [3].

При оценке эффективности использования топлива в СЭУ по энергетическому или эксерге-тическому балансам принято, что расчет — отношение полезного эффекта к расходам на проведение процесса — одинаков, однако способы расчета числителя и знаменателя различны.

При расчете КПД СЭУ по энергетическому балансу не учитывается различие в качестве видов энергии и способов ее проявления. В связи с этим полученный таким образом КПД СЭУ является показателем, позволяющим сравнивать одинаковые процессы, но не определяющим степени совершенства процесса. Эксергетический КПД дает такую возможность.

Практическое преимущество использования понятия «эксергия» состоит в том, что ее уменьшение выражает сразу величину превратимой энергии и позволяет сопоставить величину потерь с имеющимся количеством, то есть получить как абсолютную, так и относительную величину потерь.

а = ех + а ,

1 а а'

q = exq/q = ^e=l-T0/T-

Выпуск 2

Выпуск 2

Список литературы

1. Об энергосбережении, о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федеральный закон Рос. Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ.

2. Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы / Б. М. Каганович, С. П. Филиппов, Е. Г. Анциферов. — Новосибирск: Наука: Сиб. отд., 1989. — 256 с.

3. Бродянский В. М. Эксергетический метод и его приложения / В. М. Бродянский, В. Фратер, К. К. Михалек. — М.: Энергоатомиздат. 1988. — 288 с.

УДК 519.876 В. В. Вычужанин,

д-р техн. наук,

Одесский национальный морской университет;

В. Д. Бойко,

ст. преподаватель, Одесский национальный морской университет

ОЦЕНКА ЖИВУЧЕСТИ СУДОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ASSESSMENT OF SHIP TECHNICAL SYSTEMS SURVIVABILITY

В статье предложена методика комплексной оценки живучести судовых технических систем с точки зрения их структурной уязвимости и функциональности. Разработан математический аппарат для моделирования распространения диагностирующих импульсных воздействий по структуре системы.

The paper proposes a method of integrated assessment of ship engineering systems survivability in terms of their structural vulnerability and functionality. Mathematical tools for modeling of diagnosing ofpulse effects on the structure of the system is developed.

Ключевые слова: живучесть, техническая система, когнитивно-имитационное моделирование, импульсные воздействия

Key words: survivability, technical system, cognitive simulation, pulse effects.

СОВРЕМЕННОЕ судно — сложная совокупность функциональных комплексов технических систем (ФКТС), подсистем и технического оборудования, влияющих на безопасную эксплуатацию судов и во многом определяющих их живучесть. Анализ распределения аварий по водоизмещению и возрасту судов показывает, что выход из строя технических систем чаще всего служит одной из самых многочисленных причин аварий на судах любого тоннажа.

Непредсказуемость изменения большинства факторов, влияющих на свойства ФКТС и их топологию, придает особое значение оценке живучести с учетом состояния элементов систем и действующих между ними взаимосвязей. В настоящий момент в теории живучести ФКТС отсутствует устоявшийся методологический подход, позволяющий решать задачу комплексной оценки живучести таких систем с точки зрения их структурной уязвимости и функциональности, с учетом значимости существующих в системах межсистемных и межэлементных взаимосвязей. Таким образом, методическое обеспечение мероприятий по оценке и обеспечению живучести судовых