Термодинамический расчёт теплофикационного цикла

Лекция 17

Термодинамические основы теплофикации

Как известно, тепловые двигатели, по самому определению, предназначены для преобразования хаотической формы передачи энергии (в виде теплоты) в упорядоченную форму (механическое перемещение, электричество и др.). Однако кроме упорядоченной формы энергии человечество в своей деятельности нуждается также и в теплоте, в частности для отопления и осуществления всевозможных технологических процессов (приготовление пищи, сушка, химическая технология, металлургия и т.д.).

На первый взгляд может показаться, что проблема экономического совершенствования теплоснабжения к технической термодинамике как науке о совершенствовании тепловых двигателей не имеет прямого отношения, однако это не так. Дело в том, что теплота как одна из форм передачи энергии кроме количества, измеряемого в джоулях, обладает также и качеством, а именно потенциалом, т.е. температурой. В самом деле, мало кого заинтересует большое количество теплоты, подводимой в жилое помещение при температуре 10…12^оС. С другой стороны, температура горения большинства из органических топлив, будь то дрова, уголь, газ, нефть и т.д., является слишком высокой для того, чтобы быть непосредственно используемой в целях отопления, либо для других технологических процессов. Техническая термодинамика указывает на один из возможных путей рационального использования «тепловой энергии» (заметим, что это устоявшееся в обиходе словосочетание не является корректным с точки зрения термодинамики; следует иметь в виду, что речь должна идти о передаче энергии в форме теплоты). Поскольку обычно используемый в целях отопления потенциал теплоты (температура) составляет 50…150^оС (330…430 К), а температура горения топлива (температура факела) составляет величину порядка 1500…2000^оС (1800…2300 К), то представляется весьма рациональным осуществить между этими температурными уровнями (потенциалами) цикл какого-либо теплового двигателя, уменьшив тем самым эксергетические потери, т.е. потери, связанные с необратимым теплообменом между обогреваемым помещением и источником теплоты. Такая совместная выработка упорядоченной формы энергии (как правило, электрической) и теплоты для производственных нужд и отопления помещений получила название теплофикация.

Покажем, что совместная выработка электрической и тепловой энергии (теплофикация) всегда более экономична с термодинамической точки зрения, нежели раздельная выработка. Для этого рассмотрим диаграмму , на которой условно изобразим температурные уровни для различных процессов подвода и отвода теплоты (рис. III.27). Точки над величинами в диаграмме обозначают полную производную по времени, т.е. мы будем сравнивать мощности различных схем выработки тепловой и электрической энергии. При этом мы не будем учитывать неизбежные в таких установках потери, так как их учёт не повлияет на ход рассуждений, хотя заметно усложнит анализ.

Раздельная выработка тепловой и электрической энергии представлена на рис. III.27 диаграммами и . В отопительной котельной продукты сгорания топлива отдают теплоту в процессе в количестве теплоносителю (как правило, воде), который через тепловые сети подаётся потребителю, обеспечивая тепловую нагрузку (без учёта потерь). Электрическая нагрузка N обеспечивается паросиловой установкой, работающей по циклу Ренкина со сбросом теплоты охлаждающей воде в конденсаторе. Такая установка получила название конденсационной.

Общий расход теплоты в котельной и в конденсационной установке при заданных тепловой и электрической нагрузках будет тогда определяться суммой

При совместной выработке тех же количеств тепловой и электрической энергии тепловая мощность парогенератора будет равна (также без учёта потерь)

Разность выражений и даёт экономию тепла (а значит топлива)

Теплофикация получила широкое распространение на тепловых и атомных электростанциях, питающих электроэнергией и теплом большие населённые пункты и крупные энергоёмкие производства. При этом в энергетической практике используются две схемы теплофикационных циклов – с противодавлением и с отбором пара на теплофикацию.

Термодинамический расчёт теплофикационного цикла