Методы и эффективность преобразования энергии
Выбери формат для чтения
Загружаем конспект в формате pdf
Это займет всего пару минут! А пока ты можешь прочитать работу в формате Word 👇
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
Лекция № 4. Методы и эффективность преобразования
энергии
Содержание
4.1. Энергетическая эффективность отрасли
4.2. КПД преобразования тепла в работу. Цикл Карно
4.3. Газотурбинный цикл АЭС
4.4. Паротурбинный цикл АЭС
4.5. Прямое преобразование энергии
4.6. Оптимальный КПД космической энергоустановки
Заключение
Список литературы
Упражнения и задачи к лекции 4
4.1. Энергетическая эффективность отрасли
В условиях все более обостряющейся конкуренции за энергетические ресурсы весьма
актуальной становится проблема энергетической эффективности народного хозяйства,
включая отдельные отрасли и предприятия. Ядерная отрасль как сфера материального
производства обменивается ресурсами, материалами и энергией с окружающей средой
(другими отраслями народного хозяйства).
Рассмотрим простейшую модель развития
(эволюции) отрасли с точки зрения потребления энергии и производства полезной работы.
Все совокупное производство отрасли можно рассматривать как совершение некоторой
полезной работы A (выраженной в энергетических единицах), необходимой для роста ВВП и
благосостояния жителей. Согласно материалам Лекции 1 критерием прогрессивного
социально-экономического развития
(отрасли, региона, страны и т.д.)
является
увеличение полезной работы во времени (производство все большего количества полезного
продукта, включая электроэнергию и тепло, то есть и «энерговооруженность»):
dA/dt> 0.
(4.1)
1
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
Отношение полезной работы А к полной энергии Q, потребляемой отраслью, (включая
затраты энергии на производство материалов, используемых в ядерных технологиях и
оборудовании), отражает энергетическую эффективность отрасли (или коэффициент
полезного действия – КПД; не путать с термодинамическим КПД цикла, см. далее):
η=A/Q.
(4.2)
Дифференцируя выражение А=ηQ по времени согласно (4.1), получаем
dA/dt = η(dQ/dt) + Q(dη/dt) > 0.
(4.3)
Как видно, для эволюции системы есть две принципиально разные стратегии:
1) либо на основе увеличения внешнего потока энергии, когда dQ/dt> 0, dη/dt=0;
2) либо на основе роста КПД (эффективности), когда dη/dt> 0, dQ/dt=0.
В общем случае ни одна из производных в (4.3) не равна нулю. В первом случае имеет
место экстенсивное развитие системы (отрасли) – эволюция только за счет освоения
внешних ресурсов. При этом системе нет нужды совершенствовать внутренние механизмы
их использования, так как и без этого обеспечивается ее развитие: «истощилось пастбище –
перешли на другое, истощилась скважина – пробурили новую». Однако в реальной
экономике ограничена доля затрат на энергетические ресурсы. Если эта доля превышает
приблизительно 10%, то возникают острые кризисные явления. Более того, к настоящему
времени
сложилась
ситуация,
когда
свободных
ресурсов
для
роста
экономик
развивающегося мира недостаточно, и начинается болезненное перераспределение на
мировом рынке имеющихся.
Во втором случае (dη/dt>0, dQ/dt=0) система развивается,
совершенствуя только
внутренние механизмы использования энергии и повышая энергетический КПД. Эта
стратегия развития получила название интенсивной. Условием стратегии интенсивного
развития становится осознание конечности ресурсов, поиск ресурсо- и энергосберегающих
технологий, совершенствование системы преобразования и использования энергии. «При
хорошей энергетике может быть плохая экономика, но при плохой энергетике не может быть
хорошей экономики».
Ядерной отрасли «повезло» в том смысле, что энергетический КПД (в отличие от КПД
цикла Карно) может быть существенно увеличен благодаря возможности развития
реакторов-бридеров,
в
которых
нового
топлива
(плутония-239
или
урана-233)
воспроизводится в большем количестве, чем сгорает исходного природного топлива - урана235 (которого в природе всего 0,7 % от добываемого природного урана).
2
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
4.2. КПД преобразования тепла в работу. Цикл Карно
Рассмотрим основные стадии преобразования внутренней энергии углеводородов и
ядерного топлива в электрическую энергию на ТЭС и АЭС. Сначала внутренняя энергия
топлива (углеводородного или ядерного) превращается в тепло, т.е. в энергию хаотического
движения структурных частиц топлива. Затем тепло передается рабочему телу (пару или
газу), которое за счет приобретенной тепловой энергии совершает полезную работу, приводя
в движение турбину и связанный с ней ротор электромеханического генератора (от
латинского roto – вращаюсь). То есть в турбине (паровой или газовой) тепловая энергия
рабочего тела при его расширении частично преобразуется в кинетическую (механическую)
энергию вращения турбины. В электрогенераторе механическая энергия вращения ротора
превращается в электрическую.
Данная схема преобразования энергии реализуется в
широко распространенных в энергетике (на ТЭС и АЭС) паротурбинных и газотурбинных
циклах (рис.4.1).
Рис.4.1. Тепловая схема паротурбинного цикла с реактором PWR (двухконтурная)
Одним из важнейших технико-экономических критериев для сравнения эффективности
различных методов преобразования энергии служит термодинамический коэффициент
полезного действия (КПД), обозначаемый греческой буквой η («эта»), равный количеству
совершенной полезной работы W, отнесенной к полному количеству затраченной энергии Q:
η = W/Q.
3
(4.4)
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
Применительно к ТЭС или АЭС под W понимается установленная электрическая
мощность (Вт), а под Q – тепловая мощность, то есть скорость тепловыделения при сгорании
углеводородного или ядерного топлива.
Величина КПД, показывающего, какая часть
затраченной в энергетической установке тепловой энергии (мощности) превратилась в
полезную работу (мощность), существенно влияет на экономичность ТЭС и АЭС. Если
задана электрическая мощность W, отпускаемая потребителю, то чем выше КПД
электростанции η, тем меньше расходуется топлива (меньше Q=Gq) и меньше
тепловое загрязнение окружающей среды. Здесь G – массовый расход топлива (кг/с), q –
теплотворная способность топлива (Дж/кг, см. Лекцию 2).
В непрерывно работающих ТЭС и ГЭС рабочее тело (пар или газ) совершает
циклические
термодинамические
процессы
(или
термодинамические
циклы).
КПД
термодинамических циклов рассчитываются на основе первого и второго законов
термодинамики:
dQ = dU + dW;
dS = dQ/T.
(4.5)
Согласно первому закону термодинамики, представляющему собой количественное
выражение закона сохранения и превращения энергии, подведенное к рабочему телу тепло
dQ расходуется на увеличение внутренней энергии тела dU и на совершение работы dW (в
нашем случае работы расширения в турбине, которая в идеальном цикле численно равна
произведенной электроэнергии). Согласно второму закону термодинамики изменение
энтропии рабочего тела dS (меры вероятности термодинамического состояния тела)
определяют как отношение количества тепла dQ, подведенного к телу, к абсолютной
температуре тела T. Энтропия и внутренняя энергия рабочего тела являются функцией
состояния, то есть в замкнутом (циклическом) процессе результирующее изменение их равно
нулю:
dS
dQ
0;
T
dU 0.
(4.6)
Подстановка выражения dQ = TdS в уравнение первого начала (4.5) для замкнутого цикла,
дает
dQ TdS Q
1
Q2 W .
(4.7)
Отсюда следует важный вывод: в изотермическом цикле (T=const) работу совершить нельзя,
необходимо иметь два уровня температуры (нагреватель и холодильник). Как видно, работа,
совершенная в цикле W, численно равна разности между теплом Q1, взятым рабочим телом у
источника (нагревателя), и теплом Q2, отданным в холодильник: W = Q1 – Q2. Выше было
сказано, что только часть тепла Q1, переданного рабочему телу от нагревателя, превращается
4
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
в работу цикла W. Отношение этой работы к поглощенному теплу от источника и есть
термодинамический КПД цикла
W Q1 Q2 T1 T2
.
Q1
Q1
T1
(4.8)
Здесь через T1 и T2 обозначены средние температуры подвода и отвода тепла к рабочему
телу соответственно в нагревателе и холодильнике. Эти температуры определяются
выражениями
Q1
ABC
TdS
S
1
TdS S T1 ; T1
S ABC
S
TdS;
ABC
Q2
TdS;
T2
ADC
1
S
TdS.
(4.9)
ADC
В этих выражениях ΔS=S2-S1 – диапазон изменения энтропии в цикле, АВС – траектория
нагрева, ADC – траектория охлаждения (рис.4.2).
Рис.4.2. К определению КПД термодинамического цикла
Как следует из (4.8) величина КПД тем больше, чем больше разность температур в
нагревателе и холодильнике. Для повышения термодинамического КПД цикла необходимо
увеличивать среднюю температуру подвода тепла и уменьшать среднюю температуру отвода
тепла. При заданных максимальной Т1 и минимальной Т2 температурах рабочего тела цикла
наибольший КПД цикла будет в том случае, если T1 =Т1 и T2 =Т2, т.е. когда цикл в
координатах (T, S) имеет прямоугольную форму, образованную двумя изотермами и двумя
адиабатами (изоэнтропами). Такой цикл носит наименование цикла Карно.
5
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
4.3. Газотурбинный цикл АЭС
Газотурбинный цикл преобразования тепла в работу распространен в энергетике,
авиации, в судовых установках, на железнодорожном транспорте. В газотурбинных циклах
рабочим телом является газ. Обычно это воздух или продукты сгорания топлива. В ядерной
энергетике перспективным рабочим телом газотурбинного цикла считается инертный газ
гелий. Рассмотрим простейший газотурбинный цикл Брайтона без регенерации тепла.
Наиболее просто нагревать и охлаждать газ при постоянном давлении (изобарически),
например, нагревая или охлаждая трубы, по которым течет газ. В ядерном реакторе гелий
нагревается в активной зоне изобарически, поглощая тепло Q1=Cp(Tвых-Твх), затем
расширяется адиабатически в газовой турбине, после чего доохлаждается изобарически в
холодильнике, отдавая тепло Q2=Cp(Tx1-Tx2), затем сжимается адиабатически в компрессоре
и вновь попадает в ядерный реактор, завершая цикл. Здесь Tвых и Твх - температуры гелия на
выходе из реактора и на входе соответственно, Tx1 и Tx2 - температуры гелия на входе в
холодильник
и на выходе соответственно, Ср – изобарическая теплоемкость газа,
Дж/(кг·град.). Отношение β=р1/р2 давления газа в реакторе р1 к давлению газа в
холодильнике р2 называют степенью сжатия газа. От степени сжатия газа зависят изменения
температуры газа в турбине и компрессоре (для адиабатического процесса в идеальном газе):
Т вых Т вх
0.4 .
Т х1 Т х 2
(4.10)
В итоге для КПД простейшего цикла Брайтона получаем выражение
Q1 Q2 (Т вых Т вх ) (Т х1 Т х 2 )
1
1 0.4 .
Q1
Т вых Т вх
(4.11)
При β=1 имеем η=0. При β˃1 КПД простого (идеального) цикла Брайтона растет с
ростом степени сжатия газа в турбине и не превышает 50 % при β<5, в то время как КПД
цикла Карно при максимальной температуре гелия Т1= Tвых=727оС=900 К и минимальной
температуре в цикле Т2=Tx2=27оС=300 К составляет 70 %. Для многоатомных газов (О2, СО2
и др.) КПД цикла Брайтона меньше, чем для одноатомных (гелий, неон, аргон и др.). Для
повышения КПД газотурбинного цикла используют регенерацию тепла и многоступенчатое
сжатие газа в компрессоре и расширение в турбине. Оптимальная степень сжатия газа в этом
случае находится в диапазоне β=2–4, а максимальный КПД около 60%.
6
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
4.4. Паротурбинный цикл АЭС
На современных ТЭС и АЭС в основном используются паротурбинные циклы, в
которых рабочим телом, циркулирующим по замкнутому контуру, является вода и водяной
пар (на разных участках контура). Вода – самое доступное и дешевое рабочее тело для
замкнутых циклов. Вода при атмосферном давлении и комнатной температуре находится в
жидком (компактном) состоянии, что весьма удобно для эксплуатации энергоустановок.
Другого столь же доступного и обладающего подходящими физико-химическими
свойствами рабочего тела для «большой энергетики» практически нет. Главная трудность
при использовании воды связана с дорогостоящей необходимостью повышать давление воды
свыше 100 атм для повышения КПД цикла.
Рассмотрим простейший паротурбинный цикл Рэнкина (рис.4.3). В парогенераторе
холодная вода, движущаяся с массовым расходом G (кг/с), нагревается изобарически до
кипения и испаряется, превращаясь полностью
в пар, поглощая тепло Q1=G·(iвых-iвх),
выделяемое при сгорании угля, мазута или газа в топке парового котла или за счет деления
урана в ядерном реакторе. Здесь iвых и iвх – энтальпия воды на выходе из парогенератора и на
входе в него (Дж/кг).
7
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
Рис.4.3. TS-диаграмма паротурбинного цикла Рэнкина
Процесс нагрева и испарения воды в парогенераторе происходит практически при
постоянном давлении p1, значительно превышающем атмосферное (в АЭС около 100
атмосфер). Пар из парогенератора поступает сначала для перегрева (осушки) в специальный
перегреватель пара, а затем в паровую турбину. Давление, плотность и температура пара
уменьшаются в процессе расширения пара в турбине, а влажность пара увеличивается. Далее
отработавший в турбине пар поступает в теплообменник-конденсатор, где он полностью
конденсируется, превращаясь в жидкость, за счет внешнего охлаждения. В процессе
конденсации пара от воды отбирается количество тепла Q2=G·(iх1-iх2). Здесь iх1 и iх2 энтальпия воды на входе в холодильник-конденсатор и на выходе из него. Процесс
конденсации в конденсаторе осуществляется практически при постоянном давлении p 2,
которое значительно ниже атмосферного (около 0.04 атм). Образовавшаяся вода затем
сжимается циркуляционным насосом от давления p2 до давления p1 и поступает под этим
давлением в парогенератор. На этом цикл преобразования энергии завершается и
повторяется вновь.
КПД паротурбинного цикла равен по определению
Q1 Q2 (iвых iвх ) (i х1 i х 2 )
.
Q1
iвых iвх
(4.12)
Для оценки КПД и анализа TS-диаграммы цикла Рэнкина необходимо обратиться к
термодинамическим свойствам воды и ее пара, которые существенно отличаются от свойств
идеального газа, использованных при анализе цикла Брайтона. Так, при давлении в
парогенераторе р1=10 МПа (≈ 100 атмосфер), температуре кипения воды при этом давлении
около 300оС, температуре в конденсаторе Т2=27оС и максимальной температуре перегретого
пара Т1=500оС величина КПД идеального цикла Рэнкина составляет приблизительно 36 %
(рис.4.4.). КПД цикла Карно при Т1=500оС=773 К и Т2=27оС=300 К равен 61 %.
8
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
Рис.4.4. Зависимость термического КПД паротурбинного цикла от давления пара при
различных температурах пара на входе в турбину и постоянном давлении в конденсаторе
р2=4·103 Па≈0.04 атм (1 атм≈105 Па).
Повышение КПД паротурбинного цикла за счет регенерации тепла реализуется иначе,
чем в газотурбинном цикле. В паротурбинном цикле часть горячего пара из турбины
отбирается и направляется в регенеративный подогреватель (регенератор), где он
конденсируется, отдавая тепло более холодной воде, поступающей в регенератор из
конденсатора, и подогревает ее. Отбор пара из турбин ведет к снижению полезной работы в
турбине. Однако энергетический выигрыш за счет регенеративного подогрева воды перед ее
поступлением в парогенератор оказывается значительно больше потерь в турбине. КПД
паротурбинных циклов АЭС около 33%. В настоящее время мировая теплоэнергетика
переходит на энергоблоки со сверхкритическими параметрами пара: р1=30-35 МПа и Т1=600700оС. Ожидается увеличение КПД таких паротурбинных циклов до 47–49 %. Все большее
распространение получают парогазовые ТЭС, сочетающие применение паровых и газовых
турбин с результирующим КПД до 60%.
4.5. Прямое преобразование энергии
В энергетических установках с прямым (без машинным) преобразованием тепла в
электроэнергию исключается механическая ступень (турбина и электромеханический
9
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
генератор). Исключение механической ступени дает ряд преимуществ: уменьшение
габаритов и упрощение конструкции энергоустановки, повышение надежности, бесшумность
работы и др. Прямое преобразование энергии реализуется в таких энергоустановках, как:
электрохимические генераторы (топливные элементы или батареи, электробатарейки,
электроаккумуляторы); ядерные батареи; лазеры с ядерной накачкой; термоэлектрические,
термоэмиссионные
и
магнитогидродинамические
генераторы;
полупроводниковые
солнечные батареи и др. Развитие методов прямого преобразования энергии стимулировано
потребностями космических аппаратов, наземных автономных метеорологических и
навигационных станций, расположенных в удаленных и труднодоступных районах,
водородной
энергетики
и
др.
Ряд
космических
ЯЭУ
с
термоэмиссионным
и
термоэлектрическим преобразованием ядерной энергии в электричество были созданы и
успешно испытаны в СССР. КПД большинства установок с прямым преобразованием
энергии обычно не превышает 15-25%. Лишь топливные элементы (например, кислородноводородные), не ограниченные циклом Карно, могут иметь КПД около 100%.
4.6. Оптимальный КПД космической энергоустановки
Для удовлетворения растущих потребностей в телекоммуникационных спутниковых
системах, способных десятилетиями работать в космических условиях без вмешательства
человека на уровне мощности 100 кВт и выше, наиболее перспективны ядерные
энергетические
установки
с
компактными
реакторами-преобразователями
(термоэмиссионными или термоэлектрическими) и газотурбинные ЯЭУ или паротурбинные
(с жидкометаллическим рабочим телом).
Выше отмечено, что на ТЭС большой вклад в стоимость электроэнергии вносят затраты
на топливо. Для экономии топлива и уменьшения «теплового загрязнения» окружающей
среды необходимо увеличивать КПД цикла преобразования энергии. Какие требования
предъявляются к КПД космической энергоустановки?
Главный экономический критерий для космической энергоустановки – минимум веса на
единицу производимой электрической мощности. Вывод в космос килограмма полезного
груза по стоимости близок к стоимости килограмма золота. Поскольку ядерные реакторы не
требуют запасов топлива на борту и могут работать без дозаправки топливом несколько лет,
то они получают преимущество. Теперь о КПД. В космосе избыточное тепло цикла Q2 может
быть отдано («сброшено») в окружающую среду – в космическое пространство (глубокий
вакуум) - только тепловым излучением. Интенсивность теплового излучения согласно
10
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
закону
Стефана–Больцмана
пропорциональна
четвертой
степени
температуры
холодильника-излучателя Т2. То есть мощность теплового излучения Q2 (Вт) с поверхности
холодильника-излучателя, имеющего площадь S (м2), равна
Q2 ST24 ,
(4.13)
где σ=5.67·10-8 Вт/м2К4– постоянная Стефана–Больцмана. Отсюда следует, что уменьшение
нижней (минимальной) температуры цикла Т2, необходимое для повышения термического
КПД цикла при заданной температуре Т1 подвода тепла (температуры в реакторе), приводит
к резкому увеличению площади излучателя S (как T24 ). С ростом площади излучателя растет
и его масса. Поэтому в качестве целевой функции можно взять отношение генерируемой
электрической мощности W = Q1 – Q2 к площади поверхности излучателя S (Q1 – тепловая
мощность реактора). Величина W/ S должна быть максимальна.
Решение задачи на экстремум показывает, что космическая энергетическая установка
должна иметь термический КПД всего 20 – 25 %, т.е. отношение минимальной температуры
к максимальной 0,75 – 0,80. Что характерно для методов прямого преобразования энергии.
Если температура Т2 ниже (а КПД выше) оптимального значения, то отношение W/F мало
вследствие большой площади излучателя. Если Т2 выше (а КПД ниже) оптимального
значения, то отношение W/F мало из-за низкого термического КПД и генерируемой
электрической мощности установки.
Заключение
В условиях все более обостряющейся конкуренции за энергетические ресурсы весьма
актуальной становится проблема энергосбережения и энергетической эффективности
народного хозяйства, включая отдельные отрасли и предприятия. Условием стратегии
интенсивного развития становится осознание конечности ресурсов, поиск ресурсо- и
энергосберегающих
технологий,
совершенствование
системы
преобразования
и
использования энергии. «При хорошей энергетике может быть плохая экономика, но при
плохой энергетике не может быть хорошей экономики».
Одним из важнейших технико-экономических критериев для сравнения эффективности
различных методов преобразования энергии служит коэффициент полезного действия
(КПД). Чем выше КПД электростанции, тем меньше расходуется топлива и меньше тепловое
загрязнение окружающей среды. Для повышения термодинамического КПД цикла
необходимо увеличивать среднюю температуру подвода тепла к рабочему телу и уменьшать
среднюю температуру отвода тепла. При заданных максимальной и минимальной
11
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
температурах рабочего тела цикла наибольший КПД цикла будет в том случае, когда цикл в
координатах (T, S) имеет прямоугольную форму, образованную двумя изотермами и двумя
адиабатами (изоэнтропами). Такой цикл носит наименование цикла Карно.
На современных ТЭС и АЭС в основном используются паротурбинные циклы
(усовершенствованные циклы Рэнкина), в которых рабочим телом, циркулирующим по
замкнутому контуру, является вода и водяной пар (на разных участках контура). КПД таких
циклов 33-43% (на АЭС),
и до 60% на ТЭС с парогазовыми комбинированными
установками. В ядерной энергетике будущего для высокотемпературных реакторов (около
1000оС) перспективным рабочим телом газотурбинного цикла (цикла Брайтона) считается
инертный газ гелий. КПД таких циклов может превышать 50%.
Прямое
преобразование
энергии
реализуется
в
таких
энергоустановках,
как:
электрохимические генераторы (топливные элементы или батареи, электробатарейки,
электроаккумуляторы); ядерные батареи; лазеры с ядерной накачкой; термоэлектрические,
термоэмиссионные
и
магнитогидродинамические
генераторы;
полупроводниковые
солнечные батареи и др.
Для удовлетворения растущих потребностей в телекоммуникационных спутниковых
системах, способных десятилетиями работать в космических условиях без вмешательства
человека на уровне мощности 100 кВт и выше, наиболее перспективны ядерные
энергетические
установки.
Главный
экономический
критерий
для
космической
энергоустановки – минимум веса на единицу производимой электрической мощности. В
этих условиях космическая энергетическая установка должна иметь термический КПД всего
20 – 25 %, что характерно для методов прямого преобразования энергии.
Список литературы к лекции 4
А) Основная литература
1. Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы: Учебное пособие. – М.:
МИФИ, 2007. – 256 с.+ илл.72 с.
Б)Дополнительная литература
1. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Учебник. 4-е
изд. перераб. год – М.: Энергоатомиздат, 1983 - 416 с.
2. Кокорев Л.С., Харитонов В.В. Прямое преобразование энергии и термоядерные
энергетические установки. – М.: Атомиздат, 1980. – 216 с.
12
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
Упражнения и задачи к лекции 4
4.1. Определите КПД цикла Карно при максимальной температуре рабочего тела
t1=527 С и минимальной t2=37 оС.
№ п/п
1
2
3
Ответ
≈93%
42%
≈61%
о
4.2. Какой из двух альтернативных путей – 1) уменьшение нижней температуры цикла
Карно на ΔТ или 2) увеличение верхней температуры на ту же величину ΔТ – является более
эффективным для увеличения КПД цикла Карно? Оцените эффект для случая при ΔТ=15оС,
максимальной температуре рабочего тела t1=527 оС и минимальной t2=37 оС.
№ п/п
1
2
3
Ответ
Первый, КПД≈96%
Второй, КПД≈62%
Первый, КПД≈63%
4.3. На рисунке изображена тепловая схема простейшего паротурбинного цикла
Ренкина. На рисунке обозначено: П – парогенератор, Т- паровая турбина, Х – холодильникконденсатор, Ц – циркуляционный насос, Э – электрогенератор. Какая из схем правильная: 1,
2 или 3?
4.4. На рисунке приведена TS-диаграмма паротурбинного цикла Рэнкина с перегревом
пара (без регенерации тепла). Оцените КПД цикла Рэнкина и рассчитайте КПД цикла Карно
для заданного диапазона температур и энтропии (Т1=550 0С, Т2=Т3=270С).
13
Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В.
Укажите правильный ответ.
№ п/п
1
Ответ
КПД Рэнкина≈54%
КПД Карно≈77%
2
КПД Рэнкина≈63%
КПД Карно≈45%
3
КПД Рэнкина≈45%
КПД Карно≈63%
4.5. Если с помощью инновационных технологий повысить КПД всех ТЭС России на
1 % (Δη/η=0,01), то какова будет годовая экономия топлива ΔG в масштабах страны и
экономия удельного расхода условного топлива Δb на каждой ТЭС при годовой выработке
электроэнергии в стране Е=520 млрд. кВт·ч/год и среднем расходе условного топлива
b = 342 г/(кВт∙ч)? Напишите расчетные формулы и укажите правильные ответы.
№ п/п
Ответ ΔG≈97
1
2
ΔG =35600
железнодорожных составов в
сутки по 50 вагонов
грузоподъемностью 100 т
каждый;
железнодорожных составов
по 50 вагонов
грузоподъемностью 100 т
каждый;
Δb = 0,95 нано-г/Дж
Δb = 3,42 кг/(МВт∙ч)
3
ΔG =178
млн. т у.т./год;
Δb = 3,42 г/(кВт∙ч)
4.6. Зачем надо повышать КПД преобразования тепловой энергии в электрическую на
ТЭС и АЭС?
14