Zamonaviy bug 'dvigatellarida issiqlik samaradorligini hisoblash
Bugʻ dvigatellari koʻpincha sanoat inqilobidan qolgan "klassik" texnologiya hisoblanadi. Biroq, ularning tamoyillari va ishlanmalari bugungi kunda ham dolzarb boʻlib qolmoqda, ayniqsa koʻmir bilan ishlaydigan elektr stansiyalarida (PLTU), issiqlik va energiya (CHP) qurilmalarida va qayta ishlash sanoatidagi bugʻ turbinasi tizimlarida. "Zamonaviy bugʻ dvigatellari" deganda anʼanaviy pistonli bugʻ dvigatellariga qaraganda ancha samaraliroq boʻlgan, yuqori bosim va harorat, super isitgichlar, qayta isitgichlar va suv isitgichlari orqali regenerativ isitishdan foydalanadigan Rankine tsikliga asoslangan energiya ishlab chiqarish tizimlari tushuniladi. Ushbu tizimlarning ishlashini tushunish uchun har doim hisoblanadigan asosiy parametrlardan biri bu issiqlik samaradorligidir.
1. Issiqlik samaradorligining asosiy tushunchasi
Bug 'dvigatelining issiqlik samaradorligi kirish issiqlik energiyasining (yoqilg'i yoki issiqlik manbai yonishidan) qancha qismi foydali ishga muvaffaqiyatli aylantirilishini, odatda turbina valining quvvati yoki generatorning elektr quvvati shaklida ekanligini tavsiflaydi. Umuman olganda, issiqlik samaradorligi quyidagicha aniqlanadi:
\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]
Qayerda:
– \( W_{net} \) siklning sof ishi (turbina ishi minus nasos ishi).
– \( Q_{in} \) - bu odatda qozon va/yoki super isitgichda sodir bo'ladigan siklga kiradigan issiqlik miqdori.
Ideal Rankin siklida asosiy komponentlar nasos, qozon, turbina va kondensatorni o'z ichiga oladi. Bug' yuqori bosimga pompalanadi (oziqlantiruvchi suv), bug'ga (to'yingan yoki qizdirilgan) qadar qizdiriladi, turbinada ish hosil qilish uchun kengaytiriladi va keyin nasosga qayta kirishdan oldin kondensatorda suyuqlikka qayta kondensatsiyalanadi. Issiqlik samaradorligi bug' dvigatelining issiqlik energiyasidan qanchalik samarali foydalanishining asosiy o'lchovidir.
2. Ideal va haqiqiy Rankine sikli
Dastlabki hisob-kitoblarda muhandislar ko'pincha samaradorlikning yuqori chegarasi haqida tasavvurga ega bo'lish uchun ideal Rankine siklidan boshlaydilar. Ideal taxminlar odatda quyidagilar:
1. Izentropik (yo'qotishsiz) nasos va turbina jarayoni.
2. Qozon, quvurlar, super isitgich, qayta isitgich va kondensatorda bosim pasayishi kuzatilmaydi.
3. Atrof-muhitga issiqlik yo'qotilishi yo'q.
4. Kondensatsiya va isitish doimiy bosim ostida sodir bo'ladi.
Haqiqiy sharoitlarda bu taxminlar to'liq qondirilmaydi. Nasoslar va turbinalarning ishqalanish yo'qotishlari, bosim yo'qotishlari va izentropik samaradorligi 100% dan kam. Shuning uchun, haqiqiy issiqlik samaradorligi har doim ideal qiymatdan past bo'ladi va hisob-kitoblar quyidagi kabi parametrlarni o'z ichiga olishi kerak:
– Turbina izentropik samaradorligi (\(\eta_t\))
– Nasosning izentropik samaradorligi (\(\eta_p\))
– Issiqlik yo'qotilishi (issiqlik yo'qotilishi)
– Bosimning pasayishi
3. Issiqlik samaradorligini hisoblash bosqichlari (Umumiy asos)
Zamonaviy bug 'dvigatelining (Rankine asosidagi) issiqlik samaradorligini hisoblash uchun umumiy bosqichlar quyidagilar:
a) Holat nuqtalarini aniqlang
Odatda quyidagicha belgilanadi:
1. Kondensator chiqishi / nasos kirish joyi (kondensator bosimida to'yingan suyuqlik)
2. Nasos chiqishi / qozon kirish joyi (yuqori bosimli suv bilan ta'minlash)
3. Qozon/super isitgich chiqishi/turbina kirishi (to'yingan yoki qizdirilgan quruq bug')
4. Turbina chiqishi / kondensator kirish joyi (bug '-suv aralashmasi yoki qizib ketgan namlik)
Qayta isitgichlar va regeneratsiya sikllarida holat nuqtalari soni ortadi. Yirik elektr stansiyalaridagi zamonaviy bug 'dvigatellari odatda bir nechta turbina chiqarish bosqichlariga va suv isitgichlariga ega, bu esa tahlilni yanada murakkablashtiradi, ammo printsip bir xil bo'lib qoladi: har bir komponentda energiya balansini bajarish.
b) Termodinamik xususiyat ma'lumotlarini oling
Asosiy talab qilinadigan xususiyatlar:
– Har bir nuqtada Entalpiya (\(h\))
– Izentropik jarayonlar uchun entropiya (\(s\))
– Bosim (\(P\)) va harorat (\(T\))
– Ikki fazali mintaqada bo'lganda bug' sifati (\(x\))
Bu ma'lumotlar odatda Steam jadvallaridan yoki dasturiy ta'minotdan (EES, REFPROP, Aspen yoki IAPWS/IF97 xususiyat kalkulyatorlari) olinadi.
c) Nasos ishini hisoblang
Ideal nasos ishini quyidagicha baholash mumkin:
\[
W_p \taxminan v_f (P_2 – P_1)
\]
bu yerda \(v_f\) nasos kirish qismidagi suyuqlikning solishtirma hajmi (m³/kg). Haqiqiy nasos uchun:
\[
W_{p,actual} = \frac{W_{p,ideal}}{\eta_p}
\]
Keyin nasosdan chiqadigan entalpiya:
\[
h_2 = h_1 + W_{p,actual}
\]
d) Qozonga issiqlik kiritishni hisoblang
Odatda issiqlik kiritish:
\[
Q_{in} = h_3 – h_2
\]
Agar super isitgich mavjud bo'lsa, \(h_3\) qiymati turbina kirish qismidagi super qizdirilgan bug'ning entalpiyasidir. Agar qayta isitgich mavjud bo'lsa, ikkinchi qo'shimcha issiqlik kirishi mavjud:
\[
Q_{in,jami} = (h_3 – h_2) + (h_5 – h_4)
\]
(diagrammadagi nuqtalarning raqamlanishiga qarab).
e) Turbina ishini hisoblang
Ideal (izentropik) turbina uchun jadvaldan \(s_3 = s_{4s}\) va \(h_{4s}\) olingan. Haqiqiy turbina uchun:
\[
\eta_t = \frac{h_3 – h_{4,actual}}{h_3 – h_{4s}}
\Rightarrow h_{4,actual} = h_3 – \eta_t (h_3 – h_{4s})
\]
Turbinaning ishlashi:
\[
W_t = h_3 – h_{4,actual}
\]
Agar bir nechta kengaytirish yoki qayta isitish bosqichlari mavjud bo'lsa, turbinaning umumiy ishi har bir bosqichning yig'indisiga teng.
f) Sof ish va issiqlik samaradorligini hisoblang
\[
W_{net} = W_t – W_p
\]
\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]
Bu siklning issiqlik samaradorligini hisoblashning asosiy qismidir.
4. Tasviriy misol (oddiy)
Aytaylik, oddiy zamonaviy Rankin siklida bug 'jadvallaridan olingan ma'lumotlar (entalpiyalar shaklida) mavjud va komponentlarning samaradorligini hisobga oladi:
– \(h_1 = 191 \, \text{kJ/kg}\) (kondensatordan chiqayotgan to'yingan suyuqlik)
– \(h_2 = 200 \, \text{kJ/kg}\) (nasos chiqishi, haqiqiy)
– \(h_3 = 3500 \, \text{kJ/kg}\) (o'ta qizigan bug 'turbinaga kiradi)
– \(h_4 = 2400 \, \text{kJ/kg}\) (turbina chiqishi, haqiqiy)
Shunday qilib:
– Turbina ishi: \(W_t = 3500 – 2400 = 1100 \, \text{kJ/kg}\)
– Nasos ishi: \(W_p = 200 – 191 = 9 \, \text{kJ/kg}\)
– Sof ish: \(W_{net} = 1100 – 9 = 1091 \, \text{kJ/kg}\)
– Issiqlik kiritish: \(Q_{in} = 3500 – 200 = 3300 \, \text{kJ/kg}\)
Issiqlik samaradorligi:
\[
\eta_{th} = \frac{1091}{3300} = 0.331 \taxminan 33.1\%
\]
Bu qiymat ancha yaxshi Rankin sikli uchun o'rinli, ammo zamonaviy ultra-o'ta kritik elektr stantsiyalari sof stansiya samaradorligi sifatida qaralganda yuqoriroq bo'lishi mumkin (garchi qozon, kondensator va yordamchi yuk yo'qotishlari hali ham ta'sir qilsa ham).
5. Zamonaviy bug 'dvigatellarining samaradorligini oshiruvchi omillar
a) Turbinaga kiradigan bug'ning harorati va bosimini oshiring
Issiqlik qo'shilishining o'rtacha harorati qanchalik yuqori bo'lsa, samaradorlik shuncha yuqori bo'ladi (Carnot printsipiga muvofiq). Superkritik va ultra-superkritik texnologiyalar suvning kritik nuqtasidan (22,1 MPa) yuqori bosimda ishlashga imkon beradi, bu esa faza o'zgarishlari bilan bog'liq yo'qotishlarni kamaytiradi va samaradorlikni oshiradi.
b) Kondensator bosimini pasaytirish (yaxshiroq vakuum)
Kondensator bosimini pasaytirish turbinaning kengayish diapazonini oshiradi va shu bilan turbinaning ishlashini oshiradi. Biroq, bu sovutish suvi harorati, kondensator hajmi va turbinaning oxirgi bosqichlarida yuqori namlik darajasi xavfi bilan cheklangan.
c) Qayta isitish sikli
Qayta isitgich qisman kengaygandan so'ng bug'ni qayta isitadi, keyin uni qayta kengaytiradi. Natijada samaradorlik oshadi va turbina chiqish joyida namlik darajasi pasayadi (turbina pichoqlari uchun xavfsizroq).
d) Regeneratsiya (ozuqa suvini isitish)
Ozuqa suvini isitish uchun turbinadan bug' olish orqali qozon qaynash nuqtasiga yetishi uchun ko'p issiqlik berishi shart emas. Regeneratsiya sikl samaradorligini oshiradi, garchi u turbinaning ish yukini kamaytiradi, chunki ba'zi bug'lar past bosimda ish bermaydi.
6. Siklli issiqlik samaradorligi va ishlab chiqarish samaradorligi o'rtasidagi farq
Quyidagilarni farqlash muhim:
– Rankin siklining issiqlik samaradorligi: sikl komponentlaridagi \(W_{net}/Q_{in}\) ga asoslangan.
– Sof ishlab chiqarish samaradorligi: yonish yo'qotishlari, qozon samaradorligi, generator yo'qotishlari, yordamchi yuklar (nasoslar, ventilyatorlar, konveyerlar) va ichki uzatish yo'qotishlarini hisobga oladi.
Ko'mir bilan ishlaydigan elektr stansiyalarida qozon samaradorligi va tizimdagi yo'qotishlar sezilarli bo'lishi mumkin. Shuning uchun, tsiklning issiqlik samaradorligi yuqori bo'lib ko'rinsa ham, umumiy sof samaradorlik pastroq bo'lishi mumkin.
7. Xulosa
Zamonaviy bug 'dvigatellarida issiqlik samaradorligini hisoblash asosan Rankin siklining energiya balansiga asoslangan: turbina ishini, nasos ishini va qozonga (va agar mavjud bo'lsa, qayta isitgichga) issiqlik kiritishni hisoblash. Aniqlikning kaliti holat nuqtalari va termodinamik xususiyatlarni (entalpiya, entropiya, bug' sifati) aniq aniqlash, shuningdek, izentropik samaradorlik va bosim pasayishi kabi real sharoitlarni kiritishdir. Issiqlik samaradorligi tizim ishlashining asosiy ko'rsatkichi va harorat/bosimning oshishi, qayta isitish, regeneratsiya va kondensatorni takomillashtirish kabi optimallashtirishlarni baholash uchun asosdir.
Agar xohlasangiz, haqiqiy PLTU holatini o'rganish uchun holat nuqtalari jadvallari va Ts diagrammalari bilan to'ldirilgan yanada "zamonaviy" hisoblash misolini (masalan, qayta isitish sikli + 1-2 ta suv isitgichi) qo'shishim mumkin.
