7.2.1. Пример 1. Дросселирование

Дросселирование широко применяется в промышленности для регулирования давления; как правило, оно осуществляется при помощи клапанов. Поскольку процесс дросселирования является изоэнтальпийным (т.е. не сопровождается изменением энтальпии), потери энергии в этом процессе отсутствуют, и, согласно первому закону термодинамики, КПД этого процесса является максимально возможным.

Тем не менее, в процессе дросселирования имеет место типичная механическая необратимость. Снижение давления сопровождается повышением энтропии рабочего тела без какого-либо дополнительного полезного результата. Как следствие, происходит потеря эксергии, и способность рабочего тела к совершению работы (например, в турбине) снижается.

Поэтому, если условия технологического процесса диктуют необходимость снижения давления рабочего тела, желательно использовать для этого изоэнтропийный процесс расширения, который сопровождался бы совершением полезной работы (например, в турбодетандере). Если это невозможно, следует поддерживать рабочее давление в системе как можно более высоким, избегая его искусственного снижения. Это позволит не только избежать потерь эксергии при дросселировании, но и сократить потребность в дополнительных насосах или компрессорах для обеспечения транспортировки рабочего тела (и соответствующих затратах энергии).

Распространенной практикой на промышленных предприятиях является поддержание на входе турбины постоянного давления, соответствующего номинальному уровню, вне зависимости от колебаний давления подаваемого рабочего тела. Как правило, такая практика требует интенсивного использования впускных клапанов для регулирования давления, что не всегда является рациональным. С точки зрения второго закона термодинамики, более эффективной является эксплуатация турбины при давлении системы («плавающем давлении») и полностью открытыми впускными клапанами.

Общей рекомендацией является использование настолько больших клапанов, насколько это возможно. В этом случае удовлетворительное дросселирование может быть достигнуто при перепаде давления 5–10% при максимальном расходе рабочего тела, в отличие от перепада 25– 50% при использовании традиционных клапанов, размер которых является слишком малым. Размеры насосов, обеспечивающих транспортировку рабочего тела, также должны быть подобраны с учетом конкретных условий и диапазона их возможных вариаций.

Наконец, следует отметить, что трубопроводы также оказывают дросселирующее действие, поскольку давление рабочего тела постепенно снижается по мере движения по трубопроводу. Поэтому грамотное проектирование трубопровода, предусматривающее минимальное количество препятствий для движения рабочего тела (клапанов, колен, изгибов), а также выбор оптимального материала, позволяющего уменьшить трение, позволяют свести к минимуму потери эксергии при транспортировке.

В любом случае, необходим анализ эксергии, охватывающий все основные типы энергоресурсов, используемых на предприятия, поскольку случаи необратимости затруднительно или невозможно выявить, анализируя ситуацию с токи зрения первого закона термодинамики.

Численный пример

Для питания турбонасоса на тепловой электростанции отбирается пар от турбины высокого давления (P = 40 кг/см2, t = 350 ºC).

Поскольку для работы турбонасоса требуется входное давление 8 кг/см2, необходимо дросселирование пара, поступающего от турбины высокого давления (см. рис. 7.2). Процесс схематически представлен в координатах T–s и h–s на рис. 7.3. Ниже приведен расчет эксергии на входе и выходе расширительного клапана; предполагается, что расход пара составляет 45 т/ч.