Энергетический КПД показывает какая часть поступающей в котёл-утилизатор (КУ) тепловой энергии была использована в технологическом процессе.
Значение эксергетического КПД говорит о качестве преобразования в КУ полученной тепловой энергии.
Эксергия (работоспособность) - это максимально возможная работа, которую теоретически может совершить термодинамическая система при переходе из заданного состояния в состояние равновесия с окружающей средой.
Максимальный КПД, который можно получить при преобразовании теплоты в работу при температуре источника теплоты T1 (градусы Кельвина) и температуре приёмника теплоты от рабочего тела T2 (К), равен КПД цикла Карно.
КПД_к = (T1 - T2) / T1
Величина максимально возможной работы, которую система может совершить при подводе к ней теплоты Q от источника с температурой T1 и отводе теплоты при температуре окружающей среды Tос определяется по формуле Карно-Клазиуса:
L = Q * КПД_к
где L - работа, Дж; КПД_к = (T - T_ос) / T; T - температура (градусы Кельвина) источника теплоты Q (Дж), передаваемой рабочему телу; T_ос - температура окружающей среды, К.
Из формулы видно, что при неизменной температуре окружающей среды чем ниже температура источника теплоты, тем меньшую величину работы может совершить система. Таким образом качество (эксергия) Джоуля теплоты определяется значением КПД_к.
e_т = Q * КПД_к
где e_т - эксергия теплоты Q (Дж), отводимой от источника теплоты температурой T (K) при заданной температуре окружающей среды Tос (K).
Для удобства на нижеприведённом графике температура источника теплоты дана в градусах Цельсия.
В КУ источником теплоты являются уходящие (выхлопные) газы ГТУ. Температура выхлопных газов по мере отдачи ими теплоты снижается, т.е. теплота передаётся при переменной температуре. В данном случае формула для эксергии теплоты будет иметь следующий вид:
e_т_гту = cp * (T - Tос * (1 + ( ln(T) - ln(Tос))))
где e_т_гту - эксергия выхлопных газов ГТУ; T - температура выхлопных газов ГТУ на входе в КУ, К.
В КУ вырабатывается пар определённого давления, который может быть использован для совершения работы (в частности для привода паровой турбины). Формула эксергии потока рабочего тела:
e_п = h - h_ос - Tос * (s - s_ос)
где h (кДж/кг), s (кДж/кг/К) - энтальпия и энтропия рабочего тела на выходе из КУ, h_ос, s_ос - энтальпия и энтропия рабочего тела при температуре и давлении окружающей среды.
Энергетический и внешний эксергетический КПД КУ снижаются по мере роста давления пара на выходе из КУ из-за увеличения температуры уходящих из КУ газов. При неизменной температуре уходящих газов данные КПД были бы постоянными. Внутренний эксергетический КПД показывает степень необратимости (качество) происходящих в КУ процессов преобразования теплоты. Чем больше разность между температурой источника теплоты и температурой рабочего тела, к которому передаётся теплота от источника, тем больше потери эксергии в процессе теплопередачи и тем выше степень необратимости процесса.
Эксергетический КПД водогрейного КУ при температурном графике сетевой воды 110/70 и температуре уходящих газов из КУ t = 110 C составляет всего 28,9% при энергетическом КПД 79,3%.
Более подробно см. здесь.
Ссылки
1. В. М. Бродянский. Вечный двигатель - прежде и теперь. Москва. Энергоатамиздат. 1989