Энергетические установки — это технические системы, предназначенные для преобразования энергии из одного вида в другой, обычно тепловой в механическую или электрическую. Их эффективность напрямую зависит от термодинамических процессов, лежащих в основе функционирования каждой установки. Основные классы включают тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильные машины, а также установки на возобновляемых источниках энергии.
Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую работу. Они работают по замкнутому термодинамическому циклу, в котором рабочее тело (газ или пар) последовательно проходит через стадии нагревания, расширения, охлаждения и сжатия.
Наиболее известные циклы:
Цикл Карно — идеализированный цикл с максимальной теоретической эффективностью. КПД такого двигателя:
$$ \eta_{\text{Карно}} = 1 - \frac{T_2}{T_1} $$
где $T_1$ — температура нагревателя, $T_2$ — температура холодильника.
Реальные циклы: Ранкина (для паровых турбин), Отто (для бензиновых двигателей), Дизеля, Брайтона (газовые турбины).
Каждый из этих циклов имеет свои особенности: например, цикл Отто предполагает изохорное подведение тепла, цикл Дизеля — изобарное, а цикл Брайтона — изобарное и адиабатическое преобразование.
Для любой энергетической установки соблюдается закон сохранения энергии. В дифференциальной форме он выражается:
$$ \delta Q = dU + \delta W $$
где $\delta Q$ — количество подведённого тепла, $dU$ — изменение внутренней энергии, $\delta W$ — выполненная работа.
Для замкнутых циклов изменение внутренней энергии за цикл равно нулю, следовательно, вся подведённая энергия либо превращается в работу, либо отводится в виде тепла в холодильник:
$$ Q_1 - Q_2 = A $$
где $Q_1$ — тепло от нагревателя, $Q_2$ — тепло, отданное холодильнику, $A$ — работа цикла.
Второй закон термодинамики накладывает принципиальное ограничение на возможный КПД любой тепловой машины. Ни одна реальная установка не может достичь эффективности, равной циклу Карно, из-за наличия необратимых процессов (трения, теплопередача с конечными перепадами температур, дросселирование и др.).
Для любой реальной машины:
$$ \eta < \eta_{\text{Карно}} $$
Также вводится понятие энтропии — функции состояния, изменение которой характеризует необратимость процесса. Рост энтропии в замкнутой системе свидетельствует о наличии потерь:
$$ \Delta S{\text{системы}} + \Delta S{\text{окружения}} \geq 0 $$
КПД — безразмерная величина, определяющая долю подведённой энергии, превращённой в полезную работу:
$$ \eta = \frac{A}{Q_1} $$
КПД — основной параметр, характеризующий экономичность установки. В энергетике также используются удельные показатели: удельный расход топлива, удельная теплота, удельная работа.
1. Паротурбинная установка (ПТУ) Основана на цикле Ранкина. Включает котёл, турбину, конденсатор и насос. Типичный КПД современных ПТУ составляет 30–40%. Потери энергии связаны с теплопередачей, трением и несовершенством расширения пара в турбине.
2. Газотурбинная установка (ГТУ) Работает по циклу Брайтона. Газ сжимается компрессором, нагревается в камере сгорания, расширяется в турбине. КПД — порядка 35%, может достигать 60% в комбинированных циклах с утилизацией тепла.
3. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) Типичный пример — бензиновый или дизельный двигатель. КПД — 20–30%, термодинамический цикл — Отто или Дизеля. Потери — в виде тепла, уносимого выхлопными газами, и трения.
4. Холодильные машины и тепловые насосы Работают в обратном направлении — поглощают тепло при выполнении работы. Эффективность оценивается холодильным коэффициентом $\varepsilon$ или тепловым коэффициентом преобразования (ТКП):
$$ \varepsilon_{\text{хол}} = \frac{Q2}{A}, \quad \varepsilon{\text{тепл}} = \frac{Q_1}{A} $$
Максимальные значения соответствуют обратному циклу Карно.
Для увеличения КПД энергетических установок применяют следующие методы:
Для более глубокого понимания эффективности применяется понятие эксергии — максимального количества работы, которое можно получить от системы при приведении её к термодинамическому равновесию с окружающей средой. Эксергетический анализ позволяет локализовать и количественно оценить источники потерь:
$$ \Psi = (U - U_0) + p_0(V - V_0) - T_0(S - S_0) $$
где $\Psi$ — удельная эксергия, $T_0, p_0$ — температура и давление окружающей среды.
Потери эксергии отражают необратимые процессы в системе, что особенно важно при проектировании высокоэффективных установок и оптимизации существующих.
Термодинамика применима и к установкам, использующим солнечную, геотермальную, ветровую и другие формы возобновляемой энергии. Эти установки имеют уникальные характеристики:
Внедрение комбинированных технологий, основанных на термодинамическом анализе, позволяет достигать высокой энергетической эффективности и устойчивости при минимальном воздействии на окружающую среду.