Попова Т.М.,  Роговенко В.С.

Особенности теплофизических и эксергетических характеристик воды, как рабочего тела энергетики

Одесский национальный политехнический университет

 

Понять воду — значит понять Вселенную,

все чудеса природы и саму жизнь.

 

Масару Эмото. 

 

Непрерывное производство электроэнергии является необходимым средством для существования человечества.  Чрезвычайно важно для Украины, как и для других стран,  эффективное превращение теплоты в механическую работу с помощью рабочего тела, обладающего определенными свойствами.

В последнее время внимание человечества приковано к использованию в различных отраслях науки и техники достижений нетрадиционной  энергетики.   Но по-прежнему не иссякает интерес к изучению различных особенностей воды, как самого распространенного рабочего тела энергетики.

Тепломеханический цикл  У.Ренкина, состоящий из двух изобар и двух адиабат, более 150 лет служит основным средством для превращения теплоты в механическую работу, которую в дальнейшем превращают в электрическую энергию. Но, несмотря на многочисленные исследуемые и внедренные методы повышения эффективности этого паросилового цикла, его тепломеханический коэффициент (ТМК) не превышает на практике пятидесяти процентов.

В цикле У.Ренкина (рис.1) повышение начальной температуры перегретого пара, ведущего к увеличению ТМК, ограничено низкой критической температурой воды  (374оС).

    Кроме того, недостатком  воды является и высокая теплоёмкость СН2О = 4,19 кДж/(кг*К),  что вызывает дополнительное расходование топлива на подогрев воды до температуры кипения при начальном давлении пара.

Эти особенности воды тормозят расширение температурного интервала в процессах подвода и отвода теплоты, позитивно влияющего на эффективность работы электростанций.

 

Рис. 1. Цикл Ренкина и эквивалентный ему цикл Карно в диаграмме T-S

Критическое состояние веществ, в котором две  различные фазы, находящиеся между собой в   равновесии, становятся тождественными по всем своим свойствам, давно изучаются учеными.

Примером равновесия двух фаз одного и того же вещества может служить кипящая вода и находящийся  над ней пар.

Паровая и жидкая фазы воды при докритических параметрах резко  различаются по своим свойствам.  Жидкость имеет более значительные,  чем пар, плотность и вязкость. На масштабных диаграммах T-S и  P-v ясно видна граница, разделяющая жидкость и пар [1].

Если такую систему нагревать в закрытом сосуде, то по мере повышения температуры, свойства сближаются: плотность пара увеличивается вследствие испарения жидкости, а плотность жидкости уменьшается, благодаря тепловому расширению

При определенных для каждого вещества значениях температуры и давления, свойства обеих фаз становятся совершенно одинаковыми. Границы раздела между ними исчезают, и система становится однородной в критической точке.

Как это ни странно, всесторонние свойства воды и водяного пара еще недостаточно исследованы.

В частности,  в литературе и на практике не встречаются количественные и графические результаты  для удельных внутренней энергии (u), эксергии (e) и анергии (а)  воды для граничных состояний, а также – при  ее критических  параметрах. Этот пробел восполнен авторами.

В таблице 1 приведены теплофизические свойства воды при ее критических параметрах.

         Удельные  внутренняя энергия,  эксергия и анергия воды вычислены впервые, на основании формул:

 uкр = hкр -  Pкрvкр,                            (1)

 eкр = hкр - hо - Tо(s - sо),                   (2)

   акр = eкр – hкр,                                  (3),

 где критические характеристики Н2О: удельная энтальпия hкр, давление Pкр  и удельный объем vкр выбраны в критической точке, а  hо и sо  - по давлению окружающей среды P=100 кПа и температуре окружающей среды  tо =20º С  - из [2].

Напомним, что эксергия – это максимальная часть энергии, которую можно превратить в полезную работу в условиях окружающей среды неограниченной емкости.  В то время, как анергия – это часть энергии, которую невозможно превратить в полезную работу ни при каких обстоятельствах.

Поэтому естественные процессы, в связи с различными диссипативными явлениями (трением, завихрениями, флуктуациями) — всегда асимметричны и сопровождаются потерями эксергии разного вида [3,4].

 

Таблица 1

Критические  параметры  воды

№

Наименование

Обозначение

Единицы СИ

Значение

1

Давление

Ркр

кПа

22100

2

Температура

Ткр

К

647

3

Удельный обьем

υкр

м3/кг

0,00315

4

Удельная энтальпия

hкр

кДж/кг

2095

5

Удельная энтропия

sкр

кДж/(кг*К)

4,42

6

Удельная внутренняя энергия

uкр

кДж/кг

2025

7

Удельная эксергия

eкр

кДж/кг

803 при t0=200c

8

Удельная анергия

aкр

кДж/кг

1290 при t0=200с

 

На рисунках 2 и 3 представлены графические результаты  для удельных внутренней энергии (u)  и анергии (а) воды.

Они приведены для граничных состояний H2O, с учетом критических  параметров.

 

 

 

Рис.2. Зависимость удельной внутренней энергии (u) от температуры

Рис. 3. Зависимость удельной анергии (а) от температуры теплоносителя (t) при фазовых переходах в соответствии с тремя условиями окружающей среды.

 

В науке непрерывно идут поиски безвредного для окружающей среды  рабочего тела с высокой критической температурой.

Ведь загрязнение  окружающей среды со стороны отработавшего пара в виде горячих  конденсационных потоков угрожает экологической и биологической безопасности Земли.

Вода в различных агрегатных состояниях представляет собой средство для формирования и изменения состава макроэлементов, которые переносятся ею , циркулирующей во всех сферах: от небес до глубин Земли.

Транспортным средством, а также средством хранения и передачи информации о жизненных процессах являются подземные воды, до которых доходят корни растений.

Исчезновение воды - очень серьезный предупреждающий знак, потому что характер воды меняется в зависимости от её внутреннего состава, а вместе с этим меняется характер всех форм жизни, включая человечество. Долгий период дефицита чистой воды может привести к нехватке питьевой воды и воды для повседневного использования [5].

Вода обладает часто аномальными особенностями, по сравнению с другими веществами, и даже информационными свойствами. Однако, эти особенности являются предметом следующего исследования авторов. 

Выводы

1.     В работе  проанализированы недостатки воды, как рабочего тела энергетики, такие, как низкая критическая температура и высокая теплоемкость.

2.     Обоснована необходимость поиска более эффективного рабочего тела на основе термодинамического анализа, основанного на эксергетическом подходе.

3.     Здесь впервые представлены  теоретические и графические особенности экстенсивных характеристик воды: удельных внутренней энергии, эксергии  и анергии. Приведены их числовые значения при критических параметрах.

 

Литература

1.     Попова Т.М. Техническая термодинамика: Конспект лекций. Одесса. - 1986.

2.     Вукалович  М.П., Ривкин С.Л., Александров С.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: Изд-во стандартов, 1969.

3.      Эткин В.А. Термодинамика неравновесных процессов переноса и преобразования энергии. Саратов: Изд-во СГУ, 1991.

4.     Андреев Л.П., Костенко Г.Н. Эксергетические характеристики эффективности теплообменных аппаратов. Известия  вузов Энергетика  № 3. – 1965.

5.      Виктор Шаубергер. Энергия воды. Москва. Яуза. ЭКСМО.  - 2007.