Понятие и свойства эксергии

Эксергетический метод термодинамического анализа.

Условия окружающей среды оказывают решающее влияние на способ реализации промышленных процессов. Например, производство энергии за счет сжигания топлива использует окислитель из окружающей среды и сбрасываются в нее продукты сгорания. В тепловых циклах окружающая среда используется как один из тепловых резервуаров. В химико-технологических процессах сырьем служат вещества из окрущающей среды - воздух, Н₂О, N₂, O₂, Ar,CH₄ и т.п. Вещества окружающей среды могут использоваться в технологических процессах без обработки - воздух, вода или с изменением их химического состояния. Ценность веществ тем больше (т.е. затраты на их получение), чем больше их состояние отличается от состояния в окружающей среде. Технологические процессы конечно оказывают влияние на состояние окружающей среды, но, как правило, состав и температура ее остаются постоянными даже вблизи крупных производств.

Ценность энергии и вещества существенным образом зависит от их параметров: температуры, давления и состава. Мера энергетической ценности материи по отношению к окружающей среде названа эксергией (З.Рант1955 г.)

Эксергия материи является максимальной работой, которую эта материя может совершить в обратимом процессе с окружающей средой, которая выступает в качестве дарового источника энергии, если в конце процесса все виды материи приходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды.

(Шаргут Я.)

В соответствии с этим определением эксергия окружающей среды должна быть равна нулю.

Эксергия является аналогом энергии Гиббса, но отличие состоит в том, что она относится к новому стандартномусостоянию, отличному от того, которое принято в термодинамике. За стандартное состояние при расчете эксергии принимается состояние окружающей среды или локальной окружающей среды.

, ,следовательно, ,где

индекс “0” относится к окружающей среде. - это эксергия окружающей среды и она постоянна. Тогда или

Сопоставление свойств энергии и эксергии:

Энергия H	Эксергия Е
зависит только от параметров вещества	зависит также и от параметров окружающей среды
справедлив закон сохранения энергии	эксергия материи может исчезнуть полностью
возможность превращение одного вида энергии в другой ограничена вторым начало термодинамики	в обратимых процессах для трансформации эксергии не существует ограничений

Рант дал иное определение эксергии.

Эксергия по Ранту, та часть энергии которая может быть

превращена в любой другой вид энергии.

Для непревратимой в другие виды энергии части Рант предложил название анергия. Трансформация анергии в эксергию невозможна, но обратный переход происходит в необратимых процессах. Однако, утверждение Ранта о способности превращения эксергии в любой вид энергии вызывает некоторые возражения.

Это уравнение Гюи-Стодолы. Оно характеризует количество энергии (работы), безвозвратно потерянной в системе в следствие ее термодинамического несовершенства.

Потери эксергии, определенные по уравнению Гюи-Стодолы, безвозвратны и не могут быть возвращены даже частично.

Потери эксергии, определенные по уравнению Гюи-Стодолы можно складывать. Различают внешние и внутренние потери эксергии. Внешние потери численно равны эксергии отходов полностью смешанных с окружающей средой. Внутренние потери возникают в результате необратимых процессов, протекающих в исследуемой установке. Потери эксергии в сложных системах-установках можно разделить по месту и времени. Хотя такое разделение часто удается сделать при условии введения дополнительных приближений - независимость, адиабатичность и т.д.

Степень термодинамического совершенства технических процессов.

Анализ степени совершенства производства на основе энергетического баланса энергетического к.п.д. может приводить к искаженным результатам. Иногда для характеристики процессов используют понятие относительной работоспособности

Этот параметр наглядно показывает какую долю энтальпии можно превратить в работу.

Объективную оценку степени термодинамического совершенства процессов можно получить на основе эксергетического анализа. Если сумма эксергии, подведенных к системе потоков, а сумма эксергии выходящих-конечных потоков, то эксергатический к.п.д.

Только для обратимых процессов h_Е =1. Эксергетический к.п.д. может быть рассчитан для всего производства, отдельной стадии или установки, одного аппарата или технологического узла. Такому выражению h_Е присущи определенные недостатки. Например,если поток вещества идет через реактор с неактивным катализатором, степень химического превращения a ® 0, а

h_Е ® 1. Однако, такой процесс бесполезен. В таких случаях обычно исключается часть эксергии, транзитом проходящая в системе-аппарате. Тогда

Однако и этот способ определения h_Е не всегда эффективен. Например, при химической реакции часть эксергии затрачивается на нагревание реакционной смеси, увеличение объема, т.е. переходит в термомеханическую эксергию. Применять понятие о транзите эксергии и нужно дополнительно учесть долю эксергии в ее бесполезных преобразованиях. Тогда

где - произведенная полезная эксергия, а - убыль эксергии, связанная с производством полезной эксергии. Такой к.п.д. называют эффективным. Последнее уравнение допускает определенный проивол в расчетах. Поэтому нужно очень тщательно обосновыватьпроцедуру расчета

, . При детальных расчетах может оказаться, что h_Е < 0. Появление отрицательных к.п.д. означает, что цель, сформулированная при расчёте h не достигается.

Дата добавления: 2015-06-27