Эксергия потока рабочего тела

Определим возможный равновесный путь перехода рабочего тела в потоке из начального состояния 1 с давлением р₁ и температурой Т₁ в конечное состояние 0 с давлением р_о и температурой Т₀ окружающей среды (рисунок).

Так как рассматриваемая система со­держит только один источник теплоты (окружающую среду с неизменной тем­пературой Т₀), то равновесный процесс можно представить себе либо при отсут­ствии теплообмена между потоком и средой (адиабатное расширение или сжа­тие), либо при наличии теплообмена между потоком и средой, но обязатель­но при температуре Т_о (изотермическое расширение или сжатие).

Рисунок К определению энергии потока рабочего тела

Во всех остальных процессах неизбежно будет иметь место теплообмен между рабочим телом и средой при конечной разности температур и равновесный переход ста­нет невозможным. Это значит, что един­ственным возможным путем перехода к равновесию с окружающей средой яв­ляется адиабатное расширение до р₂, То и последующее изотермическое расшире­ние (или сжатие, если точка 2 окажется правее точки 0) до ро, То. В последнем процессе рабочее тело отнимает от среды теплоту q_o=T_o(s_o - s₂). На рисунке она изображена заштрихованной площад­кой. Так как 1-2 - адиабата, то s₂= s₁. Тогда q₀ = T_o (s_o – s₁).

Согласно уравнению первого закона термодинамики для потока в слу­чае, когда С₂ = С₁ и q_внеш = q_о (поскольку процессы равновесны), q = h_о – h₁ +l_тех^мах .

Подставив выражение для q в преды­дущую формулу, получим:

е = l_тех^мах = h₁ - h_о – T_o (s₁ – s₀). (1.1)

Величина l_тех^мах есть максимальная удельная техническая работа, которую может совершить рабочее тело в потоке в процессе равновесного перехода из состояния р₁, Т₁, в котором энтропия равна s₁, а энтальпия h₁, в состояние р_о, То энтропией s_o и энтальпией h _о. Она на­зывается максимальной работо-способностью или эксергией потока рабочего тела и обозначается буквой е.

Из изложенного ясно, что эксергия, т.е. максимальная работа, которую можно получить от рабочего тела в потоке, как правило, не равна располагаемому теплоперепаду h₁ - h_o. В некоторых слу­чаях, как в изображенном на рисунке примере, она оказывается боль­ше располагаемого теплоперепада за счет теплоты, отбираемой рабочим телом от окружающей среды. В других случаях (когда s₁ < s₀) она будет меньше, чем h₁ - h_o.

Эксергия e = h₁ - h_o. – T_О (s₁ < s₀) за­висит от параметров как рабочего тела h₁, s₁, так и окружающей среды ро, То. Однако если параметры окружающей среды заданы (чаще всего принимают T_О = 293К, р_о =100 кПа), то эксергию можно рассматривать просто как функ­цию состояния рабочего тела. Понятие эксергия полезно при анализе степени термодинамического совершенства теп­ловых аппаратов.

Если в тепловой аппарат, производя­щий полезную работу l _тех, входит поток рабочего тела с параметрами p₁, T₁ и подводится теплота q от источника с температурой T_ист, а из аппарата вы­ходит поток рабочего тела с параметра­ми p₂, T₂ , то потеря работоспособности составит:

Δ l =[(е_вх + е_q) - е_вых ] - l _тех

где е_вх и е_вых определяются по формуле (1.1), a е_q = q₁ (l — T_О / T_{и ст}).

В выражение Δ l входят по­тери работоспособности, обусловленные трением и теплообменом при конечной разности температур, а также потери теплоты аппаратом вследствие теплооб­мена с окружающей средой.

Для количественной оценки степени термодинамического совершенства теп­лового двигателя используется эксергетический КПД, который имеет вид:

h_экс = l _тех /(е_вх + е_q - е_вых)

1.3 Степень термодинамического совершенства технологических процессов

Применение прогрессивных энергосберегающих технологических схем и повышение энерготехнологической эффективности оборудова­ния являются важными задачами химического производства.

При разработке высокоэффективных и малоэнергоемких техноло­гий и оборудования большое значение имеют вопросы использования вторичных ресурсов и утилизации побочных энергоресурсов, под ко­торыми понимают неиспользованный в технологическом процессе энергетический потенциал всех продуктов и отходов. Например, при­менение котлов-утилизаторов, которые позволяют использовать теп­лоту отходящих газов для производства пара или подогрева воды. Дру­гим примером может служить использование теплоты, полученной за счет охлаждения химически очищенной водой элементов, расположен­ных в высокотемпературной зоне (например, печи). При этом охлаж­даемые поверхности используются в качестве испарителей для получе­ния водяного пара.

Первым шагом по пути модернизации любого процесса является анализ степени его совершенства и сопоставление его с другими вари­антами процессов, предназначенных для данной цели.

Объективная оценка степени энергетического совершенства любого технологического процесса и агрегата может быть сделана лишь на основе термодинамического анализа.

Простейшим из них является энергетический метод - на основе первого закона термодинамики. Напри­мер, энергетический баланс тепловой установки (рисунок) можно записать сле­дующим образом:

Q₁ = Q₂ + Q_n

где Q_n - энергия, которая не используется в технологической системе.

Если предположить, что Q_n = 0, а Q₂ = Q₁, то тепловой (энергетический) коэффициент полезного действия (КПД) h = Q₂IQ₁ = 1.

Рисунок Схема тепловых потоков

Известно, что любой процесс, независимо от того, как он будет тех­нологически оформлен, при правильном подсчете всех энергетических потоков имеет коэффициент полезного действия близкий к единице, и нет смысла в его совершенствовании. Кроме того, из данного урав­нения энергетического баланса неясно, используется энергия Q₂ где-то или нет.

Таким образом, энергетический баланс не дает полной информа­ции, прежде всего о качественных изменениях, происходящих в сис­теме. При составлении энергетического баланса невозможно объектив­но учесть вторичные энергоресурсы (ВЭР). Если ВЭР вычесть из суммы общих энергозатрат, то расход энергозатрат будет заниженным, а если их вообще не учитывать, то энергозатраты получаются сильно завышенными. Кроме того, при комплексном производстве невозмож­но правильно распределить затраты энергии на различные виды про­дукции.

Для оценки степени совершенства технологического процесса следует использовать энергетический анализ на основе второго закона термодинамики и степень совершенства процесса понимать как степень его обратимости.

В обратимом процессе сумма энергии потоков, подведенных к системе, равна сумме потоков энергии, отведенных от нее:

åЕ^вх =åЕ^вых

тогда коэффициент полезного действия в обратимом процессе:

h = åЕ^вых /åЕ^вх = 1

В любом реальном процессе вследствие его необратимости: åЕ^вых <åЕ^вх

и тогда

h_е = åЕ^вых /åЕ^вх < 1

Таким образом, в реальных процессах эксергетический коэффициент полезного действия (h_е), всегда меньше единицы, на величину эксергетических потерь ( Δ D)

Δ D = åЕ^вх - åЕ^вых

По существу, åЕ^вх является суммой всех энергетических затрат на осуществление данного процесса, а åЕ^вых - обобщенная валовая производительность агрегата.

Таким образом, h_е отражает степень совершенства любого про­цесса: будь то производство энергии или другой технологический процесс.

В таблице приведены значения энергетических (тепловых) и эксергетических коэффициентов полезного действия электрических машин и тепловых установок.

Из таблицы видно, что менее совершенными являются тепловые процессы, для которых значения эксергетических коэффициентов полезного действия в 2-5 раз ниже энергетических коэффициентов полезного действия.

Для того чтобы составить эксергетический баланс типового хи­мико-технологического процесса, необходимо перечислить основные виды эксергии:

- теплового процесса [ Е_q ];

- вещества [Е_b];

- химическая [E_х]

- нулевая [Е_о].

Таблица - Сравнение энергетических и эксергетических КПД

Вид установки (машины)	Энергетический, hо	Эксергетический, hе
Электродвигатель Электрогенератор Паровой котел Газовая печь Печь на жидком топливе	0,85-0,95 0,96-0,99 0,88-0,92 0,60-0,85 0,45-0,70	0,90 0,98 0,49 0,13 0,11

Рисунок Схема эксергитического баланса

Тогда эксергетический баланс можно изобразить так, как это по­казано на рисунке.

Для такой системы уравнение эксергетического баланса можно записать в следующем виде:

åЕ^вх_q +åЕ^вх_b +åЕ^вх_x+åL^вх =åЕ^вых_q +åЕ^вых_b +åЕ^вых_x+åL^вых +åD

В общем виде эксергетический коэффициент полезного действия:

h_е =åЕ^вых/åЕ^вх

Если åЕ^вх = 0, то åЕ^{вы х} = 0, тогда уравнение эксергетического баланса запишется следующим образом:

åЕ^вх = åЕ^{вы х} +åD

åЕ^вых = åЕ^{в х} - åD

h_е =(åЕ^вх -åD) / åЕ^вых

Для приближенной оценки степени совершенства процессов можно использовать эксергетические потери, которые делятся на внутренние и внешние:

- внутренние потери эксергии связаны с необратимостью процес­сов, протекающих внутри системы (потери при дросселировании, тре­нии, при наличии гидравлических сопротивлений);

- внешние потери эксергии связаны с условиями сопряжения сис­темы с окружающей средой (выброс продуктов производства в окру­жающую среду, плохая изоляция системы и т.д.).

Внутренние потери чаще всего связаны с несовершенством машин и аппаратов, а внешние - с несоответствием между процессом и усло­виями его проведения.

Практическое значение такого разделения эксергетических потерь связано с различными способами уменьшения внутренних и внешних потерь.

Дата добавления: 2014-01-04