Эксергия

В технической термодинамике, которая в основном использует методы классической (равновесной) термодинамики, изучаются процессы взаимного превращения различных видов энергии. Важное социальное и экономическое значение имеет техническая задача энергосбережения. Производство и потребление энергии растет с каждым годом во всем мире, что обусловлено ростом масштабов производства всех хозяйственных отраслей, развитием новых технологий и ростом народонаселения. В этих условиях важную роль играет экономия энергоресурсов. Для создания энергосберегающих технологий и совершенствования энергетического и технологического оборудования нужны критерии качества энергии и эффективности ее использования. Эта задача успешно решается методами термодинамики. Например, в тепловых двигателях часть полезной работы неизбежно превращается в теплоту, которая безвозвратно рассеивается в окружающей среде. Эти потери можно уменьшить более рациональной организацией процессов и более совершенным инженерным оформлением энергетических установок.

При практическом использовании различных видов энергии важное значение имеет ее качество, определяющее возможность превращения в другие виды энергии:

энергия высокого качества (например, механическая и электрическая) почти без ограничений может превращаться в другие виды энергии;

энергия среднего качества (химическая и внутренняя при отсутствии равновесия с окружающей средой) ограниченно преобразуется в другие виды энергии;

энергия низкого качества (теплота) диссипирует в окружающей среде и вообще не преобразуется в другие виды энергии.

Преимущества энергии высокого качества, например, электрической, обусловлены тем, что она относительно легко может быть преобразована в другие виды энергии (механическую, химическую, тепловую) и транспортирована на большие расстояния.

Все реальные процессы необратимы и сопровождаются диссипацией (потерей качества) высокосортной энергии в теплоту. Высокосортные формы энергии могут превращаться друг в друга без диссипации. Эти виды энергии называют безэнтропийными. Низкосортная форма энергии всегда связана с макроскопическими (термодинамическими) системами. Эти виды энергии называют энтропийными, так как процессы их взаимного превращения и преобразования в высокосортные формы энергии подчиняются второму закону термодинамики.

Источником пригодной для использования энергии могут служить только системы, не находящиеся в равновесии с окружающей средой. Такие системы могут совершить максимальную работу, если протекающие в них процессы обратимы. Мерой максимальной работы являются разности соответствующих термодинамических потенциалов. Однако во многих случаях для оценки работоспособности термодинамических потенциалов недостаточно, поскольку системы функционируют в окружающей среде, которая может оказывать влияние на их работу. Для учета последнего обстоятельства введены эксергетические функции, обобщающие понятие потенциалов и учитывающие влияние среды. Аналогами свободной энергии и энтальпии являются функции и ( – внутренняя энергия, энтальпия и энтропия системы, – температура и давление окружающей среды). Разность эксергетических функций в двух состояниях, так же, как и разность термодинамических потенциалов, определяет максимальную работоспособность или эксергию.

Классическое определение эксергии как “максимальной работы, которую может совершить система в обратимом процессе с окружающей средой в качестве источника даровых тепла и веществ, если в конце этого процесса все участвующие в нем виды материи приходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды”, было дано Я.Шаргутом и Р.Петелой. Ими введены понятия эксергий потока вещества, физической эксергии (результат несовпадения температуры и давления системы и окружающей среды), химической эксергии (результат несовпадения химических потенциалов системы и окружающей среды), ядерной эксергии – максимальной работы, которая может быть получена за счет ядерных реакций вещества системы, эксергии теплоты,

и “[U10] эксергетической температуры”

.

К настоящему времени эксергетический анализ хоть и не стал общепринятым для большинства практических работников, широко применяется в исследованиях эффективности работы оборудования и установок в самых различных отраслях народного хозяйства: термодинамические циклы получения электрической (механической) энергии, теплоты и холода, процессы в химической технологии, металлургические процессы, теплообмен, разделение смесей.

Понятие эксергии лежит в основе современного эксергетического анализа, представляющего собой достаточно разработанный аппарат. Эксергетические методы позволяют учесть не только количественные, но и качественные характеристики энергоресурсов, используемых в различных элементах энергетических и технологических установок, а также оценить диссипативные потери в этих элементах и в установках в целом и определить эффективность использования энергии.

Лекция 11

Эксергетический анализ основан на уравнении эксергетического баланса, которое для произвольного числа потоков на входе и выходе рассматриваемого элемента установки (рис.1) имеет вид

,

где , , , – суммы эксергий потоков вещества и тепла на входе и выходе установки; , – суммарные работы, совершаемые окружающими телами над системой и системой над окружающими телами; – эксергетические потери.

Рис.6.1. Потоки эксергии теплоты и вещества [U11]

 

Уравнение эксергетического баланса замыкается эксергетическими потерями , характеризующими диссипацию энергии, а эффективность установки оценивается величиной эксергетического КПД

,

где – потоки эксергии, определяющие полезный эффект,

– потоки эксергии, определяющие затраты.

Эксергетические (энтропийные) потери могут быть найдены независимо по формуле Гюи-Стодолы

,

где – производство энтропии, вызванное необратимостью процессов (диссипативными эффектами). Величина определяется из уравнения баланса энтропии, играющего основную роль в термодинамике необратимых процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ[U12]

Кириллин, В.А. Техническая термодинамика: учебник для вузов / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, С.А. Шейндлин. – М.: Наука, 1991. – 512 с.

Архаров, А.М. Теплотехника: учебник для втузов / А.М. Архаров, В.Н. Афанасьев и др.; под общ. ред. А.М. Архарова, В.Н. Афанасьева. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. – 712 с.

Александров, А.А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. – М: Изд-во МЭИ, 2004. – 158 с.

Андрианова, Т.М. Сборник задач по технической термодинамике /. Т.М. Андрианова, Б.В. Дзампов, В.Н. Зубарев, С.А. Ремизов. – М.: Энергия, 2000. – 240 с.

Островская, А.В. Техническая термодинамика: учебное пособие в 2 частях / А.В. Островская, Е.М. Толмачёв, В.С. Белоусов, С.А. Нейская. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ–УПИ, 2009. – 155 с.

Александров, А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: А.А. Александров, Б.А. Григорьев. – М.: Изд-во МЭИ, 2003. – 168 с.

Дополнительная литература В.Н. Королёв, Е.М. Толмачёв. Техническая термодинамика / учебное пособие. Изд. 2-е. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. – 180 с. (10,7 печ. л.) .

Дополнительная литература

Базаров, И.П. Термодинамика. – М.: Высшая школа, 1991. – 376 с.