Принципы эксергетического расчета как составляющей термодинамического анализа

Термодинамическая эффективность теплового оборудования и ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В НЕМ

ВВЕДЕНИЕ

Весьма обобщенно, задача теплотехника, – создать эффективные способы массового производства и использования энергии различных видов.

Наука - «теплотехника» или область практической деятельности по использованию результатов фундаментальной науки?

 Ответ на этот вопрос зависит от того, как мы расшифровываем термин "эффективный способ", от принятых критериев эффективности. Если на первый план выдвигаются экономические критерии, такие как себестоимость произведенной энергии или прибыльность производства, то «теплотехника» есть область предпринимательства в сфере реализации научных знаний.

Если же за критерии брать натуральные показатели, такие как расходы сырья и энергии на получение единичного количества продукта (различных видов энергии) и интенсивность процессов (скорость трансформации вещества и энергии в единичном объеме аппаратуры), то задачи, стоящие перед теплотехником, представляются как сугубо научные: создать такие системы, в которых единичное количество продукта (энергии, транспортируемого вещества) производится из минимального количества сырья, при минимальном потреблении энергии и при максимальной скорости процесса. При этом теплотехник действует в рамках, предопределенных фундаментальными законами природы.

И в этом смысле теплотехника есть часть науки, естественное продолжение или расширение термодинамики и теории тепломассообмена, но с опорой в равной степени и на макроскопическую физику и механику.

Вышесказанное объясняет, почему изучение показателей термодинамической эффективности теплового оборудования и тепломассообменных процессов в нем особенно важно.

Основное внимание в предлагаемом курсе уделяется наиболее "наукоемким" критериям, характеризующим степень термодинамического совершенства теплового оборудования и тепломассообменных процессов в нем.

Выделение этого вопроса продиктовано тем значением для устойчивого развития цивилизации, которое приобретают в современную эпоху проблемы ресурсо- и энергосбережения и снижения антропогенного воздействия на окружающую среду. Выпускниками академии вопросы ресурсо- и энергосбережения должны пониматься не на общегражданском уровне контроля за показаниями счетчиков воды, газа и электричества, а на фундаментальном уровне второго начала термодинамики, уровне управления процессами генерации энтропии.

Содержание этой части курса неизбежно пересекается с содержанием предшествующего курса – "Техническая термодинамика".

В приложении к проблемам теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования положения термодинамики предстают перед изучающим предмет в новых "одеждах", а именно, в "потоковом" выражении. Уравнения термодинамики характеризуют теперь изменение состояния не статичной порции вещества, а потока вещества, проходящего через технологическую систему. Аналогичным образом вместо количеств энергии, теплоты или работы, воспринимаемых (отдаваемых) порцией вещества, в термодинамическую модель технологической системы входят потоки теплоты и работы и скорости возникновения энтропии в системе.

Как раз в приложении к задачам технологии такие ключевые абстрактные понятия термодинамики как полезная работа системы и максимальная работа системы приобретают совершенно конкретное и ясное содержание.

Таким же конкретным и ясным содержанием наполняется понятие скорости возникновения энтропии. Центральное уравнение термодинамики неравновесных процессов, выражающее скорость роста энтропии как сумму произведений потоков и движущих сил, позволяет вовлечь весь арсенал макроскопической механики, и физики в дело разработки термодинамически более совершенных технологических систем.

В курсе лекций принята терминология, рекомендованная Комитетом научно-технической терминологии АН СССР, (Термодинамика, Сб. определений, Вып. 103, Изд-во "Наука", М. 1984) и обозначения, рекомендованные (Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd Edition, IUPAC, 1993).

ТДЭФФ-1

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЕ  К ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Принципы эксергетического расчета как составляющей термодинамического анализа

В современном тепловом оборудовании, связанном с превращениями вещества и энергии, важное место занимают объекты, создание и усовершенствование которых требуют термодинамического анализа.

Классический аппарат термодинамики часто оказывается недостаточным для решения задач повышения эффективности теплотехнического оборудования; необходимо не только его дальнейшее развитие, но и сопряжение с элементами системного подхода и экономики.

Под влиянием этих требований был разработан эксергетический метод.

Его основополагающая идея заключается во введении наряду с фундаментальным понятием энергии, дополнительного показателя эксергия, который позволяет учесть тот факт, что энергия в зависимости от внешних условий может иметь разную ценность для практического использования (например, одно и то же количество теплоты при различном температурном потенциале источников).

Расчеты балансов и различных характеристик технических систем с учетом эксергии дают возможность более просто и наглядно решать множество научных, технических и технико-экономических задач. Они помогают исключать ошибки, связянные с игнорированием качественной стороны энергетических превращений.

1.2 Физические основы понятия «эксергия»

1.2.1 Система и условия использования эксергетического метода

Эксергетические методы используют для анализа и оптимизации технических систем, работа которых происходит в условиях взаимодействия с независимым от системы окружением.

Эксергетический метод можно использовать для таких технических систем, в которых существенное место занимают энергетические превращения, изучаемые с применением ВТОРОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ играет определяющую роль всегда. Т.е. в энергетических превращениях большое значение должны иметь такие, которые характеризуются отличной от нуля энтропией.

Поэтому механические, электрические технические системы, если процессы в них не соспровождаются существенными диссипативными эффектами, не изучаются методами термодинамического анализа, следовательно, и применение эксергетического метода для них не имеет смысла.

Эксергетический метод применяется для двух видов технических систем:

1) Предназначенных для пребразования энергии (теплосиловые, газотурбинные установки, ДВС, теплонасосные, холодильные, когенерационные установки, криогенные установки);

2) Предназначенные для преобразования вещества (химические, металлургические, пищевые производства).

Такое разделение условно, т.к. процессы преобразования вещества и энергии неразрвыно связяны друг с другом.

1.2.2 Виды энергии и их превращаемость

В процессах взаимного превращения энергии и вещества участвуют энергии разных видов.

Несмотря на их общность, отражаемую ПЕРВЫМ НАЧАЛОМ ТЕРМОДИНАМИКИ, существуют и ограничения превращаемости одного вида энергии в другой, определяемые ВТОРЫМ НАЧАЛОМ ТЕРМОДИНАМИКИ.

Поскольку эти ограничения имеют важнейшее значение для практики, все виды энергии делятся на 2 группы по признаку их превращаемости.

I группа энергий:

Виды энергий, которые полностью, без ограничений превращаются в любые другие виды энергии. Виды энергии I группы имеют энтропию, равную нулю: S = 0. Энергию таких видов наз. «организованной» или «безэнтропийной».

II группа энергий:

Виды энергий, которые не могут быть полностью преобразованы в любой др. вид энергии. Виды энергии II группы имеют энтропию отличную от нуля: S > 0. Энергию таких видов наз. «неорганизованной» или «энтропийной».

Согласно ВТОРОМУ НАЧАЛУ ТЕРМОДИНАМИКИ, в системе могут протекать только такие процессы преобразования энергии, в которых суммарная энтропия участвующих в нем тел или возрастает или (в обратимых процессах) остается постоянной (ΔS ≥ 0).

Следовательно, все виды «безэнтропийной» энергии (I группа) способны к любым превращениям, т.к. при любом превращении энергии энтропия будет либо возрастать либо оставаться постоянной.

Для видов энергии II группы однозначно невозможно превращение полностью в какой либо вид «безэнтропийной»энергии.

Любой вид «безэнтропийной»энергии, обладающий неограниченной превращаемостью, с технической точки зрения ценнее «качественнее», чем любой вид «энтропийной» энергии.

Это утверждение справедливо как для видов энергии, носителями которой являются транспортируемые тела (например, внутренняя энергия вещества – горячей воды), так и для видов энергии, находящихся в процессе перехода от одних тел к другим (тепло и работа любого вида).

Таблица 1.1 – Возможности взаимного преобразования видов энергии

☺- Полное преобразование видов энергии I группы в энергию II группы;

☻- неполное преобразование.

Механическая, электрическая, ядерные (количество выделяющейся энергии при ядерных реакциях настолько велико, что энтропийной составляющей можно пренебречь) энергии и работа – относятся к I группе.

Молекулярная и химическая энергии, а также теплота – ко II группе. Все виды энергии I группы при взаимных преобразованиях полностью превращаются один в другой независимо от параметров окружающей среды.

В случае преобразования энергий II группы – чем меньше разность интенсивных параметров среды и рабочего тела технической системы – тем меньшая часть энергии может быть преобразована.