Эксергетический анализ теплоиспользующего оборудования

1.3. Эксергетический анализ теплоиспользующего оборудования

Вся техника работает на основе использования различных видов энергии: тепловой, механической, электрической, биологической и т.д. Объектами исследования являются технические системы (тепло­электростанции, теплообменные аппараты, компрессионные установки, холодильные установки и т.д.). При изучении, проектировании, эксплуатации и совершенствовании техники важную роль играет энергетический анализ технических систем. Существует два вида технических систем: энергетические и технологические. Энергетические технические системы предназначены для преобразования энергии (электростанции, тепловые, теплосиловые, теплонасосные, холодильные установки), технологические технические системы - для преобразования вещества (сушка, кристаллизация, растворение, абсорбция). Такое разделение условно, поскольку процессы преобразования вещества неразрывно связаны с преобразованием энергии и наоборот.

Задачи термодинамического анализа:

1. Оценка и сопоставление энергетических ресурсов различных видов.

2. Определение   принципиальной   возможности   осуществления данного процесса.

3. Распределение затрат топлива и энергии.

4. Оценка технического уровня оборудования и пути повышения эффективности данного процесса или оборудования.

Термодинамический анализ включает в себя:

• заранее известные термодинамические параметры системы (см. параметры состояния термодинамической системы);

• материальные и энергетические балансы на основе законов сохранения вещества и энергии, первого начала термодинамики;

• второе   начало   термодинамики   (постоянство   энтропии   в обратимых процессах и ее возрастание в необратимых);

• эксергетический баланс.

В технических системах участвуют различные виды энергии. Несмотря на их единство, отражаемое первым законом термодинамики, виды энергии различаются по их превратимости в другие виды, например электрической в тепловую энергию, тепловой в механическую, механической в электрическую и т.д. Поэтому целесообразно разделить все виды энергии на две группы:

• полностью, без ограничений переводимая в другие виды энергии;

• не полностью переводимая в другой вид энергии.                                                                                                                                                                                                                                                                                    Первая группа - энергия, полностью переходящая в другие виды,

называется «организованной» или «безэнтропийной», энтропия этих видов энергии равна нулю (электрическая, механическая, ядерная). Вторая группа -энергия, которая ни при каких условиях не может полностью перейти в другие виды, называется «неорганизованной» или «энтропийной», энтропия этих видов энергии отлична от нуля (тепловая, химическая).

Любая «организованная» энергия, обладающая неограниченной превратимостью с технической точки зрения, всегда может перейти в энергию второй группы, т.е. «неорганизованную», но «неорганизованная» энергия ни при каких условиях не может быть переведена в энергию первой группы, т.е. «организованную».

Возможности взаимного преобразования одних видов энергии в другие

Виды энергии		№ п/п	1	2	3	4	5	6	7
Механическая (работа)		1	+	+	+	+	+	+	+
Электрическая		2	+	+	+	+	+	+	+
Внутренняя энергия тела	молекулярная	3	-	-	+	-	-	+	-
	химическая	4	-	-	+	-	-	+	-
	ядерная	5	+	+	+	+	+	+	+
Энергия в переходе	теплота	6	-	-	+	-	-	-	-
	работа	7	+	+	+	+	+	+	+

Знак « + » означает полную превратимость энергии, « - » ограниченную превратимость данного вида энергии в другие виды энергии.

Общая мера технической ценности энергии любого вида называется эксергией:

Эксергия. Ее виды и составные части. Окружающая среда

Эксергия - свойство термодинамической системы или потока энергии, характеризуемое количеством работы, которая может быть получена внешним объектом (приемником энергии) при обратимом взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия. Рассматриваемый объект включает в себя саму систему (или поток энергии); окружающую среду; эксергию (максимально возможную работу), отдаваемую внешнему приемнику; объекты внешней среды - приемники энергии.

Термодинамическая система может быть открытой или закрытой, адиабатной или политропной, стационарной или нестационарной.

Окружающая среда характеризуется неизменностью параметров (давление, температура, химический состав) во времени, т.е. окружающая среда по отношению к термодинамической системе настолько большая, что обмен рассматриваемой системы энергией не вызывает изменения параметров окружающей среды. Примерами окружающей среды могут служить атмосфера, гидросфера, космическое пространство. Компоненты окружающей среды находятся в полном термодинамическом равновесии. Наличием градиента температур, давлений и химических потенциалов можно пренебречь.

Если параметры рассматриваемой системы (давление, температура, химический состав) отличны от параметров окружающей среды, то эта система обладает эксергией и может произвести и отдать некоторое количество энергии в форме внешней работы. Если параметры термодинамической системы сравнялись с параметрами окружающей среды, то ее эксергия равна нулю (т. е. она обладает нулевой эксергией или находится в нулевом состоянии). За ноль эксергии для атмосферного воздуха принята температура t₀ = 0°С и давление Р_о = 1,01 • 10³ Па. Примером термодинамической системы, обладающей эксергией, отличной от нуля, может служить газ, находящийся в цилиндре с поршнем, имеющий давление и температуру, отличные от атмосферных.

Процессы взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой или внешними объектами связаны с подводом или отводом вещества (смешение или разделение), подводом или отводом теплоты (нагрев или охлаждение), получением или затратами работы (расширение или сжатие).