книги / Эксергетические расчеты технических систем

Напряжение элемента U = 2,22 В, поляризация и омические потери в зонах

топливных элементов происходит превращение химической энергии топлива и окислителя в электрическую, в химическую формы энергии, теплоту и из­ лучение. В электрохимических установках на основе электролизных элемен­ тов электроэнергия и химическая энергия исходных веществ превращается в химическую энергию продуктов реакции. И в том и в другом типе устано­

Рис. 6.4. Схема потоков эксергии в гидразин-кислородном генераторе:

£, — потоки эксергии теплоносителей, соответственно, на входе в теплообменник, на выходе из теп­

штриховыми линиями показаны контрольные поверхности ЭУ и ее подсистем: /, //, / / / , IV , V — соответственно батареи электролизных элементов (БЭЭ), блоков сепарации газожидкостных растворов, очистки и осушки электро­ лизных газов (блока СОО), теплообменников (ТО) насосов ЭУ, верхний ин­ декс «1» в обозначениях показывает принадлежность к катодному контуру, «2» — к анодному.

Для ЭУ производимая эксергия в общем случае — это суммарная эксергия веществ и теплоты, выработанных системой. Такая эксергия, генерируе­ мая в единицу времени, характеризует эксергетическую мощность электро­ лизной установки.

Для ЭУ и ее подсистем потребляемая эксергия — это количество эксер­ гии, необходимое для создания полезного эффекта, т. е. сумма эксергии по-

Для электролизера воды из общей схемы ЭУ рис. 6.6 второй насос-до­ затор исключается. Тогда на схеме электролизера воды поток электроэнер­

гии А\ и потоки эксергии Е\, £ р.а будут отсутствовать, а поток Е\ будет на­ правлен в блок IV1 (штрихпунктирная линия на рис. 6.6).

В рассматриваемой схеме вода подается в насос ЭУ извне, а газы уда­ ляются из батареи вместе с электролитом. Эксергетическая производитель­ ность электролизной установки 1500 Дж/с. Температура и давление окружа­ ющей среды Т0.с = 298 К, р0.с = 0,1013 МПа. Напряжение на элементе в батарее 1,95 В. Концентрация электролита КОН — 6 моль/л. Параметры в точках схемы ЭУ указаны в табл. 6.16.

Таблица 6.17, Расчетные формулы и значения КПД для электролизера воды

ГЛАВА

7

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

§ 1. Общие положения

При термодинамическом анализе и оптимизации техни­ ческих систем на основе эксергетического метода существуют два уровня ре­ шения соответствующих задач.

Первый — статический, на котором система рассматривается на каждом этапе расчетов как находящаяся в стационарном состоянии и все без исключения ее параметры (расходы рабочих тел, температуры, давления и т. д.) постоян­ ны. В этом случае, пользуясь значениями эксергии потоков вещества и энер­ гии в соответствующих точках схемы, можно определить все основные энерге­ тические характеристики как системы в целом, так и ее отдельных элементов (внутренние Dt и внешние De потери эксергии, КПД системы це и ее элемен­ тов r\ei). Кроме этого, имеется возможность вычислить долю потерь, приходящу­ юся на каждый элемент системы, и выделить элементы, в которых*потери наи­

кая информация о потерях и КПД делает возможной термодинамическую оп­ тимизацию системы с помощью снижения потерь от необратимости (и, соответ­ ственно, повышения КПД). Новый усовершенствованный вариант технической системы (или любой ее части) может быть снова подвергнут анализу. Примеры статического анализа приведены в гл. 4—6, подробно такой анализ и некото­ рые примеры для более сложных случаев даны в § 2—4 гл. 7.

Второй уровень решения задач — динамический — отличается тем, что техническая система рассматривается в условиях, когда ее параметры меня­ ются. Воздействуя на элементы системы, изменяют потери и КПД в них так, чтобы выйти на оптимальные, с точки зрения термодинамики, характеристики системы в целом. При этом оказывается, что потери в элементах уже неэкви­ валентны. Например, их уменьшение на 1 кВт в некотором элементе i может дать на входе в систему, например, 5 кВт, а в элементе k то же уменьшение дает на входе не снижение, а даже увеличение потерь. Это объясняется

чается из нее) какое-то количество теплоты Q0.c, суммарная потеря эксергии определяется как

D = T0.C2AS, = Г0.с ($2-- Sl) + (G3 + G6) S4 — G3S3 — G6s6

В общем случае

отличаются по составу от входящих, то в выражение (7.4) следует подстав­ лять абсолютные значения энтропий входящих и выходящих потоков. Эти значения приводятся в соответствующих таблицах термодинамических свойств веществ, например для некоторых, наиболее часто встречающихся,— в [173]. Потери эксергии могут быть подсчитаны и по эксергетическому ба­ лансу (см. гл. 5).

Переход энергии в теплоту

Диаграмма в координатах температура — энтропия поз­ воляет дать графическую интерпретацию потерь эксергии в необратимых процессах. При переходе энергии любого вида в теплоту рабочее тело нагре­ вается и его параметры изменяются, например, от состояния 1 до состояния 2 (рис. 7.2). Затраченная первичная энергия W полностью равна теплоте Q, переданной рабочему телу, и на TS-диаграмме может быть представлена в виде площади фигуры 1245. Теплота в другой вид энергии уже полностью не может быть преобразована. Потеря эксергии при таком переходе энергии из организованной в неорганизованную изображается площадью прямо­ угольника 3456. Эта площадь представляет собой анергию* Aqтеплоты. Та­ ким образом, графически <3 = Е„ + А„. Здесь Е„ — эксергия теплоты; гра­ фически равная площади фигуры 1236. А„ — анергия теплоты, графически равная площади прямоугольника 3456.

Теплообмен при конечной разности температур

Предположим, что в теплообменнике энергетической установки происходит теплообмен между двумя потоками вещества без потерь теплоты в окружающую среду при конечной разности температур (рис. 7.3). Горячий теплоноситель, охлаждаясь от состояния 1 до состояния 2, отдает теплоту Q, графически изображаемую площадью фигуры 1256, холодному теплоносителю, нагреваемому от состояния 3 до состояния 4. Так как потерь теплоты в окружающую среду нет, то площадь фигуры 1256 равна площади фигуры 3475. Потеря эксергии графически изображается площадью прямо­ угольника 9876, поскольку

D = T0.c2As = То.с («г — s1 + si — sa) = T о.с (s4 — sx) = Т0.с (s7 — s„).

* Анергия — непревратаемая в другие виды энергии часть теплоты. Понятие введена

3. Рантом.

Рис. 7.2. Графическая интерпретация на Ts-диаграмме потерь эксергии при подводе теплоты к рабочему телу

Рис. 7.3. Графическая интерпретация на ^-диаграмме потерь эксергии при теплообмене с конечной разностью температур

Потери эксергии при адиабатном трении и дросселировании

Потери эксергии при адиабатном трении и дроссели­ ровании графически рассчитываются с помощью рис. 7.4, где линия 1—2 изо­ бражает политропный процесс расширения рабочего тела в турбине, линия 1—10 — процесс дросселирования и линия 1—3 — идеальный изоэнтропийный процесс расширения. Потеря эксергии при внутреннем трении

графически равна площади фигуры 5467. Потеря эксергии при дросселировании

^др = То.с (s10 SA) графически равна площади фигуры 5897.

Потери эксергии при передаче теплоты в окружающую среду

Процесс передачи теплоты в окружающую среду графи­ чески интерпретируется на рис. 7.5. Предполагается, что охлаждающий агент имеет столь низкие параметры, что его использование нецелесообразно. Тепло­ та, отдаваемая окружающей среде Q0т, равна площади фигуры 1234. Ее эксергия, равная площади фигуры 1256, и есть потеря эксергии в окружающую среду. Ее можно получить еще как

D = Т'о.с ^S2 Si И J j = Qor — То .с (s6 — s5).

Изменение схемы и параметров многоцелевой установки приводит к изме­ нению соотношения между вырабатываемой полезной продукцией и затратами первичной энергии (эксергии) на создание установки. Следовательно, изме­