книги / Эксергетические расчеты технических систем

нию к системе она должна быть настолько большой, чтобы любое воздействие системы вызывало в ней лишь пренебрежимо малые изменения *. (Примерами такой среды могут служить атмосфера, литосфера, морская вода, космическое пространство). Кроме того, все компоненты окружающей среды должны на­ ходиться в полном термодинамическом равновесии. Это условие, строго гово­ ря, невыполнимо, так как в действительности в окружающей среде существуют градиенты температур, давлений и химических потенциалов. Однако для уп­ рощения решения подавляющего большинства термодинамических систем этими обстоятельствами можно пренебречь.

Параметры окружающей среды обычно принято считать постоянными. Но в ряде случаев (например, в авиационных системах при разных высотах, под влиянием климатических условий и др.) они могут изменяться.

Наряду с окружающей средой в окружении системы могут находиться объекты, отличающиеся от равновесной части теми или иными параметрами (например, температурой, давлением, химическим потенциалом и т. д.) и спо­ собные служить источниками вещества и энергии (или, другими словами,— источниками ресурсов, см. рис. 1 1) для рассматриваемой системы (залежи минерального сырья, топлива, сжатый газ, вода, находящаяся выше уровня моря, геотермальные воды, солнечное излучение, а для биологических объек­ тов —г пища).

Все расчеты, относящиеся как к источникам вещества и энергии, так и к самой анализируемой системе, должны в общем случае производиться поотно-

* Постоянство параметров окружающей среды может служить критерием экологиче­ ской устойчивости большой системы, включающей расположенные в данном регионе техни­ ческие и другие народнохозяйственные объекты и их окружение. Если способность окруже­ ния воспринимать и «перерабатывать» результаты воздействия этих объектов (эта способ­ ность иногда характеризуется английским термином «buffering capacity») будет исчерпана, то некоторые параметры окружающей среды начнут заметно изменяться. Например, при уве­ личении содержания диоксида углерода в атмосфере возникает так называемый парниковый эффект. На непосредственных результатах эксергетических расчетов такого рода изменения окружающей среды практически не сказываются, однако они должны вызывать тревогу и ‘побуждать к принятию мер для снятия экологической угрозы (подробнее см. §§J3_H 7 гл. 9).

шению к равновесной части окружения системы, т. е. к окружающей среде. Последняя играет роль уровня отсчета эксергии.

Очевидно, что окружающая среда и, следовательно, уровень отсчета долж­ ны выбираться соответственно реальной обстановке, в которой находится и работает технический объект. Если, например, рассчитывается установка опреснения морской воды, то в качестве окружающей среды нужно принимать морскую воду, если, напротив, технический объект использует пресную воду (например, для электролиза), то именно ее следует рассматривать как уровень отсчета эксергии. Поэтому на практике как уровень отсчета используется кон­ кретная, так называемая локальная окружающая среда.

Источники вещества и энергии могут быть использованы для «питания» системы и обеспечения ее непрерывного функционирования. Совокупность таких источников и окружающей среды составляет окружение, с которым вза­ имодействует рассматриваемая система. Кроме этого, естественно, в окруже­ нии данной системы могут находиться и другие системы, взаимодействующие с рассматриваемой.

Виды энергии и их превращаемость

В процессах преобразования энергии и вещества, опре­ деляющих работу технических систем, может участвовать энергия разных ви­ дов. 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 две груп­ пы по признаку их превращаемости. К первой относятся виды энергии, пол­ ностью без ограничений превращаемые в любые другие виды энергии, ко вто­ рой — те, которые не могут полностью быть преобразованы в любой другой вид энергии.

Виды энергии первой группы имеют энтропию, равную нулю (5 = 0), т. е. они не характеризуются энтропией. Энергию таких видов иногда называют «организованной» (англ, ordered energy, нем. georgnete Energie), или «безэнтропийной». Виды энергии второй группы имеют энтропию, отличную от нуля (5 > 0), т. е. они характеризуются энтропией, и энергию этих видов называют «неорганизованной» (нем. ungeorgnete Energie англ, disordered energy) или «энтропийной».

Согласно Второму началу термодинамики, в системе могут протекать толь­ ко такие процессы преобразования энергии, в которых суммарная энтропия участвующих в нем тел или растет, или (в обратимых процессах) остается по­ стоянной. Отсюда следует, что виды «безэнтропийной» энергии (первая группа) способны ко всем превращениям, поскольку при любом из них энтропия будет либо постоянной, либо станет возрастать, но не уменьшаться. Напротив, для всех видов энергии второй группы невозможны те превращения, которые ве­ ли бы к уменьшению энтропии системы. В частности, эти виды не могут пре­ образовываться полностью в какой-либо вид «безэнтропийной» энергии.

Любой вид «безэнтропийной» энергии, обладающей неограниченной пре­ вращаемостью, с технической точки зрения в общем случае ценнее, «ка­ чественнее», чем «энтропийной», поскольку из энергии первой группы всегда можно получить любую энергию второй группы, но не наоборот. Это

Такой мерой превращаемости служит эксергия, представляющая собой

количество работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обратимом взаимодействии термодинамической системы или по­ тока энергии с окружающей средой до установления полного равновесия.

При определении эксергии * нужно рассматривать прежде всего самую систему (или поток энергии), работу, отдаваемую внешнему приемнику энер­ гии, и окружение системы.

Система, для анализа которой используется эксергетический метод, может быть простой (например, некоторое рабочее тело в замкнутом объеме или по­ токе) и сложной (крупный энергетический, химический или другой агрегат, комплекс агрегатов, отрасль, регион, страна). Однако в любом случае следует рассматривать те характеристики системы, которые позволяют представить ее как термодинамическую.

Система может быть закрытой (без обмена вещества с внешней средой и (или) находящимися в ней объектами), открытой (при существовании такого обмена), стационарной (с параметрами, не изменяющимися во времени) и не­ стационарной.

Иногда целесообразно рассматривать эксергию потока энергии (напри­ мер, теплоты) безотносительно к системе, которая его произвела, учитывая только параметры этого потока.

Эксергия системы определяется не только действием системы, но и одно­ временным действием окружающей среды. Поэтому часто система, не отдавая энергию, может производить работу за счет окружающей среды (пример та­ кой системы — сосуд с газом, давление которого меньше атмосферного). При полном равновесии системы и среды эксергия равна нулю. Такое состояние системы называется нулевым (в англоязычной литературе его называют dead state — мертвое состояние).

Работа, которая согласно определению эксергии служит ее мерой, не обя­ зательно является необходимым конечным результатом, т. е. целью действия любой анализируемой системы или потока энергии. В современных условиях конечным результатом такого действия кроме работы могут быть преобразова­ ние и получение различных веществ, теплоты, холода, излучения нужных па­ раметров и т. д. Поэтому в определении эксергии слово «работа» можно заме­ нить более широким понятием «энергия, не характеризуемая энтропией». Ра­ бота используется лишь как мера такой энергии, но не как обязательная конечная цель энергетических превращений.

Согласно Первому и Второму началам термодинамики в каждом данном состоянии эксергия системы, так же, как и ее энергия, имеет определенное фиксированное значение, поскольку обратимый процесс выравнивания ее интенсивных параметров с параметрами окружающей среды однозначно ха­ рактеризуется работой. Взаимодействие системы с окружающей средой может

* Другие термины, ранее использовавшиеся для обозначения этой величины, практи­ чески вышли из употребления. В США и Великобритании использовался термин availability (пригодность или возможность использования), во Франции — utilisable energie (пригодная для использования энергия), в германоязычных странах — technische Arbeitsfahigkeit (тех­ ническая работоспособность), в СССР — работоспособность. Последние два термина не увя­ зываются с тем фактом, что во многих технических процессах преобразования энергии не происходит получения или затраты работы (теплообмен, ректификация, дросселирование, термоэлектрические и термомагнитные преобразования и др.).

проходить как обратимо (идеальный процесс), так и необратимо (реальный про­ цесс). В результате идеального процесса (по определению эксергии) получает­ ся работа, равная эксергии. Если процесс приостановлен до наступления рав­ новесия параметров системы и среды, то полученная работа равняется убыли эксергии системы.

В реальном процессе работа меньше убыли эксергии (в пределе работа может быть равна нулю), поскольку часть эксергии не превращается в ра­ боту, а исчезает. В этом состоит одно из существенных отличий эксергии от энергии. Эксергия подчиняется закону сохранения только в обратимых про­ цессах; во всех остальных случаях (реальные системы) она может частично или полностью исчезать, теряться в результате диссипации (рассеяния) энергии в необратимых процессах. Чем меньше при прочих равных условиях эта поте­ ря эксергии, тем термодинамически совершеннее процесс.

Эксергетический баланс

Уравнение эксергетического баланса универсально и пол­ ностью пригодно для любых термодинамических систем независимо от видов энергии, участвующих в процессе:

Здесь ДЕ — приращение эксергии системы между начальной и конечной точ­

Здесь ДW — приращение энергии системы между начальной и конечной точками процесса. В отличие от уравнения (1.2) неравенство (1.1) и уравнение (1.1а) опираются как на Первое, так и на Второе начала термодинамики, поскольку они отражают эксергетический баланс системы. Принципиальная разница между уравнениями (1.1) и (1.2) состоит в том, что во втором при всех условиях равенство правой и левой частей соблюдается, а в первом левая часть в реальных процессах всегда больше правой.

Таким образом, энергетический баланс по своей природе не может отра­ зить потери от необратимости процессов в рассматриваемой системе, так как независимо от степени ее термодинамического совершенства уравнение (1.2) будет всегда справедливо. Поэтому определение качественных энергетических характеристик системы по уравнению (1.2) производится в каждом случае ус­ ловно путем исключения из суммарной энергии 2 W той части энергии, кото­ рая в данном процессе не используется (или поступает из окружающей среды

разное содержание. Первый означает потерю энергии не вообще (энергия ис­ чезать, как известно, не может), а потерю ее для данной системы или данной цели, в случае, если часть энергии непригодна для нее по своей форме или па­ раметрам. Второй, напротив, означает, полное исчезновение эксергии, т. е. ее уничтожение, связанное с диссипацией энергии *.

На базе основных балансовых уравнений разработана единая методика решения ряда задач эксергетического анализа. Величины 2 Е и АЕ в каждом случае включают эксергию тех видов вещества и энергии, которые входят в энергетический баланс рассматриваемой системы. Как правило, это эксергия потока рабочего тела Е, эксергия теплового потока Eqt а также работа L (рав­ ная энергии W для механической или электрической энергии).

Величина АЕ (в стационарных процессах она равна нулю) определяется приращением эксергии вещества в объеме.

Определение и классификация видов эксергии

Все виды «безэнтропийной» энергии (1, 2, 5 и 7 по табл. 1.1) полностью превращаемы (см. с. 13). Для механической (кинетической и потенциальной), электрической (электростатической и электродинамиче­ ской) и ядерной энергии эксергия просто равна (в любых условиях) энергии. Специального расчета эксергии здесь не требуется, поэтому из дальнейшей классификации все эти составляющие эксергии исключаются.

Для определения эксергии «энтропийной» энергии, т. е. тех ее видов, ко­ торые полностью не превратимы один в другой, виды эксергии делятся по признаку наличия или отсутствия тела — носителя эксергии. К первым отно­ сится эксергия вещества в объеме Е0ив потоке £, ко второму — эксергия из­ лучения в объеме**,эксергия теплового потоками потока излучения Ен. На­ иболее важны для практики эксергия вещества в потоке Е и эксергия теплово­ го потока Eq.

Эксергия вещества в потоке Е классифицируется в зависимости от вида энергетических взаимодействий с окружающей средой. Обобщенных сил, со­ ответствующих таким взаимодействиям (если исключить электрические, маг­ нитные и т. д.), три: температура Т (термическое взаимодействие), давление р (деформационное) и химический потенциал р (реакционное и концентраци­ онное). Два вида взаимодействия, связанные с химическим потенциалом, от­ личаются тем, что для их осуществления необходим обмен веществом с окружа­ ющей средой.

Обычно для удобства термическую и деформационную эксергию объеди­ няют в один вид под общим названием термодефюрмационной (или чаще термо-

*Отсюда и обозначение потери эксергии через D (или для удельных величин d).

**Эксергия излучения в объеме далее не рассматривается. Ее определение описано

в[190].

Именно к такой цели стремятся разработчики так называемых безотходных производств.

В целом уравнение эксергетического баланса системы, если учесть его сос­

Значения всех величин эксергии на входе и выходе системы не могут быть определены чисто термодинамическим путем. Здесь необходима дополнитель­ ная информация — данные о работе системы, полученные при ее испытании или расчетным путем с привлечением других наук (гидрогазодинамики, теории тепломассообмена, химической кинетики, термодинамики необратимых процессов ит. д.). Величина суммарных потерь эксергии 2 D превращает неравенство типа (1.1) в равенство типа (1.1а). Тем самым не только констатируется наличие по­ терь от необратимости процессов, но и создается возможность точно опреде­ лить их количественно.

Для целей эксергетического анализа знание потери эксергии от необрати­ мости D и ее составляющих имеет определяющее значение.

В общем случае потоки эксергии, которые в соответствии с рис. 1.2 и урав­ нением (1.4) могут проходить контрольную поверхность системы или накапли­ ваться в системе, включают составляющие, перечисленные в табл. 1.2, каждая из которых имеет свои специфические характеристики. Рассчитываются они по методикам, приведенным в гл. 3.

§ 3. Классификация технических систем по виду производимой продукции

Общие положения

Независимо от назначения (т. е. вида выпускаемой про­ дукции) технических систем принципиальные основы методики расчетов оста­ ются неизменными. Однако конкретные подходы к каждому классу систем

Технические системы производства изделий

Втехнических системах производства изделий на

выходе получается такая продукция, ценность которой нельзя измерить в энер­ гетических единицах. Например, обувь, книги, автомобили или колбаса не могут характеризоваться энергией или эксергией ни с количественной, ни с качественной стороны. Следовательно, сопоставление входа и выхода системы или ее части для определения потерь и эффективности посредством уравнений (1.3) и (1.4) здесь невозможно. Это не значит, что к таким системам нельзя при­ менять эксергетический метод расчета. В двух частных случаях эксергетические анализ и совершенствование этих систем производства изделий не только возможны, но и целесообразны. Первый — когда на входе системы нет изде­ лий, а есть потоки вещества и энергии, для которых возможна оценка эксергии или энергии. В этом случае применяются так называемые смешанные эксергетические характеристики, определяющие расход эксергии любых видов на еди­ ницу получаемого изделия, т. е. удельный расход эксергии. Задача при этом сводится к нахождению путей минимизации этого удельного расхода.

Второй — когда в технологической цепочке систем производства изделий можно выделить звенья, подсистемы, элементы, в которых вход и выход ха­ рактеризуются только потоками вещества и энергии. Здесь задача сводится к опенке и совершенствованию соответствующих подсистем, а через них и системы в целом.