- •Введение
- •Единицы измерения энергии
- •Лекция 2
- •Классификация Энергоресурсов (эр)
- •Лекция 3
- •Возобновляемые энергоресурсы Гидроэнергетика
- •Энергия ветра
- •Солнечная Энергия.
- •Геотермальная энергетика
- •Возобновляемое органическое топливо
- •Лекция 4
- •Научные основы рационального использования энергоресурсов Энергетический баланс технологических процессов.
- •Эксергетический метод термодинамического анализа.
- •Понятие и свойства эксергии.
- •Основное уравнение для расчета термомеханической эксергии.
- •Принципы расчета химической эксергии.
- •Лекция 5
- •Термическая эксергия каждого потока
Эксергетический метод термодинамического анализа.
Условия окружающей среды оказывают решающее влияние на способ реализации промышленных процессов. Например, производство энергии за счет сжигания топлива использует окислитель из окружающей среды и сбрасываются в нее продукты сгорания. В тепловых циклах окружающая среда используется как один из тепловых резервуаров. В химико-технологических процессах сырьем служат вещества из окрущающей среды воздух, Н2О, N2, O2, Ar,CH4 и т.п. Вещества окружающей среды могут использоваться в технологических процессах без обработки воздух, вода или с изменением их химического состояния. Ценность веществ тем больше ( т.е. затраты на их получение ), чем больше их состояние отличается от состояния в окружающей среде. Технологические процессы конечно оказывают влияние на состояние окружающей среды, но, как правило, состав и температура ее остаются постоянными даже вблизи крупных производств.
Понятие и свойства эксергии.
Ценность энергии и вещества существенным образом зависит от их параметров: температуры, давления и состава. Мера энергетической ценности материи по отношению к окружающей среде названа эксергией ( З.Рант 1955 г.)
Эксергия материи является максимальной работой, которую эта материя может совершить в обратимом процессе с окружающей средой, которая выступает в качестве дарового источника энергии, если в конце процесса все виды материи приходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды.
( Шаргут Я.)
В соответствии с этим определением эксергия окружающей среды должна быть равна нулю.
Эксергия является аналогом энергии Гиббса, но отличие состоит в том, что она относится к новому стандартному состоянию, отличному от того, которое принято в термодинамике. За стандартное состояние при расчете эксергии принимается состояние окружающей среды или локальной окружающей среды.
, ,следовательно, ,где
индекс “0” относится к окружающей среде. это эксергия окружающей среды и она постоянна. Тогда или
Сопоставление свойств энергии и эксергии:
Энергия H |
Эксергия Е |
зависит только от параметров вещества |
зависит также и от параметров окружающей среды |
справедлив закон сохранения энергии |
эксергия материи может исчезнуть полностью |
возможность превращение одного вида энергии в другой ограничена вторым начало термодинамики |
в обратимых процессах для трансформации эксергии не существует ограничений |
Рант дал иное определение эксергии.
Эксергия по Ранту, та часть энергии которая может быть
превращена в любой другой вид энергии.
Для непревратимой в другие виды энергии части Рант предложил название анергия. Трансформация анергии в эксергию невозможна, но обратный переход происходит в необратимых процессах. Однако, утверждение Ранта о способности превращения эксергии в любой вид энергии вызывает некоторые возражения.
Это уравнение Гюи-Стодолы. Оно характеризует количество энергии (работы), безвозвратно потерянной в системе в следствие ее термодинамического несовершенства.
Потери эксергии, определенные по уравнению Гюи-Стодолы, безвозвратны и не могут быть возвращены даже частично.
Потери эксергии, определенные по уравнению Гюи-Стодолы можно складывать. Различают внешние и внутренние потери эксергии. Внешние потери численно равны эксергии отходов полностью смешанных с окружающей средой. Внутренние потери возникают в результате необратимых процессов, протекающих в исследуемой установке. Потери эксергии в сложных системах-установках можно разделить по месту и времени. Хотя такое разделение часто удается сделать при условии введения дополнительных приближений независимость, адиабатичность и т.д.
Степень термодинамического совершенства технических процессов.
Анализ степени совершенства производства на основе энергетического баланса энергетического к.п.д. может приводить к искаженным результатам. Иногда для характеристики процессов используют понятие относительной работоспособности
Этот параметр наглядно показывает какую долю энтальпии можно превратить в работу.
Объективную оценку степени термодинамического совершенства процессов можно получить на основе эксергетического анализа. Если сумма эксергии, подведенных к системе потоков, а сумма эксергии выходящих-конечных потоков, то эксергатический к.п.д.
Только для обратимых процессов Е =1. Эксергетический к.п.д. может быть рассчитан для всего производства, отдельной стадии или установки, одного аппарата или технологического узла. Такому выражению Е присущи определенные недостатки. Например,если поток вещества идет через реактор с неактивным катализатором, степень химического превращения 0, а
Е 1. Однако, такой процесс бесполезен. В таких случаях обычно исключается часть эксергии, транзитом проходящая в системе-аппарате. Тогда
Однако и этот способ определения Е не всегда эффективен. Например, при химической реакции часть эксергии затрачивается на нагревание реакционной смеси, увеличение объема, т.е. переходит в термомеханическую эксергию. Применять понятие о транзите эксергии и нужно дополнительно учесть долю эксергии в ее бесполезных преобразованиях. Тогда
где произведенная полезная эксергия, а убыль эксергии, связанная с производством полезной эксергии. Такой к.п.д. называют эффективным. Последнее уравнение допускает определенный проивол в расчетах. Поэтому нужно очень тщательно обосновыватьпроцедуру расчета
, . При детальных расчетах может оказаться, что Е < 0. Появление отрицательных к.п.д. означает, что цель, сформулированная при расчёте не достигается.