3.7. Эксергетический баланс и эксергетический кпд

При исследовании совершенства тепловых процессов путем составления энергетического (теплового) баланса не учитывается качество различных видов энергии. Поэтому энергетический баланс не дает возможности установить процессы, снижающие степень совершенства тепловой установки, и не позволяет произвести количественную оценку этих процессов.

Для того, чтобы выявить и количественно оценить причины снижения совершенства процесса и получить информацию о возможности повышения этого совершенства, нужен эксергетический анализ тепловых процессов. Для этого сначала составляют материальный и

энергетический балансы, а затем  эксергетический.

Материальный баланс основан на законе сохранения массы, а энергетический – на законе сохранения энергии. Закона сохранения эксергии не существует, поэтому эксергетический баланс вводится искусственно. Для этого исследуемую систему мысленно отделяют контрольной поверхностью, через которую происходит обмен энергией и веществом с окружающей средой, учитывают в нем внутренние потери эксергии, которые возникают в результате необратимых процессов, протекающих в пределах выделенной системы, и записывают входящие и выходящие потоки эксергии. Общее уравнение эксергетического баланса имеет вид

, (3.32)

где Ех₁ – эксергия веществ, поступающих в систему;

Ех₂  эксергия веществ, отводимых от системы;

∆Ех_и – приращение эксергии системы;

  приращение эксергии внешнего источника тепла, участвующего в теплообмене с окружающей средой;

L – работа, совершаемая системой;

 – внутренние потери эксергии в результате необратимости процессов в системе.

При составлении баланса нужно стремиться к возможно более подробной дифференциации потерь эксергии, чтобы получить как можно более подробную информацию о путях повышения совершенства процесса. Подводимые и отводимые потоки эксергии также нужно делить на составляющие. Эксергетический баланс, как и любой другой, можно представить графически, при этом ширина полос будет пропорциональна значениям представляемых величин.

Величины, входящие в уравнение эксергетического баланса, могут служить для определения эксергетического КПД. При расчете термического КПД не учитывается различное качество видов энергии. Поэтому термический КПД является показателем, позволяющим сравнивать только однотипные процессы, но не определяет степень совер

шенства процесса.

При расчете эксергетического КПД как полезный эффект, так и расходы, связанные с проведением процесса, выражаются с помощью эксергии или работы. Благодаря правильной оценке качества различных видов энергии, эксергетический КПД является мерой степени совершенства процесса. Чем меньше необратимость рассматриваемых изменений, тем больше эксергетический КПД. В пределе для идеального обратимого процесса он равен единице, для необратимого – нулю:

,

где   сумма потоков эксергии, которые определяют получаемый эффект;

  сумма потоков эксергии, которые определяют затраты.

Для реальных процессов 0 < <1. Сравнивая эксергетический КПД двух однотипных процессов, мы видим, что в процессе с более низким КПД существует возможность увеличения степени совершенства либо путем снижения необратимости в каком-либо звене процесса, либо путем улучшения использования выходящих продуктов.

Чтобы установить наиболее выгодный путь увеличения совершенства исследуемого процесса, нужно сравнить потери эксергии в отдельных звеньях процесса, а потом изучить возможности уменьшения тех потерь, которые наиболее заметно влияют на совершенство процесса. Например, эксергетический анализ показывает, что эксергетический КПД парового котла даже при самых современных технических решениях очень мал (не превышает 50 %). Вызвано это, прежде всего, необратимостью процесса горения и необратимостью теплообмена между продуктами сгорания и рабочим телом. Это говорит о том, что общий принцип, на котором основан данный тепловой процесс, выбран не наилучшим образом. Нужно менять принцип реализации данного процесса, то есть изменить принцип использования химической энергии топлива. Этот измененный принцип пытаются реализовать в магнито-гидродинамических (МГД) генераторах, в которых происходит непосредственное преобразование химической энергии топлива в электрическую.