Лекція 11 ступінь термодинамічної досконалості технічних процесів

Першим кроком на шляху модернізації будь-якого процесу є аналіз ступеня його досконалості і зіставлення його з іншими процесами, як призначеними для аналогічних цілей, так і тих, що стосуються родинних галузей техніки. Таке зіставлення дозволяє насамперед обґрунтувати вибір більш ефективного процесу із серії процесів, призначених для однієї мети, і визначити можливість і напрямки його поліпшення.

Як відомо, вирішальним при виборі процесу є техніко-економічний критерій – так називані приведені витрати:

З = (Зэ+nЗ_к)/П (7.1.)

де: З - приведені витрати, грн.. на одиницю кількості продукту;

Зэ - експлуатаційні витрати;

З_к - капітальні витрати;

n - коефіцієнт (звичайно n = 0,12-0,15);

П - кількість продукту

Однак зазначений критерій не завжди дає повну й об'єктивну інформацію про процес. Одна з труднощів – виникнення при комплексному виробництві двох або декількох продуктів. У цьому розповсюдженому випадку неясно, до якого продукту відносити витрати (або як їх розподілити).

Нерідко витрати відносять на один із продуктів, приймаючи, що він є головним. Наприклад, у виробництві аміаку усі витрати відносять звичайно на його собівартість, хоча в ході технологічного процесу як побічні продукти можна одержувати двооксид вуглецю, водяна пара й ін.

Іноді деяку частку витрат відносять на двооксид вуглецю, однак обґрунтувати цю частку буває важко. Якщо неможливо всі якісно різні види продуктів або енергії виразити в однакових одиницях, то неможливо їх строго врахувати в рівнянні (7.1).

Крім того, на загальний результат розрахунку по формулі (7.1) неминуче впливає кон'юнктура цін і, зокрема, цін на різні види енергії. Тому результат розрахунку по рівнянню (7.1) характеризує техніко-економічну ефективність процесу в даних економічних умовах, але може спотворити об'єктивні недоліки і переваги процесу, що відносяться до найважливішої проблеми: наскільки кваліфіковано використовуються в ньому паливно-енергетичні ресурси. Так, якщо у визначеному регіоні низькі ціни на електроенергію, то в цьому випадку може виявитися економічно вигідним процес, зв'язаний з високими її витратами. Однак такий результат звичайно буває наслідком необ'єктивного відображення якості енергії в її ціні.

У сучасних комплексних багатостадійних хімічних виробництвах застосовуються енерготехнологічні схеми, у яких на багатьох стадіях використовуються продукти і вторинна енергія, зроблені на інших стадіях. Так, у виробництві аміаку як теплоносія для регенерації абсорбенту при очищенні газу від СО₂ використовується парогазова суміш після конверсії оксиду вуглецю. Аналогічно для конверсії СО водяною парою використовується пара, введена у газову суміш раніше – на стадії конверсії метану при більш високій температурі. Далі на компресію газу для синтезу аміаку при 30 МПа надходить газ при тиску 2,5 МПа, що сам безпосередньо не піддавався компресії, а був отриманий при конверсії метану під тиском. У подібних випадках оцінити грошову вартість енергоносія важко. Тому особливу важливість здобувають натуральні показники (питома витрата тепла на 1 т продукту, питома витрата електроенергії і т.п.). Однак число цих показників найчастіше велике (відповідно до числа споживаних видів сировини й енергії), нерідко ці показники суперечливі (в одному процесі велика витрата електроенергії і низька витрата пари, в іншому – можлива зворотна картина). Це утрудняє або унеможливлює порівняння процесів.

Навіть у найпростішому випадку, коли виробляється один вид продукції і витрачається один вид енергії, розмір питомих витрат не цілком характеризує ступінь досконалості процесу. Так, в одному з методів виробництва аміаку затрачається тільки природний газ, і видатковий коефіцієнт метану на 1 т аміаку є найважливішим показником для порівняння як рівня техніки, так і рівня експлуатації на різних заводах. Однак значення тільки цієї величини без додаткового термодинамічного аналізу не дозволяє оцінити, які можливості її зниження.

У тих випадках, коли в процесі споживається кілька видів енергії, але виробляється один продукт, для зіставлення його з іншими процесами використовують так називану питому витрату енергії на одиницю продукту, що визначається на основі енергетичного балансу.

Э_у=Э/П (7.2)

При розрахунку питомої витрати підсумовують усі види енергетичних витрат незалежно від їхнього характеру і якості. Недоліки такого критерію частково розглядалися вище і зводяться до наступного.

1. При підсумовуванні різних видів енергії не враховується їхня якість, тобто здатність робити корисну роботу. При цьому складаються як самий якісний вид енергії – електрична, так і менш якісний – тепла вода, ексергія якої невелика.

2. Неможливо об'єктивно врахувати вторинні енергетичні ресурси. Будь-яка спроба зробити це приводить, як сказано в главі 1, або до завищення, або до заниження істинної витрати енергоресурсів, і при розрахунку тільки на основі енергетичного балансу результат свідомо не може бути правильним. Якщо суму вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР) віднімають із суми первинних енерговитрат, то занижують енергетичні витрати. Так, у прагненні довести «малу енергоємність» якого-небудь процесу виробництва аміаку, із суми підведеної до системи енергії (із природним газом) віднімають суму ВЕР (гаряча вода, пара) і одержують нібито досить низький видатковий коефіцієнт у ГДж/т NH₃, що вводить в оману дослідників. Якщо ж вторинні енергоресурси взагалі не враховують, то істинні енерговитрати виходять завищеними.

3. Неможливо правильно розподілити витрати енергії на різні продукти при комплексному їхньому виробництві.

Широко розповсюджений спосіб оцінки ступеня досконалості через «тепловий», або «термічний», ККД. Недоліки його були докладно розглянуті в главі 1. Таким чином, можна зробити висновок, що аналіз на основі тільки енергетичного балансу не цілком і перекручено характеризує процес у тих випадках (8), коли в порівнянних кількостях витрачається декілька якісно різних видів енергії (наприклад, тепло, холод на різних рівнях, електроенергія і т.д.), а також коли виробляється і корисно використовується кілька продуктів і потоків енергії.

З цього висновку випливає, що для об'єктивної оцінки ступеня енергетичної досконалості процесу необхідно застосовувати другий закон термодинаміки і, конкретно, ексергетичний метод.

Дійсно, під ступенем термодинамічної досконалості технологічного процесу можна розуміти ступінь його оборотності. В оборотному процесі сума ексергій потоків, підведених до системи, E⁺ дорівнює сумі ексергій потоків, відведених від системи, E^-. Отже, коефіцієнт корисної дії (ККД) оборотного процесу буде дорівнювати

_e=E^-/E⁺=1

У будь-якому реальному процесі внаслідок необоротності, тобто відповідно

_e=E^-/E⁺<1 (7.3)

Різниця E⁺-E^- =E - характеризує втрати ексергії в процесі, тобто

_e=E^-/E⁺=(E⁺-E)/ E⁺=1-E /E⁺ (7.4)

Величина E⁺ являє собою суму ексергій усіх видів енергії і сировини, підведених до системи (узагальнені енергетичні витрати), а E^- - це, власне кажучи, узагальнена валова продуктивність агрегату. Таким чином, ККД відбиває ступінь термодинамічної досконалості (ступінь наближення до оборотності) будь-якого процесу , будь то процес виробництва енергії, технологічний або енерготехнологічний процес. Розрахунок _e дозволяє по його абсолютній величині визначити ступінь термодинамічної досконалості процесу і, відповідно, доцільність пошуку способу зниження енергетичних витрат: визначити шляхом зіставлення значень _e для однорідних процесів (тобто процесів, призначених для однієї мети) найкращий у даних умовах метод (з погляду енергетики), а також визначити відносний вплив на ефективність процесу різних статей витрат, корисних ефектів, а отже, визначити доцільність застосування деяких способів поліпшення його показників (ефективність використання вторинних ресурсів, заміни одного джерела енергії на інший і ін.)

Нижче зіставлені енергетичний (тепловий) _Q і ексергетичний _e коефіцієнти корисної дії різних технічних пристроїв (21), розраховані на основі першого і другого законів термодинаміки:

1 закон ІІ закон

Електрогенератор 96-99 98

Електромотор 85-95 90

Акумулятор 75-90 80

Паровий казан 88-92 49

Дизельний мотор 30-44 36

Домашня газова плита¹ 60-85 13

Домашня піч¹на рідкому

паливі 45-70 11

Виробництво електроенергії

за допомогою пари, одержуваної

з кам'яного вугілля 33-42 36

Домашній електричний

тепловий насос 2,0-4,5 60(23)²

Домашній електричний

нагрівач 100(38)² 17(6,5)²

Домашній газовий

нагрівач води³ 30-70 17

Електричний кондиціонер

повітря⁴ 2,0-4,0 17(6,5)²

Примітки: 1.Температура нагрівання дорівнює 738^оС. Величина в дужках обчислена з урахуванням необоротності виробництва електроенергії і її передач (ККД=38%). 3.Вода нагрівається до 100^оС. 4.Температура охолодження повітря – 15^оС.

З приведених вище даних видно, наскільки велике розходження ККД, розрахованих на основі першого і другого законів термодинаміки, причому це розходження найбільш яскраво виявляється для теплових процесів, ексергетичний ККД яких, як правило, дуже малий.

Корисну інформацію можна одержати також зі значень втрат ексергія E як у процесі в цілому, так і на окремих його стадіях. Це дозволяє в першому наближенні оцінити причини і джерела втрат і намітити можливі напрямки удосконалення процесу, хоча остаточний висновок можна зробити лише після більш глибокого аналізу.

При розрахунку як ексергетичного ККД, так і ексергії виникає ряд методичних питань, що докладно будуть розглянуті нижче.