В идеальном процессе взаимодействия систем с окружающей средой определяется работа, равная эксергии.
Лекция №1
Роль энерго- и ресурсосбережения в энергетической политике страны. Потенциал энергосбережения, пути его использования. Два подхода к исследованию энергетических превращений в технических системах. Задачи термодинамического анализа
Научно обоснованный анализ всей последовательности энергетических превращений в промышленности существенно важен для успешного проведения активной энергосберегающей политики.
Этот анализ должен начинаться от первичных энергоресурсов и сырья, а завершаться на стадии вторичных ресурсов и отходов с учетом их экологических воздействий.
Большое внимание, уделяемое в последнее время энерго - и
ресурсосбережению, вызвано, в первую очередь, тем, что выявились проблемы, связанные с ограниченностью природных ресурсов. К тому же имеет значение неравномерность расположения топливно - энергетических ресурсов в различных регионах, истощение наиболее богатых месторождений топлива, общее повышение цен на мировом топливном рынке.
В среднем по нашей стране потенциал энергосбережения составляет 30-35% потребления различных видов энергии, а затраты на любое энергосберегающее мероприятие в 2-3 раза меньше, чем на добычу и производство энергоресурсов. Этим объясняется актуальность проблемы энерго-и ресурсосбережения.
Энерго- и ресурсосбережение - это возможность получения дополнительного эффекта за счет более полного использования исходного продукта. Оно может способствовать увеличению выпуска продукции, повышению его качества, улучшению условий труда. Энергосбережение должно быть основой процессов выработки, передачи и использования энергии. Наиболее технически сложным является энергосбережение при выработке энергии, т.к. требует создания специальных энергосберегающих технологии и оборудования.
|
|
|
Возможность и эффективность использования энерго- и ресурсосберегающих мероприятий определяется на основе результатов комплексного анализа технических систем.
В современной технике важное место занимают объекты и схемы, создание и усовершенствование которых требует использования термодинамических методов исследования.
В термодинамике применяются два подхода к исследованию энергетических превращений в технических системах.
Первый подход связан с различными методами использования прямых и обратных циклов. Эти методы позволяют на основе баланса системы, в которой совершается цикл, вычислить характеризующие его коэффициенты преобразования энергии (термический КПД, холодильный или тепловой коэффициенты и т.д.) и сопоставить их с коэффициентами соответствующих идеальных циклов или цикла Карно. Сопоставление циклов позволяет также представить направление, в котором нужно менять форму цикла, чтобы повысить его энергетическую эффективность.
|
|
|
Существенным недостатком данных методов является то, что каждый раз специально для данного случая должен быть выбран соответствующий цикл.
Второй подход основан на использовании термодинамических потенциалов для анализа процессов превращения энергии в различных системах. Применяя понятие потенциала, можно оценить работоспособность вещества и энергии в любой точке рассматриваемой системы независимо от ее вида, структуры и сложности.
Для решения задачи использования потенциалов применительно к анализу технических систем нужно располагать термодинамическими функциями, которые бы однозначно характеризовали работоспособность, энергетическую ценность потоков вещества и энергии при заданных внешних условиях.
Для технических приложений термодинамики важны не только параметры процессов внутри системы, но и результаты взаимодействия потоков энергии и рабочих тел с ее внешним окружением.
Нахождение термодинамических потенциалов в общем случае должно производиться по отношению к равновесной части окружающей системы - окружающей среде, которая играет роль уровня отсчета для любых потенциалов. Равновесной частью окружающей среды могут быть атмосфера, морская вода, грунт, космическое пространство.
|
|
|
Соответственно и термодинамические функции, предназначенные для проведения анализа в заданных условиях, должны включать в себя наряду с параметрами рабочего тела или потока энергии еще и параметры равновесной окружающей среды. Тогда эти функции могут выполнять роль потенциалов, позволяющих в любом случае определить энергетические ресурсы системы или ее части, пригодные для получения работы в данных условиях окружающей среды.
Величина, определяющая пригодность к действию (работоспособность) ресурсов вещества и энергии, была названа эксергией, а функции, определяющие ее значение, - эксергетическими функциями.
Понятие «работоспособность» и «эксергетический метод анализа» были впервые упомянуты в литературе ещё в 1870 году, и только начиная с 50гг.прошлого века в термодинамике выделился в самостоятельное направление специальный раздел, связанный с понятием эксергии.
В отличие от понятия энергии, связанного с фундаментальными свойствами материи, понятие эксергии является частным, характеризующим одну из сторон энергии - ее превратимость, пригодность в данных условиях окружающей среды, параметры которой не зависят от воздействия рассматриваемой системы. Эксергия позволяет решать широкий круг технических и технико-экономических задач на основе единой, логически последовательно построенной методики термодинамического анализа.
|
|
|
Термодинамический анализ технических систем, как объектов, представляет собой метод термодинамического исследования систем как в целом, так и посредством расчленения их на составные части с целью получения наиболее полной информации о процессах преобразования энергии, происходящих в таких системах.
Технические системы, для которых целесообразно проведение термодинамического анализа, имеют следующие особенности:
1.Это системы, в которых энергетические превращения изучаются посредством второго закона термодинамики т.е., характеризуются энтропией. Технические системы типа механических, электромеханических и электрических не изучаются методами термодинамического анализа.
2.Действие технических систем должно происходить в условиях взаимодействия с равновесной окружающей средой, параметры которой (состав, температура, давление), не зависят от действия системы. Вместе с тем, эти параметры оказывают определяющее влияние на характеристики системы.
Термодинамические параметры системы, необходимые для проведения анализа, получают либо в эксперименте, либо расчетным путем. Минимальное число этих параметров должно быть таким, чтобы для изучаемой системы и любой анализируемой её части можно было составить материальный, энергетический и эксергетический балансы. Последний вид баланса основан на первых двух.
Метод термодинамического анализа сводится, в конечном счете, к операциям, проводимым в 2 этапа:
– путем логической абстракции в зависимости от целей исследования для анализа выделяют любую часть, включающую элемент или группу элементов рассматриваемой системы, и составляют соответствующие эксергетические балансы;
– для каждой анализируемой части системы в целом на основе эксергетических балансов составляются термодинамические характеристики двух видов – абсолютные и относительные. Первые дают величины эксергии различных видов на входе (расход) и на выходе (производительность), а также значения потерь; вторые – показывают степень термодинамического совершенства (КПД всех видов) и относительные значения данной части во всей системе.
Для нахождения перечисленных характеристик разработан комплекс как аналитических, так и графических приемов, составляющих основную часть методики анализа.
Результаты проведенного анализа могут быть использованы не только для характеристики энергетических превращений системы, но и еще, по крайней мере, в двух направлениях:
- первое основано на том, что термодинамический анализ непосредственно связан с синтезом. Методы термодинамического анализа позволяют решать некоторые задачи, включающие элементы синтеза новых процессов, а также термодинамической оптими- зации;
-второе опирается на то, что между термодинамическими и экономическими величинами имеются определенные объективные связи. Эти связи носят сложный характер. В частности, экономический оптимум, как правило, не совпадает с оптимумом термодинамическим. Лучшая установка не всегда та, которая в термодинамическом отношении наиболее совершенна.
В целом, связи между термодинамическими и экономическими характеристиками могут быть использованы для решения сложных технико-экономических задач.
Лекция №2
Классификация видов эксергии. Окружающая среда
Все формы энергии, участвующие в энергетических превращениях, могут быть сведены к двум видам:
- формы энергии, полностью превратимые в любые другие формы энергии; они не характеризуются энтропией;
- формы энергии, которые не могут быть полностью преобразованы в другие формы энергии. Возможности их превращения, как правило, определяются как параметрами этой энергии или рабочего тела, так и параметрами равновесной окружающей среды. Такие формы энергии характеризуются энтропией, отличной от нуля. (Энтропия-функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном состоянии определяется как dS = dQ / dT . Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна.)
Энергия первого вида (электрическая, механическая, магнитная и др.) в силу своей превратимости может быть в пределе полностью использована в технических целях. Превратимость таких форм энергии не зависит от параметров окружающей среды. Для анализа подобных систем используется уравнение сохранения энергии:
,
где ΣW′ и ΣW″ – суммы подведенных и отведенных потоков энергии;
ΔW – приращение энергии системы. Для стационарного процесса приращение энергии в системе равно нулю и
ΣW′ = ΣW″
В общем виде на основе данного уравнения определяются коэффициенты, характеризующие различные системы преобразования энергии. Все они построены по формуле:
,
где 
и 
показывают потоки энергии, выбираются для каждой системы в отдельности.
Общие условия вычисления безразмерных коэффициентов:
величина должна показывать полезный технический эффект процесса, а ΣW2 - затрату энергии на его проведение.
Для теплосиловой установки:
- получаемая работа, ΣW2 - подводимое тепло, а 
- термический КПД ηт.
Для компрессионной холодильной установки:
- затрачиваемая работа, - тепловой поток, отводимый от охлаждаемого объекта и подводимый к системе, а – холодильный коэффициент ε.
Для компрессионного теплового насоса:
- отводимый тепловой поток, - затраченная работа, – тепловой коэффициент μ.
Из примеров видно, что часть энергии, не входящая в и 
выпадает из рассмотрения. В первом и втором примерах – это тепло, отводимое в конденсаторе; в третьем – тепловой поток, подводимый к
системе на нижнем температурном уровне. Эти величины в первом и втором случаях условно называют потерями. В связи с этим, определение качественных энергетических характеристик с помощью
коэффициента 
является условным, т.к. из рассмотрения исключается та часть энергии, которая в данном процессе не используется.
Все балансовые расчеты, относящиеся к энергии первого вида, могут вестись только на основе первого закона термодинамики – частного случая закона сохранения энергии.
Энергия второго вида (внутренняя энергия рабочего тела, энергия, передаваемая в виде теплового потока, энергия излучения, химическая энергия) не может быть полностью преобразована в другие формы энергии. Границы превратимоститаких форм энергии связаны не только с параметрами, её характеризующими, но и с параметрами равновесной окружающей среды. В пределе при равенстве параметров рабочего тела в системе и в равновесной окружающей среде технологическая ценность энергии системы равна нулю.
При решении инженерных задач в области энергетических превращений, где участвуют формы энергии второго вида, необходимо учитывать не только первое, но и второе начало термодинамики. Поэтому понятия энергии в этих случаях недостаточно. Необходимо учитывать тот факт, что не всякая энергия и не при всех условиях может быть полностью пригодна для технологического использования. Такая мера пригодности любого вида энергии была названа эксергией.
Эксергия термодинамической системы в данном состоянии определяется количеством энергии, которое может быть получено внешним приемником от системы при ее обратимом переходе из данного состояния в состояние полного равновесия с окружающей средой.
Таким образом, при определении эксергии объектом рассмотрения являются: сама система, окружающая среда и внешние объекты в окружающей среде, которые могут служить источниками или приемниками энергии.
Система может быть простой и сложной. Примером простой системы является некоторое количество рабочего тела в замкнутом объеме, сложной - крупный энергетический, химический агрегаты, биологическая система.
Система может быть закрытой (без обмена с окружающей средой) и отрытой (с обменом с окружающей средой); стационарной и нестационарной.
Окружающая средахарактеризуется следующими понятиями:
- ее параметры не зависят от параметров рассматриваемой системы (среда большая настолько, что изменения в системе не вносят изменений в окружающую среду);
- компоненты окружающей среды должны находиться в полном термодинамическом равновесии
В связи с этим параметры окружающей среды могут считаться постоянными. Для полной характеристики окружающей среды достаточно знать три параметра: температуру (T0), давление (P0), химический состав (φ0).
При полном равновесии системы и среды эксергия равна нулю. Такое состояние системы называется нулевым.
Внешние объекты – источники и приемники энергии – характеризуются тем, что в них хотя бы один из определяющих параметров отличается от параметров окружающей среды. Они могут быть использованы в качестве внешних источников эксергии для «питания» системы. Например, топливо, сжатый газ, термальные воды, а для биологических объектов – пища.
На основании первого и второго начал термодинамики установлено, что в каждом данном состоянии эксергия системы, так же как и энергия, имеет определенное фиксированное значение.
В идеальном процессе взаимодействия систем с окружающей средой определяется работа, равная эксергии.
Если процесс будет остановлен до наступления равновесия системы и среды, то полученная работа будет равна убыли эксергиисистемы.
В реальном процессе, происходящем в тех же условиях, работа будет меньше, чем убыль эксергии. Это означает, что часть эксергии не превращается в работу, а теряется. В этом состоит одно из существенных отличий эксергии от энергии.
Эксергия подчиняется закону сохранения только в обратимых процессах. Во всех остальных случаях, в реальных системах, она может частично или полностью теряться в результате диссипации (рассеяния). Чем меньше эта потеря, тем процесс является более термодинамически совершенным.
Свойство эксергии уменьшаться при необратимых процессах позволяет сформулировать второе начало термодинамики применительно к системам, взаимодействующим с окружающей средой.
Эксергия системы, взаимодействующей с окружающей средой, остается неизменной при обратимом проведении всех процессов как внутри ее, так и во взаимодействии со средой, и уменьшается, если любой из этих процессов проходит необратимо.
Уравнения, отражающие эксергетический баланс системы :
Или
Здесь ∆Е – приращение эксергии системы между начальной и конечной точками процесса. Для стационарного процесса ∆Е = 0 и
Σ D = ΣЕ′ - Σ E ″
Принципиальная разница между уравнениями энергетического и эксергетического баланса состоит в том, что в энергетическом балансе обе части равны, а в эксергеттическом – левая часть в реальных процессах всегда больше правой.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 265; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!