Эксергетический анализ процессов химической технологии.

В химической технологии, так же как и в теплотехнике, низкотемпературной технике применяемые процессы состоят, в основном, из ограниченного числа повторяющихся частных процессов. Поэтому изучение каждого из них в отдельности с точки зрения эксергетического анализа даст возможность получить базу для рассмотрения разнообразных технических систем.

Наиболее часто встречающиеся процессы могут быть сведены в следующие группы:

1. Сжатие газов и жидкостей.

2. Расширение газов и жидкостей.

3. Теплообмен.

4.Разделение смесей.

5.Сжигание топлива.

 

Рассмотрим последовательно каждую из перечисленных групп, используя методику анализа, представленную ранее.

 

Сжатие жидкостей и газов.

Сжатие рабочего тела в технических системах может происходить в различных температурных условиях:

1.Сжатие газа от начальной температуры, равной или близкой к T₀. В этих условиях τ_е . Процесс характерен для химических технологий.

2.В паровых холодильных машинах сжатие производится от температуры ниже T₀ и в конце процесса может не достигнуть T₀ или переходит в область T>T₀. Поэтому τ_е может быть как больше, так и меньше нуля.

3.При сжатии горячих газов температура в течение всего процесса выше T₀  и τ_е>0.

4.В низкотемпературных (криогенных) установках весь процесс сжатия протекает при температурах, значительно более низких, чем T₀. Здесь τ_е<0.

 

Для всех процессов сжатия, независимо от условия их проведения действительно уравнение эксергетического баланса:

                                  

Работа l, затраченная в компрессоре или насосе, расходуется на повышение эксергии рабочего тела , на тепло (отвод от газа или подводимое к нему), эксергия которого равна , и частично теряется на потери . Если процесс обратим

 Рассмотрим первый случай (τ_е ):

Рис.10.1. Процессы сжатия при τ_е (Т≥Т₀ )

 

1-3 – обратимый изотермический процесс, температура остается постоянной, равной Т₀. Эксергия e_q, отводимая от газа в окружающую среду, e_q = 0, т.к τ_е = 0

В необратимом изотермическом процессе температура газа отличается от Т₀ в течение процесса. Но в начале и конце процесса температура равна Т₀ (соблюдение конечных параметров). Следовательно, e_q = 0.

Поэтому для изотермического процесса уравнение в общем случае получает вид:

                                 l_из = Δе_3-1 + Σd

В частности, когда процесс обратим, Σd = 0 и , следовательно,

                                l_из = Δе_3-1

Таким образом, величина работы l_из обратимого изотермического процесса может быть без вычислений снята с i-e диаграммы рабочего тела, как разность значений эксергии в начальной и конечной точках процесса.

Определив расчетным или опытным путем действительную работу l изотермического одноступенчатого компрессора, можно по величине Δе_3-1, подсчитать его изотермический КПД, равный 

                             

    Величина потерь от необратимости определяется по следующей формуле:

                              Σd = l - Δе_3-1

Величины е₁ = 0, е_q = 0 показаны условно линиями со стрелками.

При адиабатном сжатии баланс эксергии аналогичен балансу при изотермическом сжатии. В обратимом адиабатическом процессе теплообмен с окружающей средой отсутствует. Поэтому уравнение

                           l = Δe + e_q + ∑d = Δe + q _e + ∑d

сохраняет вид.

Обратимое адиабатное сжатие изображается на рисунке прямой 1-4, идущей по линии s=const. Величина минимальной работы равна Δe_1-4 = Δi_1-4

На диаграмме видно, что Δe₄₁ > Δe₃₁. Превышение адиабатической работы над изотермической равно Δe_3-4.   

В реальном адиабатическом процессе часть работы компрессора затрачивается на трение и переходит в тепло, которое передается газу. Поэтому эксергия газа в конце процесса возрастает (точка 5). Однако, величина Δe_5-3 не равна работе реального адиабатного процесса, а соответствует суммарной эксергии, которую нужно подвести к газу в виде работы и эксергии тепла, чтобы провести процесс 1-5 обратимо.

Действительная работа адиабатного процесса Δi_5-1 больше, чем Δe_5-1, т.к. тепло, сообщаемое газу, получается за счет работы, что ведет к потере эксергии.

Процесс сжатия 1-2 занимает промежуточное положение между изотермой и изоэнтропой и в отличие от процесса 1-5 проходит с отводом тепла.

Работа реального процесса 1-2 не может быть снята с диаграммы, так же как и работа, нужная для проведения любого необратимого процесса, за исключением адиабатного, когда δq = 0. 

Количество затраченной работы при одном и том же начальном и конечном состояниях может быть больше или меньше: соответственно изменится только отвод тепла в окружающую среду.

 

        

Второй случай (τ_е ^>_< ):

 Различные процессы сжатия показаны в е-i диаграмме.

 

Рис.10.3. Процессы сжатия при τ_е ^>_<

 

1-3 -адиабатическое сжатие;

1-4 -процесс сжатия, идущий при температуре T<T₀;

4-3-процесс сжатия при температуре выше окружающей среды (τ_е > ).

 

Величина работы, необходимая для сжатия, равна Δe₃₁

Так же как и в предыдущем случае, часть работы, затраченная на повышение температуры вещества на участке 4-3 бесполезно теряется, т.к. для дальнейшего процесса рабочее тело нужно будет снова охлаждать до Т₀ (точка 5).

Поэтому более рационально вести процесс сжатия от точки 4 по изотерме 4-5. В этом случае будет сэкономлена работа Δe_3-5. Общая затрата работы на сжатие в этом случае будет равна Δe_5-1. Таким образом для второго случая, когда (τ_е ^>_< ) идеальным процессом сжатия будет адиабатное сжатие до точки Т₀  и затем изотермическое сжатие до конечного давления.

КПД процесса

           , где

l_д зависит от характера ведения процесса.

 

Третий случай: (τ_е>0)

Рис.10.4. Процессы сжатия для условия τ_е>0

 

 1-2 – процесс изотермического сжатия. Обратимая работа этого сжатия может быть найдена по величинам е₁ и е₂ и формуле          

Тепло q, отводимое от сжимаемого газа при T>T_0, может быть использовано для получения работы, величина которой в идеальном случае составит e_q = qτ_e. Эта работа может быть реализована с целью уменьшения затрат на сжатие. 

Общая минимальная работа, необходимая для проведения идеального процесса 1-2, составит

                                     Δe_2-1 = l - e_q

 

     Адиабатный обратимый процесс сжатия изображен линией 1-4.

При этом минимальная работа сжатия Δe_4-1 = Δi_4-1 больше, чем Δe_2-1. 

При необратимом адиабатном сжатии затрата работы l определяется величиной l = i₅ – i₁, а потеря

                                           d=i₅ –i₁ – Δe_5-1

Эксергетический КПД для адиабатной ступени определяется как

                                          

Действительный процесс сжатия с охлаждением компрессора изображается линией 1-3. Работа этого реального процесса по диаграмме определена быть не может, т.к. сжатие необратимо и сопровождается отводом тепла.

 

Четвертый случай (τ_е<0).

 

 

 

Рис. 10.5. Адиабатное сжатие при τ_е<0

 

Приведённые на рис. 10.5. изотермы соответствуют температурам значительно более низким, чем Т_0.

Для обеспечения процесса сжатия при Т₀ необходимо наличие охлаждающего устройства для отвода тепла от рабочего тела при T<Т₀ и передачи его в окружающую среду. Такое сжатие в компрессоре с отводом тепла при Т<T₀ в низкотемпературной технике не применяется.

    Обратимое адиабатное сжатие соответствует линии 1-2 по изоэнтропе.

Реальный адиабатный процесс изображается линией 1-3.

 КПД процесса определяется по формуле

 

                                           

Все изложенные закономерности в равной степени относятся и к сжатию жидкостей.

 

Лекция 7

Эксергетический анализ процессов расширения газов и жидкостей.

 

Процессы расширения по своему назначению и по термодинамическим характеристикам существенно различаются.

1.Расширение в высокотемпературных процессах предназначено для получения механической или электрической работы за счет уменьшения энтальпии рабочего тела.

Расширение без отдачи внешней работы – дросселирование используется только для регулирования и с термодинамической точки зрения нежелательно, т. к. всегда приводит к потерям.

2.В низкотемпературных системах расширение предназначено для охлаждения, получение работы является побочным результатом. Теплообмен с окружающей средой приводит не к понижению энтальпии, а к её повышению. Дросселирование во многих важных системах является основным процессом, обеспечивающим действие системы и в ряде случаев более эффективно, чем все другие известные методы.

 

1.Процессы расширения в высокотемпературных ( теплотехнических) системах

Расширение газов и паров при T>T₀ с отдачей внешней работы применяется в различного рода турбинах (паровых, газовых). Во всех этих устройствах происходит получение электрической или механической работы за счет уменьшения как энтальпии так и эксергии потока газа или пара.

 

 

Рис.11.1. Процессы расширения рабочего тела при T>T_0.

 

На рисунке 11.1. показаны различные процессы расширения рабочего тела. Процессы, протекающие при высоких температурах и давлениях в интервале P₁ – P_2, показаны линиями 1-2, 1-3, 1-4.

Процесс 1-2 представляет собой обратимое изоэнтропное расширение, при котором отводится работа (эксергия),

                                       l_1-2 = i₁ – i₂ = e₁ – e₂.

Процесс 1-3 - необратимое расширение, проходящее с увеличением энтропии и более быстрым падением эксергии.

    Здесь отводится внешняя работа l_1-3 < l_1-2, которая определяется разностью энтальпий i₁ - i_3.

Снижение энтальпии i_1-3, равное отводимой работе l_1-3,  меньше, чем снижение эксергии е_1-3 (линия 1-3 проходит круче изотермы, для которой е = i)

Процесс 1-4, протекающий по вертикальной прямой, полностью необратим. Это адиабатное дросселирование, при котором i_1-4 = 0 и внешняя работа вообще не отводится.

Величина потери d возрастает от первого процесса к третьему. В первом (1-2) d_1-2 = (e₁ – e₂) – (i₁ – i₂) = е_1-2 – l = 0; во втором (1-3) d_1-3 = е_1-3 - i_1-3 ; в третьем (1-4) d_1-4 = е_1-4 . Следовательно, в первом процессе вся эксергия переходит в работу; во втором в работу преобразуется только часть её, равная е_1-3 –d ; в третьем процессе вся израсходованная эксергия теряется и полученная работа равна нулю.

КПД процесса расширения определяется отношением:

;

Для процесса 1-2 =1; для 1-4 =0; для 1-3

 

Для практики наибольший интерес представляет реальный процесс 1-3, в котором

 

Процессы расширения в низкотемпературных системах.

Общая черта всех процессов расширения в низкотемпературных системах – это преобразование эксергии давления е_р в эксергию е_т, связанную с охлаждением.

В зависимости от способа расширения такое преобразование протекает по-разному. Оно может сопровождаться отводом энергии как в форме работы (адиабатный детандер), так и в форме тепла (неадиабатная вихревая труба); отводом энергии в виде работы с одновременным подводом энергии от охлаждаемого объекта в форме тепла (неадиабатный детандер); может вообще происходить без энергетического обмена (адиабатное дросселирование).

Эксергетический метод позволяет вывести единый для всех этих процессов КПД, позволяющий сравнивать их в сопоставимых условиях.

Эффектом всех процессов расширения является эффект охлаждения. В общем виде процесс расширения при низких температурах (Т<T_oc,τ_е < 0) показан на рис. 11.2 в координатах е-i.

Рабочее тело из состояния, соответствующего точке 1 и давлению р₁, расширяется до точки 2 (давление р₂); его температура снижается от Т₁  до Т₂.

Рис.11.2. Обобщённый процесс расширения при Т<T_oc

 

Эксергия рабочего тела уменьшалась от е₁ = е_т1 + е_р1 до е₂ = е_т2 + е_р2

При этом величина е_р уменьшается от е_р1 до е_р2 величина е_т возрастает  от е_т1 до е_т2..  Такое превращение е_р в е_т  возможно потому, что в области Т<T_oc изобары имеют наклон, противоположный тому, который характерен для высокотемпературной области.

  Эксергетический КПД превращения е_р в е_т составит:

                                    η_е  = ∆е_т / e_р = (е_т2 - е_т1 ) / ( е _р1 - е_р2)

 

Преобразуем это уравнение к более удобному виду:

                                              

   ▼ e_р = е_р,1 - е_р,2 = ▼е_а,0 - ▼ е_b,0 = ▼е_а,b

 

    ∆е_т  = е _Т,2 - е_Т,1 = ∆е_2,b - ∆е_1,а = ∆е_а,b - ∆е_1,2 

 

Отсюда

                             η_е  = (∆е_а,b  - ∆е_1,2 ) / ▼е_а,b

 

Практически для вычисления КПД процессов расширения при Т<T_oc целесообразно заменить величину ▼е_а,b  близкой ей величиной▼е_1,3 – разностью эксергий между заданными давлениями по изотерме Т₁ вместо Т_о.с.. В этом случае

                            η_е   = ∆е_2,3 / ▼е_1,3

 

Дросселирование

В теплотехнике сравнительно небольшое нагревание газа при дросселировании не находит технического применения, т.к. такой эффект всегда может быть получен более простым путём.

В технике низких температур охлаждение, полученное при дросселировании, служит основой большинства низкотемпературных процессов.

Рис.11.3. Процесс дросселирования в низкотемпературных системах, протекающий с охлаждением

 

На рисунке 11.3. изображен процесс дросселирования с охлаждением.

Точка 1 - начальное состояние при Т₁, Р₁;

Точка 2 - конечное состояние при Т₂, Р₂ .

При этом Т₂<T_1, прямая 1-2 – i = idem–процесс дросселирования.

Изменение эксергии при дросселировании определяется разностью её значений в начальной и конечной точках.

В процессе адиабатного дросселирования при отсутствии энергетического обмена работой тела с окружающей средой величина е_1-2 равна потере от необратимости

                                     е_1-2 = е₁ –е₂ =d

Эксергетический КПД процесса дросселирования определяется величиной                    

                        η_е  = ∆е_2-3 / е_1-3 ,

где т.3 определяется пересечением изотермы Т₁   с изобарой р₂.

 

 

Лекция №8

---

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 292; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!