Эксергетический анализ процессов теплообмена

Процессы теплообмена можно в любой технической системе разделить на две группы:

1. Теплообмен, приводящий к увеличению эксергии одного рабочего тела за счет уменьшения эксергии другого. При этом эксергия вещества повышается при нагревании, если Т > Т₀ и при охлаждении, если Т < Т₀.

2. Теплообмен рабочего тела с окружающей средой или рабочих тел между собой, приводящий только к понижению эксергии.

При Т > Т_ос единственным результатом процесса является охлаждение рабочего тела, а при Т < Т_ос – нагревание.

Первый вид теплообмена - “полезный” - необходимый элемент больших технологических систем как высоко - так и низкотемпературных.

Второй вид теплообмена - “вредный” связан с теплообменом с окружающей средой за счет несовершенства тепловой изоляции, теплопроводности материала и др.

При определении эффективности процессов теплообмена учитываются потери, связанные с конечными разностями температур, гидравлическими сопротивлениями и в реальных процессах теплообменом с окружающей средой. Рассмотрим каждый вид потерь в отдельности.

Потери от конечной разности температур

Физический смысл процессов можно представить на диаграмме. Диаграмму можно использовать для графического анализа процессов теплообмена и для представления эксергетического баланса различных циклов. Рассмотрим теплообменник, работающий при температуре ниже Т₀. Отложим по оси Q количество тепла, переданное в теплообмене (отрезок a – е). Между вертикальными линиями, проходящими через эти точки, приведены кривые, показывающие изменения температуры каждого из потоков по мере отвода или подвода тепла (точки удобно брать с τ_е – i диаграммы или с Т – i диаграммы соответствующего вещества).

Рис.12.1. Определение потерь при теплообмене на диаграмме q- τ_е

1 – 2 – охлаждение тела А; 3 – 4 – нагревание тела В.

Диаграмма позволит получить информацию о численном значении потерь от необратимости при теплообмене, распределении их вдоль аппарата и величине КПД η_е.

При анализе потерь от наличия конечных разностей температур рассматривается элементарный участок передачи тепла δq.

При этом эксергия элемента тепла δq в любой области температур уменьшается на величину , которая равна потере от необратимости на данном элементарном участке теплообмена. Общая потеря при теплообмене от конечной разности температур равна:

Таким образом, потеря от конечной разности температур при теплообмене для данного теплового потока всегда пропорциональна разности эксергетических температур Δτ_е.

Эксергетический к.п.д. процесса теплообмена:

КПД теплообмена равен отношению абсолютных величин среднетермодинамических эксергетических температур. На диаграмме это отношение площадей между каждой из кривых и осью абсцисс.

Потери от гидравлических сопротивлений

Во многих теплообменных аппаратах потери от гидравлических сопротивлений достигают значений, при которых их роль становится весьма существенной.

Рис.12.2.Измененме состояния рабочих тел в теплообменнике с учётом гидравлических сопротивлений

Если бы сопротивление отсутствовало, процесс нагревания вещества А протекал бы по изобаре 1 – 2, а охлаждение вещества В – по изобаре 3 – 4. Фактически, чтобы получить на выходе из теплообменника параметры, соответствующие точкам 2 и 4, необходимо начинать процесс с более высоких давлений.

Для этого нужно произвести повышение давления рабочего тела А от р₁ до р₁' и тела В – от р₃ до р₃', затратив работу, которая будет полностью потеряна на преодоление гидравлических сопротивлений.

С учетом КПД насоса или компрессора общая величина потерь D_р от гидравлических сопротивлений в теплообмене составит:

где L_А и L_В – работа нагнетательного устройства.

В диаграмме не отображаются потери от гидравлических сопротивлений.

Потери от теплообмена с окружающей средой

Этот вид потерь связан с потоками эксергии через изоляцию. Если процесс протекает при повышенной температуре (Т > Т_ос), поток Q направлен к окружающей среде. Нагревающийся поток В вследствие этого нагревается меньше, а охлаждающийся поток А охлаждается сильнее.

Весь поток эксергии, равный Qτ_e в процессе теплопередачи к окружающей среде теряется

где τ_e – средняя эксергетическая температура, при которой отводится тепловой поток.

В низкотемпературных процессах, напротив, такие потери возникают из-за дополнительного нагрева потока В и меньшего охлаждения потока А вследствие теплопритока извне. При этом меняется знак тепла и величины τ_e (τ_e < 0), но поток эксергии по-прежнему направлен в окружающую среду и потеря эксергии определяется также .

Изменение температуры потоков, связанное с теплопритоком извне, вызывает снижение эксергии на выходе потоков А и В из аппарата на ▼e_A и ▼e_B. Поэтому величина потери от несовершенства изоляции

Потери, вызванные теплопроводностью вдоль теплообменника

Вследствие теплопроводности материала теплообменника увеличиваются разности температур на концах теплообменника.

Однако эти потери большей частью невелики в области высоких температур; в области низких температур они больше, особенно в криогенных установках, поэтому в последние годы находят применение теплообменники, в которых продольная теплопроводность сведена к минимуму.

Общая величина потерь и КПД теплообменника

Суммарная величина потерь от необратимости, связанной с теплообменом, равна

Вычисляя указанными методами отдельные составляющие потерь (D_т, D_р, D_к) при различных вариантах проектируемого аппарата, можно найти их минимум и долю каждой в общей величине.

КПД процесса теплообмена при условии D_р << D_т определяется по формуле:

При условии D_р ≈ D_т (иногда конструкторы идут на теплообмен в таких условиях) для оценки эффективности процесса используется общий КПД, в котором учитываются все потоки эксергии

Лекция №9

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 261; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!