Как выбрать гостиницу для кошек
14 декабря, 2021
В последние годы в энергетике, теплотехнике и теплотехнологии, химической технологии и ряде других областей широко применяется новый метод термодинамического анализа — эксергетический [4, 11]. Поскольку в солнечно-теплонасосных системах с сезонным аккумулированием в качестве «источника работы» наряду с солнцем выступает, как правило, электроэнергия, то объективная термодинамическая оценка таких систем представляется крайне важной.
В отличие от ранее применявшихся методов термодинамического анализа, в эксергетическом методе учитывается не только количество, но и качество потоков эксергии, что ставит этот метод на первое место по своей объективности.
Особенностью эксергетического метода является универсальность, связанная с тем, что использование эксергии позволяет оценивать запасы и потоки энергии всех видов, входящих в баланс любой энерготехнологической системы, посредством единого критерия эффективности. Этому методу присуща также простота и наглядность способов анализа и расчета.
Второй весьма важной особенностью эксергетического метода является связь между эксергетическими и техникоэкономическими характеристиками систем. Экономические исследования на базе эксергии охватывают широкий круг вопросов от оптимизации тарифов на энергию до цен на машины и установки. Такой метод, в отличие от техникоэкономического, получил название термоэкономического.
Применение эксергии, учитывая ее связь с экономикой, позволяет сравнительно просто и однозначно решить еще один важный вопрос — выбор критерия эффективности при оценке и оптимизации СТНССА.
Все сказанное приводит к выводу о перспективности использования эксергии и эксергетических функций (потерь эксергии, эксергетических КПД, степени термодинамического совершенства) в создании единой теории и обобщенных методов математического моделирования в задачах синтеза и оптимизации СТНССА.
Уравнения эксергетического баланса основаны на совместном использовании первого и второго законов термодинамики и по существу выражают принцип убывания эксергии изолированной системы при протекании в ней необратимых процессов.
Мерой необратимости процессов, как известно [4], являются потери эксергии
П = r0ASz ^ 0 (2.37)
9
где Т0 — температура окружающей среды; AS2 — суммарное изменение энтропии изолированной системы.
Для обратимых процессов в термодинамической системе П = 0. Для реальных (необратимых) процессов (П > 0) уравнения эксергетического баланса могут быть выражены так
где Е™ , ££ых — суммарные эксергии всех потоков энергоресурсов на входе в систему и на выходе из нее; Ер — располагаемая (затраченная) эксергия; Еи — использованная (полезная) эксергия.
Существование двух различных форм уравнения экс — ергетического баланса весьма характерно для энергетических процессов из-за наличия потоков транзитной эксергии. Транзитная эксергия ER проходит через установку и содержится в качестве своеобразного «балласта» в суммарных потоках эксергии на ее входе и выходе:
Er = £’,х — Е" = £’""х — Е (2.40)
Составляющими уравнений эксергетического баланса системы являются потоки эксергии соответствующих энергоресурсов. При этом следует иметь в виду [4], что по определению эксергия потока работы EN равна самой работе N
EN = N = ml, гех, (2.41)
где т — массовый расход рабочего тела; /тех — удельная техническая работа.
Точно так же эксергия потока кинетической энергии Ек д равна самой кинетической энергии Э
Еы-Э — mw2/2, (2.42)
где w — линейная скорость рабочего тела.
Эксергия теплового потока Еф зависит не только от теплового потока Ф, но и от температурного фактора є
где Тж — средняя термодинамическая температура соответствующего теплового источника.
Эксергия потока рабочего тела Е отсчитывается от состояния его равновесия (теплового и механического) с окружающей средой:
E = mtth-h’)-T0i8-8j, (2.44)
где h, s — удельные энтальпия и энтропия рабочего тела в данном состоянии; h0, s0 — удельные энтальпия и энтропия рабочего тела при температуре Т0 и давлении р0 окружающей среды.
Удельную эксергию различных топлив (первичных энергетических ресурсов) епэр можно оценить по приближенным формулам, приведенным в работе [14]. При этом эксергия потока первичных энергоресурсов
-^пэр = ^епэр* (2.45)
где В — расход топлива.
Составление эксергетического баланса по соотношению (2.38) как правило не вызывает особых затруднений даже в очень сложных энерготехнологических системах.
При составлении эксергетического баланса по соотношению (2.39) возможны принципиально различные подходы в оценке располагаемой и использованной эксергии системы и ее элементов. Однако вне зависимости от тех или иных подходов, всегда в соответствии с (2.37) сохраняется однозначность потерь эксергии при фиксированном состоянии окружающей среды.
Различным формам уравнения эксергетического баланса процессов и установок соответствуют и различные показатели совершенства. Так, из (2.38) была получена характеристика, называемая в дальнейшем степенью термодинамического совершенства (СТС)
В отличие от КПД величина v не характеризует полезное действие, а показывает, насколько процесс далек от идеального.
Из соотношения (2.39) следует выражение для объективного термодинамического КПД любого процесса или установки
-Еи П
■Пет ~ ~
Принципиальное различие этих понятий для одного и того же процесса при наличии транзитного потока эксергии показывает, например, сравнение КПД в процессе транспортирования рабочего тела по трубопроводу. При небольших гидравлических сопротивлениях и хорошей тепловой изоляции можно обеспечить весьма высокую степень термодинамического совершенства процесса (v = 1). Однако даже в этом случае КПД процесса равен нулю (г|ех = 0). Здесь вся располагаемая эксергия полностью теряется (Ер = Ех — Е2 = П).
В табл. 2.1 приведены принципиальные схемы потоков эксергии и соответствующие им выражения для степени термодинамического совершенства и КПД основных элементов СТНССА, а в табл. 2.2 — выражения для располагаемой и использованной эксергии.
Перечисленные в табл. 2.1 устройства не исчерпывают всего многообразия применяемых в СТНССА элементов. При необходимости таблица может быть дополнена другими элементами.
Рассмотрим СТНССА, состоящую из тп элементов (і = 1, 2, …, тп) и содержащую п эксергетических потоков Ejt (J = 1, 2, …, п).
Таблица 2.1. Принципиальные схемы потоков эксергии, формулы для степени термодинамического совершенства и КПД основных элементов энергетической системы
|
Таблица 2.2. Принципиальные схемы потоков эксергии, формулы для расчета располагаемой и использованной эксергии основных элементов энергетической системы
|
Для расчета потерь эксергии в і-м элементе используем (2.38)
П, = £,вх — £,вык, (2.48)
а для определения степени термодинамического совершенства і-го элемента (2.46):
Е? ых, П
V’ ~ Двх ~~ £.вх ’ (2.49)
где .Евх, 2?.вых — сумма потоков эксергии соответственно на входе і-го элемента и на выходе из него.
Поскольку современные СТНССА — это большеразмерные и многосвязные объекты, то термодинамические расчеты таких систем необходимо проводить на ЭВМ. Нетрудно видеть, что определение величин П( и vi предполагает возможность машинного расчета £вх, £вых.
Потоки эксергии для каждого из элементов СГСМ могут быть легко рассчитаны по формулам (2.41, 2.43, 2.44) в зависимости от вида потока (работа, теплота, поток массы). После этого простым суммированием «входов» и «выходов» вычисляются £вх, 2£вых.
В общем случае оптимизации при изменении параметров, структуры и поэлементного состава СТНССА необходим учет и других (не только энергетических) техникоэкономических характеристик системы. При этом целесообразно применение термоэкономического принципа [4,11, 20-22], который широко использует экономические характеристики, заложенные в эксергетической оценке функционирования систем, а, следовательно, не уступает по объективности и общности технико-экономической оценке (в этом сходство термоэкономики с технико-экономикой). С другой стороны, он оценивает энергетику системы с экс — ергетических позиций, следовательно, более глубоко и полно характеризует работу системы (в этом существенное отличие термоэкономики от технико-экономики).
В общем случае термоэкономический критерий оптимальности имеет вид [17]
где Цл, Пп — стоимость и годовое потребление эксергии из внешних источников; Кп — годовые капитальные и другие, связанные с ними, затраты в п-м элементе; ek — годовой расход эксергии для получения А-го продукта.
Выражение (2.50) принимает более простой вид для частных случаев. Например, для установки, выдающей один продукт заданного качества,
где В — выход продукта.
Таким образом, задача оптимизации СГСМ в общем случае может быть сведена к поиску экстремума функции
ZoPt = min^’
или для параметрической оптимизации
Лорі = max rig.