Эксергетические балансы систем.

Составление и анализ уравнений эксергетического баланса.

Эксергетический баланс любой системы описывается в общем виде уравнением:

ΣЕ΄ ≥ (ΣЕ΄´ + ΔЕ)

или

D = ΣЕ΄ - (ΣЕ΄´ + ΔЕ)

Знак равенства относится к случаю, когда все процессы, как в самой системе, так и при её взаимодействии со средой и находящимися в ней объектами обратимы (D = 0); неравенство (D > 0) относится к реальным необратимым процессам.

Величины ΣЕ΄, ΣЕ΄´, ΔЕ могут включать все виды эксергии: вещества в объёме, в потоке, концентрационной, теплового потока, и др.). Составляющие величины ΣЕ большей частью представляют собой Е, E_q, Е_к,Е₀ и работу L, а величина ΔЕ – эксергию Е_v.

В стационарной системе величина ΔЕ = 0. В закрытых системах, где обмен с веществом через границы системы отсутствует, равны нулю эксергии потока вещества Е и нулевая эксергия Е₀.

Рассмотрим некоторые общие свойства эксергетического баланса системы применительно к двум случаям – анализу существующих систем и анализу создаваемых систем.

Анализ существующих систем во всех случаях сводится к тому, что рассматриваемая система (или её часть) мысленно отделяется посредством некоторой замкнутой контрольной поверхности от других объектов и эксергии всех проходящих через эту поверхность потоков вещества и энергии включаются в эксергетический баланс.

Данные, необходимые для вычисления эксергии, получают путем измерений соответствующих параметров.

В зависимости от конкретных задач исследования на основе этого баланса определяют абсолютные или относительные термодинамические или термоэкономические характеристики системы (или её части).

Анализ создаваемых систем ведётся тем же способом, но исходные данные для определения величин эксергии находят расчётным путём.

Если в системе или каком-либо её элементе эксергетическое неравенство нарушено, то это означает либо ошибку в измерениях или расчётах, либо, при проектировании систем, указывает на невозможность её осуществления на практике. Всякое устройство, в котором выходящая эксергия больше входящей, представляло бы собой вечный двигатель второго рода (РРМ-II).

Действительно, в этом случае “лишняя” эксергия могла бы использоваться в двигателе, а “остаток” мог быть снова возвращён в систему. При тщательном последующем анализе ошибка, приводящая к D < 0, всегда может быть обнаружена.

Однако соблюдение эксергетического баланса ещё не доказывает возможности реализации системы, т.к. это условие является необходимым, но недостаточным.

Другими словами, вечный двигатель первого рода (РРМ-I) – устройство, создающее энергию “из ничего”; вечный двигатель второго рода (РРМ-II) – устройство, создающее эксергию из того же “материала”.

Виды и характеристики потерь эксергии.

Виды потерь эксергии.

Потери эксергии классифицируются по разным признакам: по распределению и по причинам, их вызывающим.

1). Классификация потерь по распределению.

Потери эксергии в различных системах с точки зрения распределения могут быть разделены на две группы.

Внутренние потери связаны с необратимостью процессов, протекающих внутри системы. Эти потери обозначаются через D_i. Примерами внутренних потерь могут служить потери, связанные с дросселированием, гидравлическими сопротивлениями, трением в машинах, тепломассообменом при конечных температурных и концентрационных напорах.

Внешние потери связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой и находящимися в ней источниками и приёмниками энергии. Эти потери обозначаются D_e. К внешним потерям относятся те, которые связаны, например, с отличием температур нагреваемого или охлаждаемого тела от температуры рабочего тела; потери через тепловую изоляцию; с продуктами, выходящими из установки, эксергия которых не используется (например, дымовые газы, нагретая охлаждающая вода и др.)

Разделение внутренних и внешних потерь легко произвести посредством той же формулы. Если в неё подставить величины эксергии, взятые по параметрам самой установки, полученная величина D_i будет соответствовать только внутренним потерям. Если же контрольную поверхность провести так, чтобы в уравнение входили величины эксергии, отдаваемые или получаемые внешними источниками и приёмниками энергии, то разность Е΄ и Е΄΄ будет включать и внешние, и внутренние потери

D = ΣD_i + ΣD_e = ΣЕ΄ - ΣЕ΄΄

Сравнивая уравнения для обоих случаев, можно найти внешние потери D_e.

Практическое значение такого распределения потерь связано с тем, что пути уменьшения внутренних и внешних потерь существенно различаются. Внутренние потери связаны с несовершенством аппаратов и машин, входящих в схему анализируемого агрегата, или процессов в отдельных её элементах. Внешние потери определяются несоответствием между процессом в целом и внешними условиями его проведения или между отдельными элементами, технологически связанными в одну цепь.

_. Распределение внутренних потерь по частям установки получается, если приведенное уравнение применить к любой выбранной части установки, проведя в нужном месте контрольную поверхность. Сумма внутренних потерь D_i по всем элементам процесса дает общую величину внутренних потерь ΣD_i. Точно также могут быть дифференцированы и внешние потери. Их сумма равна ΣD_e.

Окончательно уравнение для стационарного процесса примет вид:

ΣD = ΣD_{i, i} + ΣD_{e, i} = Е΄ - Е΄΄

Это полная характеристика потерь в установке и ее элементах.

Распределение внутренних потерь между элементами установки характеризуется для каждого из них безразмерной величиной:

δ_i = D_i_,_i / ΣD_i_,_i

Величина δ_i выражается в долях единицы или в процентах.

При анализе потерь важно характеризовать не только их распределением, но и причинами их вызывающими.

2) Классификация потерь по причинам, их вызывающим.

Часть величины потерь связана с необратимыми явлениями, зависящими от несовершенства оборудования. Такие потери могут быть сведены к нулю без изменения схемы процесса. Это “технические” потери (потери от несовершенства изоляции, от трения в машинах, от теплообмена при конечных разностях температур, обусловленной ограниченными размерами поверхности и коэффициента теплопередачи).

Другая часть ΣD связана с необратимыми явлениями, свойственными данному процессу. Эти потери не могут быть устранены без изменения самого процесса или замены его на другой. Это собственные потери (дроссельные потери, потери при теплообмене, связанные с неодинаковой разностью температур по длине аппарата, вследствие различия теплоёмкостей потоков).

Разделение потерь на технические и собственные необходимо, так как показывает, какую часть можно устранить путем совершенствования элементов данной технической системы, её структуры или внешних связей.

3.Диаграмма потоков и потерь эксергии.

Диаграмма потоков эксергии является полезным инструментом термодинамического анализа. Впервые диаграмма была введена в практику П. Грассманом и в дальнейшем усовершенствована Я.Шаргутом и Г.Баером.

Так же как в широко распространённой диаграмме потоков энергии, в диаграмме потоков эксергии каждый поток изображается полосой, но в отличие от энергетической диаграммы в эксергетической диаграмме ширина каждой полосы пропорциональна его величине.

Основное отличие диаграммы – потоки эксергии могут уменьшаться или вообще исчезать в результате потерь, а потоки энергии сохраняют своё постоянное значение.

Рассмотрим особенности этих диаграмм на примере компрессионной одноступенчатой теплонасосной установки.

Рис.7.1. Принципиальная схема компрессионной одноступенчатой теплонасосной установки

Рабочее тело (например, фреон) испаряется при низком давлении из-за тепла Q΄, отбираемого от окружающей среды. Пары поступают в компрессор, где их температура при сжатие повышается; пар охлаждается и конденсируется, причем выделяется некоторое количество тепла Q΄΄ > Q΄ при повышенной температуре; этот тепловой поток используется для целей нагрева. Сконденсированное рабочее тело после дросселирования и связанного с ним понижения температуры возвращается через РВ в испаритель.

Рис.7.2.Энергетическая диаграмма теплонасосной установки

Потоки энергии в установке связаны как с внешним энергетическим обменом, так и с циркуляцией рабочего тела в цикле. К первым относятся: поток подводимой электрической энергии N, часть которой теряется в двигателе и приводе; тепловой поток Q, поступающий в испаритель из окружающей среды; тепловой поток Q΄΄, отдаваемый потребителю при повышенной температуре Т΄΄. Эти величины связаны уравнением энергетического баланса установки:

Q΄ + N = Q_д + Q΄΄

Поток энергии, измеряемый энтальпией рабочего тела I_рт, постоянно циркулирует с ним в цикле. В каждом узле схемы суммарная ширина полос на выходе равна ширине полос на входе.

Эксергетическая диаграмма выглядит иначе. Здесь видны все потери, возникающие в результате необратимых процессов в каждом узле установки. Величина каждой потери соответствует уменьшению ширины полосы эксергии и условно изображается заштрихованным наклонно треугольником.

D_д – потеря в двигателе;

D_к – в компрессоре (больше, чем в двигателе).

Рис.7.3.Эксергетическая диаграмма теплонасосной установки

Здесь эксергия, подведенная в виде работы привода (за вычетом D_д) и с поступающим из испарителя рабочим телом, преобразуется в эксергию сжатого рабочего тела. Большая часть этой эксергии (Е_q΄΄)отдаётся потребителю в виде теплового потока повышенной температуры (за вычетом внешней потери D_e, связанной с теплопередачей при конечной разности температур между рабочим телом и внешним приемником тепла). При дросселировании рабочего тела также возникает потеря от необратимости D_др, несколько уменьшающая эксергию потока рабочего тела.

В испарителе подводится тепловой поток Q΄, эксергия которого Е_q΄ близка к нулю, поскольку теплопередача происходит при температуре близкой к Т₀ (τ_е ≈ 0). Поэтому эксергия рабочего тела в испарителе почти не увеличивается.

В рассматриваемом примере все потери за исключением одной (D_e в конденсаторе) являются внутренними. Величина δ_i геометрически интерпретируется на диаграмме как отношение ширины одной из штриховых полос к ширине суммарной полосы.

Таким образом, диаграмма потоков эксергии (диаграмма Грассмана) наглядно показывает величины потерь эксергии в системе и их распределение между элементами процесса.

Лекция №4

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 593; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!