Критерии, получаемые на основе эксергетического анализа
Любой процесс, связанный с передачей, преобразованием и использованием теплоты, является необратимым. Необратимые потери в теплосиловых установках обычно связаны с наличием трения при течении рабочих тел и теплоносителей, с необратимостью процессов горения, теплообмена между теплоносителями и др. Последний тип потерь обусловлен тем, что передачу теплоты от более нагретого тела к более холодному можно осуществить, а обратный процесс невозможен без дополнительных затрат энергии.
Энергия системы при передаче теплоты внутри нее не теряется, но та ее часть, которую можно перевести в механическую работу, т.е. эксергия, сокращается. При этом теряемая часть тем выше, чем больше разность между температурами источника и приемника теплоты.
Как известно,эксергия — максимальная работа, которая может быть совершена термодинамической системой при переходе в состояние равновесия с окружающей средой в обратимом термодинамическом процессе. Поскольку потенциальная и кинетическая энергия, так же как и электроэнергия, могут быть полностью преобразованы в работу, то они совпадают с эксергией.
Для анализа тепловых схем наибольший интерес представляет эксергия потока теплоты, отдаваемая телом с температурой Т,* а также эксергия потока вещества (газа или жидкости). Эксергия потока теплоты, Вт, может быть вычислена как [6]
где Т0 — абсолютная температура окружающей среды, К; Т — абсолютная температура источника теплоты, К; Q — передаваемый тепловой поток, Вт.
|
|
|
В том случае, если температура источника или среды меняется от Тх до Т2, в качестве Т используется средняя температура, вычисляемая в виде
Эксергия потока вещества, Дж/кг, определяется по формуле
где h,h0 – энтальпии потока и окружающей среды, Дж/кг; s,s0 — энтропии потока и окружающей среды, Дж/(кг • К).
Среди термодинамических показателей энергоэффективности можно рассматривать иэксергетический коэффициент полезного действия, который может быть определен на основе эксергетического баланса, составленного для термодинамического цикла или процесса. Если рассмотренное ранее выражение для энергетического КПД отражает первый закон термодинамики, записанный с помощью тепловых балансов, то выражение для эксергетического КПД — второй закон термодинамики.
Первоначально эксергетический анализ выполняется для теплосиловых установок, используемых для совершения механической работы. Если на вход в Такую установку поступает поток рабочего тела с эксергией Е', на выходе имеется поток рабочего тела с эксергией Е" и установка совершает техническую работу L, ее эксергетический КПД определяется следующим образом:
|
|
|
где D=Е'-Е"-L — потери эксергии в результате необратимости термодинамического процесса.
Такое определение эксергетического КПД не имеет смысла для технологических установок, не предназначенных для совершения технической работы, поскольку для любой такой установки L = 0 и формально записанный в виде формулы (3.21) эксергетический КПД будет равен нулю.
Эксергетический КПД установок, в которых не совершается механическая работа и которые предназначены для трансформации энергии, в [7] было предложено вычислять по формуле
где Е'— эксергия потока теплоты на входе в установку, Вт; Е" — то же на выходе из установки, Вт.
Рассмотрим примеры определения эксергетического КПД. Для рекуперативного теплообменного аппарата эксергетический КПД может быть вычислен как отношение эксергии потока теплоты, отводимого из теплообменного аппарата холодным теплоносителем для дальнейшего использования потребителем, к эксергии потока теплоты, подводимого в аппарат с горячим теплоносителем:
где Тх, ТГ — средние температуры холодного и горячего теплоносителей.
Пример 3.1. Сравните эксергетический КПД двух теплообменных аппаратов, использующихся для подогрева воды от 70 до 95 °С дымовыми газами. В первом из них температура дымовых газов на входе в аппарат составляет 450 °С, а на выходе из него — 320 °С. Во втором аппарате температуры дымовых газов на входе и выходе равны 250 и 120 °С.
|
|
|
Решение. Средние температуры холодного теплоносителя для обоих теплообменных аппаратов одинаковы и составляют
Средняя температура горячего теплоносителя для первого теплообменного аппарата
Средняя температура горячего теплоносителя для второго теплообменного аппарата
Эксергетический КПД первого теплообменного аппарата
Эксергетический КПД второго теплообменного аппарата
В тепловом насосе подведенной эксергией является электрическая мощность, затраченная на привод компрессора. Отведенной эксергией является эксергия потока теплоты, передаваемая в конденсаторе от хладагента потребителю. Тогда эксергетический КПД теплового насоса, *можно определить по формуле
где N — мощность компрессора, Вт; ɛ — коэффициент трансформации теплоты в тепловом насосе.
Из последнего выражения видно, что далеко не всегда тепловой насос с наивысшим коэффициентом трансформации теплоты будет наиболее эффективен с термодинамической точки зрения.
|
|
|
Пример 3.2. Найдите эксергетический КПД теплового насоса, использующего теплоту сточных вод с температурой 20 °С для подогрева воды, идущей на горячее водоснабжение, до температуры 55 °С. Коэффициент трансформации теплоты е = 3,5. Температура окружающей среды составляет 5 °С.
Решение. Эксергетический КПД теплового насоса при заданных условиях
Примеры вычисления эксергетического КПД для различных аппаратов, входящих в состав паротурбинной энергетической установки, приведены 6 [7].
По условиям минимальных потерь эксергии в технологическом процессе, где используются несколько теплоносителей, следует передавать теплоту ступенчато: от горячего теплоносителя к теплоносителю с температурой, которая наиболее близка к температуре горячего теплоносителя. Однако при этом требуются большая площадь теплообменных поверхностей и большие затраты энергии на прокачивание теплоносителя через теплообменные аппараты.
Некоторые процессы имеют весьма низкий эксергетический КПД даже при использовании современных технических решений. Так, низкое значение эксергетического КПД водогрейного котла вызвано прежде всего необратимостью процессов горения и теплообмена между продуктами сгорания и нагреваемой водой. КПД можно несколько повысить, например, уменьшив коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания, улучшив теплоизоляцию котла и т.п. Однако для значительного снижения потерь от необратимости процесса теплообмена между высокотемпературными продуктами сгорания и относительно низкотемпературной водой необходимо применять нагреватели других типов, использующие уходящую из технологической установки теплоту потоков рабочего тела с более низкой температурой.
Эксергетический анализ эффективности использования энергии в необратимых процессах применяют для решения двух основных задач:
установления максимальных термодинамических возможностей в вычисления безвозвратных потерь эксергии в результате необратимости процессов и циклов;
обоснования рекомендаций по совершенствованию процессов, протекающих в энергетических и теплотехнологических аппаратах и установках.
При решении первой из этих задач эксергетический анализ позволяет определить общую степень совершенства схемы и численно найти потери эксергии в отдельных ее узлах. В ряде случаев на основе эксергетического анализа можно определить условия, соответствующие минимальным потерям эксергии в отдельных узлах схемы, а иногда и во всей схеме. В разветвленных системах можно уменьшить потери эксергии в узлах с наибольшей необратимостью, снизив потери в предыдущих узлах.
Для анализа установок, включающих в себя большое число аппаратов, в которых происходит преобразование теплоты, используют диаграммы потоков эксергии [7].
Очевидный недостаток эксергетических критериев применительно к технологическим аппаратам заключается в том, что эксергетический анализ трактует технологический аппарат как черный ящик [8]. Об эффективности технологического процесса этот анализ позволяет судить только по состоянию рабочих сред на входе и выходе. При этом известно, что температурный уровень процесса может существенно влиять на выход готового продукта, его качество и время протекания процесса.
Другим важным недостатком метода эксергетического анализа является то обстоятельство, что в отличие от энергетического анализа на основе этого метода не разработаны способы проведения технико-экономического обоснования выбираемых технических решений. У специалистов, работающих в энергетике, имеется понимание того, что теплота, переносимая теплоносите
лем с высокой температурой, имеет большую ценность, чем низкопотенциальная теплота, однако экономически обоснованных зависимостей, связывающих уровень температур теплоносителей и тариф на тепловую энергию, в настоящее время нет.
Применение методов эксергетического анализа целесообразно в первую очередь при рассмотрении тех процессов, в которых производятся, преобразуются или используются разнородные виды энергии — теплота, механическая и электрическая энергия, например, в энергетических установках различных типов, в холодильных установках и тепловых насосах, в турбодетендерных агрегатах. В [9, 10] показана эффективность метода эксергетического анализа при разработке сложных тепловых схем, в которых происходят смешение потоков теплоносителей и разделение газовых смесей.
Система термодинамически объективных показателей эффективности тепловых процессов позволяет значительно расширить рамки инженерных применений законов технической термодинамики, способствует осмысливанию особенностей тепломеханических взаимодействий и преобразований и дает возможность предотвратить ошибки в оценке фактического использования энергии и истинной эффективности тепловых процессов и установок.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 1746; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!