Классификация видов эксергии. Окружающая среда

Во всех энергетических превращениях, определяющих работу  технической системы, может участвовать энергия самых различных форм. Однако все эти формы энергии могут быть сведены к двум видам:

- формы энергии, полностью превратимые в любые другие формы энергии; они не характеризуются энтропией;

- формы энергии, которые не могут быть полностью преобразованы в другие формы энергии. Возможности их превращения, как правило, определяются  как параметрами этой энергии или рабочего тела, так и параметрами равновесной окружающей среды. Такие формы энергии характеризуются энтропией, отличной от нуля.

Энергия первого вида (электрическая, механическая, магнитная и др.) в силу своей превратимости может быть в пределе  полностью использована в технических целях. Превратимость таких форм энергии не зависит от параметров окружающей среды. Для анализа подобных систем используется уравнение сохранения энергии:

                                            ,

где ΣW′ и  ΣW″ – суммы подведенных и отведенных потоков энергии; 

ΔW – приращение энергии системы. Для стационарного процесса приращение энергии в системе равно нулю и

                                           ΣW′ =  ΣW″

В общем виде на основе данного уравнения определяются коэффициенты, характеризующие различные системы преобразования энергии. Все они построены по формуле:

,

где  и   показывают потоки энергии, выбираются для каждой системы в отдельности.

Общие условия вычисления безразмерных коэффициентов:

величина  должна показывать полезный технический эффект процесса, а  ΣW2 - затрату энергии на его проведение.

Для теплосиловой  установки:

 - получаемая работа,    ΣW2  - подводимое тепло, а   - термический КПД   ηт.

Для компрессионной холодильной установки:

 - затрачиваемая работа,  - тепловой поток, отводимый от охлаждаемого объекта и подводимый к системе, а – холодильный коэффициент ε.

Для компрессионного теплового насоса:

 - отводимый тепловой поток,  - затраченная работа, – тепловой коэффициент μ.

Из примеров видно, что часть энергии, не входящая в  и  выпадает из рассмотрения. В первом и втором примерах – это тепло, отводимое в конденсаторе; в третьем – тепловой поток, подводимый к

системе на нижнем температурном уровне.  Эти величины в первом и втором случаях условно называют потерями. В связи с этим, определение качественных энергетических характеристик  с помощью

коэффициента    является условным, т.к. из рассмотрения исключается та часть энергии, которая в данном процессе не используется.

Все балансовые расчеты, относящиеся к  энергии первого вида, могут вестись только на основе первого  закона термодинамики – частного случая закона сохранения энергии.

Энергия второго вида (внутренняя энергия рабочего тела, энергия, передаваемая в виде теплового потока, энергия излучения, химическая энергия) не может быть полностью  преобразована в другие формы энергии. Границы превратимости таких форм энергии связаны не только с параметрами, её характеризующими, но и с параметрами равновесной окружающей среды. В пределе при равенстве параметров рабочего тела в системе и в равновесной окружающей среде технологическая ценность энергии системы равна нулю.

При решении инженерных задач в области энергетических превращений, где участвуют формы энергии второго вида, необходимо учитывать не только первое, но и второе начало  термодинамики. Поэтому понятия энергии в этих случаях недостаточно. Необходимо учитывать тот факт, что не всякая энергия и не при всех условиях может быть полностью пригодна для  технологического использования. Такая  мера пригодности любого вида энергии была названа эксергией.

Эксергия термодинамической системы в данном состоянии определяется количеством энергии, которое может быть получено внешним приемником от системы при ее обратимом переходе из данного состояния в состояние полного равновесия с окружающей средой.

Таким образом, при определении эксергии объектом рассмотрения являются: сама система, окружающая среда и внешние объекты в окружающей среде, которые могут служить источниками или приемниками энергии.

Система  может быть простой и сложной. Примером простой системы является некоторое количество рабочего тела в замкнутом объеме, сложной - крупный энергетический, химический  агрегаты, биологическая система.

 Система может быть  закрытой (без обмена с окружающей средой)  и отрытой (с обменом с окружающей средой); стационарной  и нестационарной.

Окружающая среда характеризуется следующими понятиями:

- ее параметры не зависят от параметров  рассматриваемой  системы (среда большая настолько, что изменения в системе не вносят изменений в окружающую среду);

- компоненты окружающей среды должны находится в полном термодинамическом равновесии

В связи с этим параметры окружающей среды могут считаться постоянными. Для полной характеристики окружающей среды достаточно знать три параметра: температуру (T0), давление (P0), химический состав (φ0).

При полном равновесии системы и среды эксергия равна нулю. Такое состояние системы называется нулевым.

Внешние объекты – источники и приемники энергии – характеризуются тем, что в них хотя бы один из определяющих параметров отличается от параметров окружающей среды. Они могут быть использованы в качестве внешних источников эксергии для «питания» системы. Например, топливо, сжатый газ, термальные воды, а для биологических объектов – пища.

На основании первого и второго начал термодинамики установлено, что в каждом данном состоянии эксергия системы, так же как и энергия, имеет определенное фиксированное значение.

В идеальном процессе взаимодействия систем с окружающей средой определяется  работа, равная эксергии.

 Если процесс будет остановлен до наступления равновесия системы и среды, то полученная работа будет равна убыли эксергии  системы.

В реальном процессе, происходящем в тех же условиях, работа будет меньше, чем убыль эксергии. Это означает, что часть эксергии не превращается в работу, а теряется. В этом состоит одно из существенных отличий эксергии от энергии.

Эксергия подчиняется закону сохранения только в обратимых процессах. Во всех остальных случаях, в реальных системах, она может частично или полностью теряться в результате  диссипации (рассеяния). Чем меньше эта потеря, тем процесс является более термодинамически совершенным.

Свойство эксергии  уменьшаться при необратимых процессах позволяет сформулировать второе начало термодинамики применительно к системам, взаимодействующим с окружающей средой.

Эксергия системы, взаимодействующей с окружающей средой, остается неизменной при обратимом проведении всех процессов как внутри ее, так и во взаимодействии со средой, и уменьшается, если любой из этих процессов проходит необратимо.

Уравнения, отражающие эксергетический баланс системы :

или

Здесь ∆Е – приращение эксергии системы между начальной и конечной точками процесса. Для стационарного процесса ∆Е = 0 и

                                             ΣD = ΣЕ′   -   ΣE″

Принципиальная разница между уравнениями  энергетического и эксергетического баланса состоит в том, что в энергетическом балансе обе части равны, а в эксергеттическом – левая часть в  реальных процессах всегда больше правой.

Эксергетический баланс во всех случаях показывает величину потерь от необратимости в системе. Степень её совершенства определяется эксергетическим  КПД.

  Для наиболее распространенных в технике систем необходимо при расчете величины эксергии учитывать три возможных вида взаимодействий в самой системе и между системой и окружающей средой:

- термические (потенциалом является температура T)

- диформационные (потенциалом является давление P)

- химические (потенциалом является химический потенциал)

В общем виде характер взаимодействия системы с окружающей средой и находящимися в ней объектами можно представить в виде схемы.

Рис. 2.1. Схема взаимодействия системы с окружающей средой и находящимися в ней объектами.

1 – система; 2 – внешние объекты, служащие  источниками потоков вещества, тепловых потоков и работы; 3 – внешние объекты, служащие приемниками потоков вещества, тепловых потоков и работы.

Слева – внешние объекты источники, справа – внешние объекты потребители.

           Как видно из схемы, система может совершать материальный  и  энергетический обмен с внешними объектами и с окружающей средой.  Обмен энергией в форме тепла  ± Q при температуре T=T0 может происходить в обоих направлениях. Обмен веществом с окружающей средой может быть только в одном направлении –  в направлении системы, поскольку система может использовать вещество окружающей среды (например, воздух) как сырьё. Выдача системой вещества, имеющего все параметры окружающей среды, не имеет смысла. Выдаваемые материальные потоки всегда имеют параметры, отличные от окружающей среды и должны быть отнесены к категории  ΣE″M.

             Классификация видов эксергии  представляется следующим образом. Эксергия делится на два основных вида:

- первый относится к формам энергии, не характеризуемым энтропией, где W=E;

-второй - к  формам энергии, характеризуемым энтропией, для которых E<>W.

            К первым принадлежат механическая, электрическая и другие виды эксергии. Здесь эксергия  равна энергии системы и специальный расчет эксергии не требуется. Ко вторым принадлежат все виды эксергии, характерные для основных процессов технической и химической термодинамики.