5.2.5. Модель окружающей среды Бродянского.

Ввиду принципиальной неоднозначности выбора веществ отсчета при построении универсальных моделей окружающей среды авторы [12] предложили использовать при расчетах эксергии локальную модель ОС. Согласно такому подходу при эксергетическом анализе конкретной технической системы строится своя модель окружающей среды, с учетом использующихся в системе природных ресурсов и их состава.

Авторами [12] разработан алгоритм построения локальной модели ОС, который сводится к следующему: в качестве веществ отсчета выбираются наиболее девальвированные вещества из ближайшего природного окружения рассматриваемой системы. Например, при рассмотрении процесса получения пресной воды выбор вещества отсчета зависит от того, что является сырьем: морская или речная вода. Такой подход к расчету эксергии позволяет получать величины, коррелирующие с реальными затратами работы в том или ином процессе. Однако в этом случае становится невозможным проведение сравнительного анализа типовых химических предприятий, так как величина эксергии одного и того же вещества может сильно отличаться из-за использования в системе различного сырья. Однако, как отмечают авторы [12], можно выбрать вещества, которые наиболее часто являются веществами отсчета в локальных моделях ОС. В большинстве случаев такой набор веществ отсчета удовлетворителен для составления локальных моделей ОС (таблица 5.4.)

Расчет химических эксергий по локальной модели ОС Бродянского в случае газообразных веществ отсчета и веществ отсчета из состава гидросферы аналогичен расчетам по модели Шаргута №2 [6]. Для твердых веществ отсчета Бродянский предлагает не учитывать концентрационную составляющую, так как использование данных о содержании твердых веществ в земной коре приводит к неверным результатам из-за сильной неоднородности земной коры по составу.

Таблица 5.4 : Наиболее часто используемые вещества отсчета в

локальных моделях ОС.

элемент	вещества отсчета
С	CO2
H	1.H2O (морская) 2.H2O (пресная )
O	O2
N	N2
S	CaSO4  H2O
P	Ca3(PO4)2
F	Ca10P6O24F2
Cl	NaCl
Br	1.Br - 2.KBr
I	1. IO3- 2. KIO3
B	H3BO3
Si	SiO2

5.3. Проблемы выбора параметров окружающей среды, методов расчета химических эксергий.

При построении модели ОС необходимо соблюдать следующие условия:

1. Параметры ОС должны оставаться неизменными при взаимодействии с технической системой. Иначе говоря, окружающая среда должна быть настолько большой, что при любых взаимодействиях с изучаемыми объектами ее параметры практически не изменяются.

2. Компоненты окружающей среды должны находится в термодинамическом равновесии. В этом случае ОС может характеризоваться нулевой эксергией и служить уровнем отсчета.

3. Для каждого элемента из всех его соединений выбирается одно вещество отсчета. В этом случае, как показано в [3], модель ОС является однозначной (внутренне непротиворечовой).

4. В качестве вещества отсчета для элемента выбирается наиболее распространенное в природе вещество, содержащее этот элемент.

5. Вещество отсчета должно быть по возможности наиболее девальвированным.

Согласно современным представлениям [2,3,6,7,10,12] модель ОС включает в себя следующие параметры:

1. Температура окружающей среды T₀ . Температура природной ОС имеет как сезонные колебания, так и колебания по географической широте. Кроме того, температура различных слоев атмосферы, гидросферы и литосферы неодинакова и может меняться по сложным закономерностям. Сезонные колебания температуры нижних слоев атмосферы зависят от географического

положения. В работе [10] приведено распределение средней температуры воздуха t по широте  ( таблица 5.5 )

Таблица 5.5: Распределение средней темпратуры воздуха по широте.

	00	200	400	600	800	900
t, C0	+26	+24	+13	-2	-22	-28

С другой стороны, в химической термодинамике введено понятие о базовой температуре T=298.15 К, для которой приводятся обычно справочные данные по термодинамическим свойствам веществ. Поэтому данная температура используется чаще всего как температура модели ОС. В случае анализа закрытых систем возможно использование и других температур.

2. Давление р₀ . Давление воздуха в природной окружающей среде также подвержено различным колебаниям. Однако в отличие от температуры, общепризнанным является использование стандартного давления p=101325Па. Кроме того, в использовании находится понятие о международной стандартной атмосфере [18,19] для которой принято:

• подчинение изменения давления с высотой барометрической формуле с p₀ =101325 Па;

• изменение температуры с высотой происходит от значения 15⁰ C с радиентом 6.5 град/км до высоты 11 км, где температура становится равной -56.5⁰ С и не изменяется далее.

Таким образом, в качестве давления модели ОС в основном принимается

р₀ =101325 Па.

3. Химический состав. Исторический анализ развития моделей ОС, представленный в [10], показывает, что химический состав модели ОС изменялся в соответствии с кругом рассматриваемых технологических процессов и участвующих в них веществ. Впервые эксергетический анализ применялся к процессам горения топлив и, поэтому, в модель среды входили вещества отсчета для элементов C, H, O. Распостранение эксергетического анализа на металлургические процессы потребовало введение в модель ОС элементов-металлов [7]. Кроме того, химический состав модели ОС зависит от рассматриваемого процесса, так как часто нет необходимости в полной модели ОС: достаточно указать вещества отсчета для имеющихся элементов.

Не существует общих подходов к выбору веществ отсчета. Так как окружающая среда с одной стороны принимается за нулевой уровень отсчета эксергии, а с другой стороны является неравновесной системой, то необходимо выбрать такие вещества отсчета, чтобы величины химических эксергий имели положительный знак. Если величина эксергии соединения А в предложенной модели отрицательна, то его следует выбрать веществом отсчета в такой модели [2]. Иными словами, вещества отсчета должны выбираться из наиболее девальвированных соединений (высшие оксиды, карбонаты, силикаты и др.). Однако такие соединения часто имеют неопределенный (переменный) состав (многие минералы), либо нет термодинамических данных о свойствах этих веществ (энтальпия образования, , энтропия, , энтальпия при Т, , энтропия при Т, ) необходимых для расчета химической эксергии. Поэтому выбор химического cостава модели ОС является неоднозначным.

4. Концентрация веществ отсчета. Проблема выбора концентраций веществ отсчета обычно связана с выбором веществ отсчета из различных частей природной ОС.

Газообразные вещества отсчета выбираются из состава атмосферы. Состав последней изучен достаточно хорошо и позволяет использовать эти данные при расчете концентрационной составляющей химической эксергии. Такие вещества, как N_2, O₂, Ar, Kr, Xe, Ne, Нe общеприняты в качестве веществ отсчета для соответствующих элементов. Однородность атмосферы позволяет ввести стандартные концентрации. Однако состав атмосферы зависит от влажности воздуха. Поэтому мольное содержание веществ отсчета в атмосфере обычно перерасчитывается на 100 % влажность.

Выбор веществ отсчета из состава гидросферы требует прежде всего уточнения понятия гидросферы. Это может быть морская или речная вода, или бесконечно разбавленные растворы. В последнем случае значения стандартных концентраций принимаются равными нулю, что существенно упрощает расчеты, но при этом теряется концентрационная составляющая эксергии. При выборе морской и пресной воды моделями гидросферы возникает неопределенность в стандартных концентрациях, ибо содержание различных веществ в морской и пресной водах колеблется в широких пределах. Обычно рассматривается так называемое море среднего состава. Однако такое усреднение частично лишает смысла величину концентрационной эксергии. Понятие о стандартной концентрации веществ отсчета из литосферы частично лишено смысла, так как определение долей элементов в земной коре затруднено ввиду крайней неоднородности земной коры по составу. Использование этой величины не отражает ее смысла при расчете концентрационной эксергии. Поэтому использование стандартных концентраций твердых веществ отсчета является наиболее спорным вопросом при построении модели ОС. В тех работах, где она используется [3,6] указывается, что величины эксергий являются приближенными.