2.2 Энергетическая оценка объёмов теплоты вторичных энергоресурсов

Располагаемая теплота вторичных энергоресурсов, согласно выражению (2.1) зависит от расхода теплоносителя, поступающего в утилизатор и его температуры. Высокие значения количества теплоты вторичных энергоресурсов могут быть обеспечены как большим расходом, так и высокой температурой.

Согласно термодинамическим законам, эффективность преобразования теплоты в полную энергию будет тем больше, чем выше потенциал рабочего тела, т.е. чем выше его температура и давление.

Математическое описание процессов гидродинамики и передачи теплоты в утилизаторах, которое принято называть математической моделью, имеет смысл представлять в виде аналитических выражений изменения давлений и температуры теплоносителей. В конечном счете, математическая модель утилизатора для её большей точности должна быть скорректирована коэффициентами, полученными путем теоретических и экспериментальных исследований. Аналитические зависимости математической модели получаются из соотношений сохранения массы, импульса, энергии и позволяют с достаточной степенью точности выполнять конструкторский расчёт передачи теплоты и описать гидродинамику рабочего тела.

Иначе обстоит дело с качественной оценкой теплопередающих свойств, учесть которые можно, оперируя только понятиями эксергии и анергии. Эксергия материи – это максимальная работа, которая может быть совершена в обратимом термодинамическом процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей средой 16. Однако все энергетические процессы, реализуемые на практике протекают необратимо. Поэтому действительная полезная работа меньше максимальной на величину, называемую потерей эксергии. Основными видами эксергии являются физическая и химическая, их сумма называется термической эксергией. В каждом практически протекаемом необратимом процессе эксергия преобразуется в анергию (рабочее тело с параметрами окружающей среды не имеет предпосылок для совершения дополнительной работы).

Эксергия системы или потока

, (2.8)

где: G - расход рабочей среды;

i, i₀ - энтальпия, соответственно, рабочего тела в начале процесса и при параметрах окружающей среды;

T₀ - абсолютная температура окружающей среды;

S, S₀ - энтропия, соответственно, рабочего тела в начале процесса и при параметрах окружающей среды.

При фиксированных значениях параметров конечного состояния Т₀ и р₀, определенных температурой и давлением окружающей среды, значение эксергии рабочего тела зависит только от его начального состояния. Поэтому эксергия является функцией состояния рабочего тела при заданных условиях в окружающей среде.

Котлы – утилизаторы представляют теплообменные аппараты, в которых передача теплоты происходит при конечной разности температур между греющим и обогреваемым теплоносителями, т.е. является неравновесным процессом. В результате теплообмена происходит уменьшение работоспособности греющего и возрастание работоспособности обогреваемого теплоносителя. Наличие необратимости (конечной разности температур) приводит к возникновению потерь работоспособности с эксергетических потерь). Эксергии теплоты, отдаваемой греющим и получаемой нагреваемым теплоносителями в противоточном рекуперативном теплообменном аппарате для случая пренебрежения зависимостями теплоёмкостей от температуры можно записать:

; (2.9)

, (2.10)

где и – количества теплоты;

и - расходы теплоносителей;

и - теплоёмкости теплоносителей.

Потеря эксергии выразится в виде разности эксергий теплоты

. (2.11)

Эксергетический КПД теплообменного аппарата определится отношением эксергии теплоты, полученной обогреваемым теплоносителем, к эксергии теплоты, отданный греющим теплоносителем:

(2.12)

Для случая, когда и

(2.13)

Выражение (2.13) является следствием закона Гюи-Стодолы:

(2.14)

где – суммарное увеличение энтропии необратимых процессов.

Эксергию в дифференциальной форме можно записать

, (2.15)

где – количество теплоты в потоке;

- коэффициент качества теплоты.

Коэффициент качества теплоты условно характеризует температурный потенциал теплоносителя, с увеличением которого термодинамические преобразования происходят более эффективно.