23. Эксергетический анализ теплообмена

В основе эксергетического анализа лежит понятие эксергии. Существует неск. ее формулировок. По одной из них эксергия суть работоспособность - термин, применяемый для обозначения макс. работы, которую может совершить система при переходе из данного состояния в состояние равновесия со всеми компонентами окружающей среды, рассматриваемой как источник и приемник любых потоков энергоносителей и энергии (электрическая, тепловая).

Во-первых, макс. работу можно получить только в обратимом (равновесном) процессе, который теоретически возможен при бесконечно малой движущей силе (напр., разности температур, давлений, хим. потенциалов). Все реальные процессы происходят с возрастанием энтропии при конечной разности температур и, следовательно, необратимы. Поэтому полученная в них работа всегда будет меньше максимально возможной; для оценки этой работы ее надо сравнивать с максимально возможной в данном процессе, т. е. с эксергией. Во-вторых, макс. работа м. б. получена только при взаимод. системы с окружающей средой. Напр., для получения эксергии топлива его сжигают в определенном кол-ве О₂, взятом из окружающей среды; при использовании для горения чистого кислорода будет получено больше теплоты, но суммарная эксергия окажется меньше, т. к. для получения О₂ из воздуха необходимо затратить некоторую работу, а значит, эксергию. В основе одной из иных формулировок эксергии лежит допущение о том, что энергию тела можно представить суммой двух составляющих: Э = Е + А. В соответствии с этим равенством эксергия Е определяется как часть энергии, которая в данных условиях окружающей среды м. б. превращена в любую др. ее форму (см. ниже). Вторую составляющую А, наз. Анергией, ни в какую иную форму энергии, включая мех. работу, превратить нельзя; между анергией и энтропией существует связь: анергия - энергия полностью неорганизов. движения молекул, энтропия - мера этого движения.

24. Страты эксергии в теплообменном аппарате

Большинство процессов, протекающих в химико-технологических системах, в той или иной степени связано с теплообменом рабочих веществ и теплообменом с окружающей средой. При этом эксергия одного рабочего тела повышается за счет уменьшения эксергии другого. Часть эксергии безвозвратно теряется. Потери эксергии при теплообмене обусловлены нескольким причинами.

Наиболее значительны потери эксергии, связанные с передачей тепла при конечной разности температур теплоносителей, часть потерь вызвана продольной теплопроводностью (в теплообменниках тепло передается не только в направлении, перпендикулярном поверхности теплообмена, но и вдоль этой поверхности), гидравлическим сопротивлением аппарата, теплообменом с окружающей средой. Для определения эффективности работы теплообменных аппаратов необходимо оценить эти потери.

При передаче тепла от одного теплоносителя к другому эксергия теплового потока уменьшается на величину

, (1.1)

где E_г, Е _х – эксергии горячего и холодного теплоносителей;

_г, _х, – средние эксергетические температуры горячего и холодного теплоносителей;

Q – тепловой поток между теплоносителями;

_ер – средняя разность эксергетических температур теплоносителей.

, , (1.2)

где и -средние температуры горячего и холодного теплоносителей;

Т₀ – температура окружающей среды.

В процессе теплообмена никакой полезной работы не совершается и, следовательно, изменение эксергии теплового потока равно потерям, обусловленным необратимостью процесса из-за конечной разности температур теплоносителей. Таким образом, из уравнения (1.1) видно, что эксергетические потери от конечной разности температур при теплообмене для данного теплового потока пропорциональны средней разности эксергетических температур теплоносителей.