книги / Эксергетические расчеты технических систем
..pdfввести объективные количественные характеристики отходов, сбрасывае
мых в окружение; оценить степень глубины переработки природных ресурсов;
количественно сопоставить качественно неравноценные природные ресур сы, конечные и побочные продукты.
В данном случае под ПС понимается предприятие, перерабатывающее как природные ресурсы, так и конечные или промежуточные полезные продукты произведенные другими ПС. Основными структурными элементами, входящим*! в ПС, являются: подсистема основного производства конечных и побочных по лезных продуктов (I); подсистема по переработке вторичных ресурсов основ ного производства (II); склад готовой продукции (III) [22].
Взаимодействие в общем случае осуществляется посредством потребления ПС на входе потоков эксергии (прямых и косвенных) природных ресурсов и сброса на выходе эксергии отходов в окружение. Интенсивность взаимодейст вия ПС с окружением определяется эксергией как потребляемых природных ресурсов, так и сбрасываемых отходов. Процесс девальвации этих отходов про должителен и при переходе определенных уровней входит в противоречие с об щими принципами равновесного существования экологических систем.
Схема, представленная на рис. 9.27, позволяет получить общее представ ление о взаимодействии с окружением. Как видно из диаграммы, непосредст
венно в ПС поступают природные ресурсы Евх в сыром виде Ерес и в виде ко нечных или побочных продуктов, выработанных в других ПС. Пусть некоторый полезный продукт предварительно проходит через N процессов переработки, транспорта в других ПС, каждый из которых характеризуется эксергетическим КПД r\ei. В этом случае эксергия полезного продукта, произведенного в ПреД-
шествующих ПС, представляется в виде Е£ес = Е£ес |
JV |
|
П г|^. |
||
Суммарная эксергия |
|
i=i |
^вых, выходящая из подсистемы основного произ |
||
водства (/), состоит из |
эксергии материальных |
£пол и энергетических |
£^ол потоков конечных продуктов и соответствующих потоков £сбр> £?бр> пред назначенных для сброса в окружение:
■^ВЫХ --- ^пол + Е п о л -f- £*сбр “Ь £сбр.
В некоторых случаях потребительная стоимость полезных продуктов
определяется не полной их эксергией £пол, ЕэпоЛу а некоторой ее частью, необ ходимой для дальнейшего использования. В частности, эксергия, обусловлен
ная высокой температурой, с которой полезные продукты |
поступают на |
||
склад (///), бесполезна. В |
этом случае |
часть термической |
составляющей |
эксергии полезного продукта |
следует отнести к потокам, предназначенным |
||
для сброса в окружение. |
tj |
|
|
Неотъемлемой частью современной ПС становится подсистема (II) по пере |
|||
работке вторичных ресурсов |
основного |
производства — £сбР, £сбР, £™л. |
В результате деятельности этой подсистемы увеличивается объем или номенк латура полезных продуктов за счет эксергии используемых вторичных ресурсов
£вт, £ Вт и уменьшается эксергия потоков, сбрасываемых непосредственно в окружение, £ Сбр. Кроме того, в каждом из потоков присутствует транзитная
эксергия £ тр, которую следует также учитывать [39].^Показатель глубины
Вычисление ущерба как оценки воздействия производственной системы на окружающую среду
Один из этапов оптимизации ПС — экологическая оцен ка ее функционирования (расчет экономического ущерба), которую следует проводить после оценки термодинамических и технико-экономических возмож ностей ПС. Необходимость этого этапа обусловлена требованием органичного размещения ПС в биосфере.
Экологическое воздействие в единицах эксергии имеет совершенно опреде ленный физический смысл — работа, которая будет совершена над окружением (последствия). Этот показатель практически не зависит от времени, поскольку изменением (эволюцией) окружения можно пренебречь. В нем вполне обосно ванно могут быть просуммированы различные виды воздействия на окружение в одинаковых единицах измерения. Показатель не зависит от факторов восприя тия, количества и характера объектов, попадающих в зону воздействия ПС на окружение, численности населения, природных ресурсов этой зоны. В то же время вредность сбрасываемых отходов и материальный ущерб одной только эксергией определить нельзя. Эксергию отходов можно рассматривать лишь как первое приближение в оценке ущерба окружению.
Отличие ущерба от воздействия заключается в том, что он измеряется не в натуральной, а в стоимостной форме. Для его вычисления требуется установить связь между видами воздействия (достаточно многочисленными) ПС на окруже ние и его последствиями, выраженными в денежных единицах. Ущерб рассчи тывается на основе принятой ныне концепции государственной временной эко логической стандартизации окружающей среды (нормативный подход) [161.
В качестве примера, рассматриваемого в рамках этого подхода, вычислим оптимальный эксергетический КПД ПС с учетом использования природных ре
сурсов [727]. Полагаем, что ущерб Урес наносимый природным ресурсам, про порционален потоку эксергии на входе в ПС:
У Г С = сцЕ рсс = щ Е ВХУ
где а; — ущерб, наносимый окружению, отнесенный к единице эксергии при родных ресурсов (коэффициент, связывающий воздействие ущербом) руб./Дж. С учетом эксергетического КПД для ПС х\е = Евых/Евх:
У Г = atE w x/i\t .
Считаем, что ущербы в окружении, пропорциональные потокам эксергии на выходе из ПС, описываются формулой
У / = b j E c c p — Сь Е хюлу
где bj — ущерб в окружении отнесенный к эксергии сбрасываемых отходов, руб./Дж; ск — прибыль, отнесенная к эксергии полезных продуктов, руб./Дж.
Затраты, связанные с использованием природных ресурсов,
Зохр = |
У а с + £ сбр £ b f - |
Епол J ** |
(9.117) |
|
|<? |
«=1 |
/=1 |
* = i |
|
а оощие затраты на основное производство за год
3 0сн = Е нКос* 4 “ Соса 4~ 3 0хр 4 ” Звсп* |
(9.П8) |
Здесь Ен — нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитало вложений; Коен — капиталовложения на основное оборудование; С0Сн — экс плуатационные расходы на основное оборудование; ЗВСп — вспомогательные расходы (считаются постоянными).
Принимаем, что капиталовложения состоят из постоянной части К0 и пере менной ДК, от которой зависит эксергетический КПД. Связь между переменной частью и эксергетическим КПД приближенно описывается гиперболой
ДК = ДКль/О— лЛ. |
(9.119) |
где ДК — переменная часть капиталовложений, соответствующая |
г\е =-- 0,5 |
руб./год. |
|
Эксплуатационные расходы Сосн также состоят из постоянной части С0, составляющей стоимость ремонта, обслуживания и вспомогательных материа
лов,^, переменной ДС, включающей в себя стоимость основного сырья: |
|
Сосн — С0 ДС/Т]е. |
(9.120) |
G учетом уравнений (9.117), (9.119) и (9.120) формула (9.118) принимает вид
Минимизируя общие годовые затраты по эксергетическому КПД rje, получим выражение для расчета его оптимального значения:
Согласно этому выражению его значения с учетом ущерба, наносимого окруже нию, больше значения, полученного без учета этих потерь. С помощью такого подхода совершенно определенно фиксируется зависимость ущерба не только от воздействия на окружение, но и от существующих цен на элементы факторов восприятия, находящихся в зоне сброса отходов. В этой связи можно предполо жить, что величина ущерба за пределами экономического горизонта (20—25 лет) практически ничего не отражает.
Масштабы вовлечения в производство исчерпаемых природных ресурсов, снижение удельного веса трудозатрат в себестоимости по всему производствен ному циклу от добычи сырья до выпуска полезного продукта приводят к необ ходимости введения в систему экономических показателей единого энергети ческого показателя. Таким показателем может служить эксергия.
Ситуацию, когда научно-технический прогресс приведет к повышению ро ли в общественном производстве факторов, не связанных напрямую с затратами общественно необходимого труда (энергозатрат), предсказал еще К. Маркс. «Создание действительного богатства становится менее зависимым от рабочего времени и от количества затраченного труда, чем от мощи тех агентов, которые приводятся в движение в течение рабочего времени и которые... зависят скорее
от общего уровня науки и прогресса техники или от применения |
этой науки |
к производству» [93]. Уровень развития технологий и является той |
основой, на |
которой строится система энергетических затрат на выпуск конкретного вида полезного продукта. Этот показатель не подменяет стоимостные показатели, а дополняет их, объективно отражая важную статью расходов — природные ресурсы.
Вычисление ущерба на основе системы энергетических затрат — лишь одн© из многих приложений эксергии. Ущерб, наносимый окружающей среде и ее природным ресурсам, выражается через затраты этих же природных ресурсов и в энергетических единицах полностью определяется уровнем развития техно* логий. Поэтому в прогнозных исследованиях энергетическим оценкам стоит отдать предпочтение перед денежными.
Эксергетические затраты на добычу природных ресурсов и полезных про* дуктов, произведенных в ПС, можно вычислить следующим образом. Затраты
эксергии на производство /-го продукта et выражают кумулятивное потребле ние эксергии невозобновляемых природных ресурсов, накапливающееся в пос ледовательной цепи производственных процессов от добычи природных ресур сов до получения полезного продукта. Эти затраты всегда больше суммарной эксергии конечного продукта, поскольку на всех звеньях имеются потерн эксергии.
Затраты эксергии ei рассчитываются решением системы линейных уравне ний, учитывающей общее потребление природных ресурсов и полезных продук тов
ei + |
fijei = 5] aVei + |
S пыеьес (i = 1, 2, |
/), |
(9.121) |
/ = i |
/ = i |
* = i |
|
|
где fij — отношение объема производства /-го побочного продукта к единице /-го конечного продукта; щ}- — отношение объема потребления /-го побочного продукта на единицу /-го конечного продукта; riik — отношение объема по требления 6-го природного ресурса на единицу /-го конечного продукта;
еГс — эксергия 6-го природного ресурса; I — общее количество конечных и\ побочных полезных продуктов [726].
Второе слагаемое левой части уравнений (9.121) представляет собой сум марную эксергию побочных продуктов производства /-го конечного продукта, первое слагаемое в правой части — общие затраты эксергии на производство /-го конечного продукта. Коэффициент — выражает потребление конечных и побочных продуктов. Второе слагаемое правой части имеет место только для тех продуктов, при производстве которых непосредственно потребляют ся природные ресурсы.
С развитием производства энергетические затраты существенно меняются, поэтому время от времени их следует уточнять. Балансовые уравнения (9.121) можно использовать для решения задач минимизации потребления природных ресурсов с учетом ущерба окружению, при выполнении обязательного объема конечного продукта, ограничений по оборудованию и рабочей силе [436]. Энер гетические затраты на некоторые производства в США и методики их вычисле ния приведены в [288, 303, 304].
Эксергия в эволюционном моделировании
Некоторые ученые утверждают, что биологическая эво люция — это процесс вынужденного развития под влиянием потока эксергии, называемой [134] «свободной энергией». В основе такого энергетического под хода к эволюции лежат термодинамическое обоснование энергетические прин ципов развития и понимание необходимости существования притока эксергии извне в рассматриваемую систему. Постоянное воздействие потока эксергииг' на систему, ограниченную по веществу и объему, ведет к возникновению собствен ного круговорота веществ в системе и потока эксергии из системы.
Предполагаются 1134] два пути биологической эволюции: экстенсивное и интенсивное развитие. Первый связан с захватом эксергии биологической сис темой, второй — с эффективностью использования эксергии. Согласно первому, поток эксергии, использованной системой, возрастает, достигая локального максимума, обусловленного конкретными условиями существования системы, согласно второму — биологическая система развивается таким образом, что возрастает потребление эксергии на единицу биологической структуры. В про цессе эволюции живые системы совершенствуются и производительность их на единицу структуры (массы, объема и т. п.) становится более высокой. Жизнен ные проявления биологических систем (численность объектов, скорость их раз вития и воспроизводства) зависят от количества эксергии, поступающей в со ответствующую систему, и скорости движения через нее вещества.
В исследованиях [472—474] использовалось понятие эксергии примени тельно к планктонным популяциям водорослевой биомассы. Эксергия рассмат ривалась как основной показатель, характеризующий степень развития эко систем. Особо следует отметить, что понятие экологической емкости (buffering capacity) — одно из важнейших в экологии, также связывается с эксергией 1557],
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I. Аксельбанд A. Л., Бильдер 3. П., Ясинский А. С. Эксергетический КПД теплообменников «вода — пар» с учетом гидравлических сопротивлений // Изв. вузов. Энергетика.— 1970.— N° 7.— С. 107— 109.
[ 2. Алашкин В. М., Нестеров Б. П ., Коровин Н. В. Оптимизация гидразин-перекисьводо- родной кислородной электрохимической энергоустановки // Электрохимия.— 1978.— 14, N° 4.— С. 637—638.
2а. Анатычук Л. И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства.— Киев Наук, дум ка, 1979.— 768 с.
3.Андреев Л. П. Обобщенное уравнение связи КПД энергоиспользующей системы и КПД ее элементов // Изв. вузов. Энергетика.— 1982.— N° 3.— С. 77—82.
4.Андреев Л. П. Оценка термодинамической эффективности теплового хозяйства свеклоса
5. |
харного |
завода |
// Пром. |
теплотехника.— 1984.— 6, N° 6.— С. 41—45. |
|
Андреев Л. Л ., |
Костенко Г |
Н. Эксергетические характеристики эффективности теплооб |
|||
|
менных |
аппаратов // Изв. вузов. Энергетика.— 1965;— № 3.— С. |
53—60. |
||
6. Андреев Л. П., |
Никульшин В. Я., Рабе Ф. X. Алгоритм определения эксергетических ха |
||||
7. |
рактеристик тепловых схем |
электростанций // Там же.— 1988.— № 10.— С. 60—65. |
|||
Андреева Н. А., Семенова Т. А., Лейшес И. Л. Эксергетическая оптимизация процесса двух |
|||||
|
ступенчатой конверсии оксида углерода в современных агрегатах |
производства аммиа |
ка // Хим. пром-сть.— 1987.— N° 8.— С. 457—459.
8 . Андрющенко А. И. Основы технической термодинамики реальных процессов.— М. : Высш. шк., 1968.— 223 с.
9.Андрющенко А . Л. Термодинамические расчеты оптимальных параметров тепловых элект ростанций.— М. : Высш. шк., 1963.— 230 с.
10.Андрющенко А. И. Техническая работоспособность термодинамических систем.— Сара
тов : Изд-во Саратов, автодорож. ин-та, 1956.— 68 с.
II. Андрющенко А. И., Понятое В. А., Змачинский А. В. Оптимизация тепловых циклов и процессов ТЭС.— М. Высш. шк., 1974.— 280 с.
12.Андрющенко А . И., Понятое В. А., Хлебалин /О. М. Дифференциальные уравнения эн тальпии, эксергии и температуры, применяемые для оптимизации теплоэнергетических установок // Изв. вузов. Энергетика.— 1972.— N° 7.— С. 59—66.
13.Андрющенко А. И., Попов А. И. Основы проектирования энерготехнологических устано вок электростанций.— М. Высш. шк., 1980.— 240 с.
14.Андрющенко А. И., Хлебалин Ю. М. Применение метода работоспособности для расчета экономически наивыгоднейших начальных параметров пара // Теплоэнергетика.— 1964.—
N° 5.— С. 71—74.
15. Бадылькес И. С. Свойства холодильных агентов.— М. : Пищ. пром-сть, 1974.— 176 с.
16.Балацкий О. Ф., Мельник Л. Г.. Яковлев А. Ф. Экономика и качество окружающей при родной среды.— Л. : Гидрометеоиздат, 1984.— 182 с.