Основы эффективного энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли

где Ец - работа, отводимая от двигателя за цикл; Eq - эксергия потока теплоты

!

д 1, подводимая к двигателю за цикл; -Те = 1 - Т0/Т1эксергетическая температурная функция потока теплоты дь

Из полученного (3.21) следует: значение энергетического КПД зависит от соот­ ношения двух независимых друг от друга аргументов. Во-первых, термодинамиче­ ского совершенства теплового двигателя, количественно определяемого величиной

КПДе, во-вторых, соотношением температур теплоотдатчика и теплоприемника, ко­ личественно определяемого величиной Те- Нельзя не согласиться, что без учета дан­ ного факта весьма трудно на основании лишь одного КПД установить причину не­ высокой эффективности преобразования энергии в тепловом двигателе и определить действенные пути ее повышения.

В вопросе определения КПДе для существенно более сложных открытых ТС преобразования вещества ситуация осложняется возможностью использования раз­ личных методик и, одновременно, оценкой роли побочных эффектов. Недостаток методики, лежащей в основе нахождения КПДе по выражению (3.17), усложняющий ситуацию для открытых ТС преобразования вещества, известен. Она не учитывает целевое предназначение системы, что порой приводит к абсурдным результатам. Достоинство заключается в простоте использования, что важно для быстроты полу­ чения начальных оценок.

90

_ ’

Рис. 3.4. Схема эксергетических потоков в ТС. Здесь Епер. - эксергия

затраченных первичных энергоресурсов; Епр. - эксергия прочих потоков, поступающих в ТС; Ерасп. - располагаемая эксергия, т.е. эксергия, участ­ вующая в реализации процессов, протекающих в системе; Еисп. - полезная эксергия, т.е. используемая для достижения цели ТС; Е^*^ - транзитная эк­

сергия, т.е. не претерпевающая ни количественных, ни качественных из-

!! !!

менений в ТС; Е пол. - эксергия целевых выходных потоков ТС; Е в р - эк­ сергия вторичньгх потоков в данной системе не используемая, но обяза­

тельно используется внешними объектами; ,Весоответственно внут-

ренние и внешние потери эксергии ТС; 2^Е, 2^Е - соответственно эксергетические вход и выход системы

91

ставляют интерес в плане оценки перспективности вложений средств в борьбу с тем или иным рассеянием энер­ гии. Существует обратная за­ висимость между необходи­ мыми капитальными затрата­ ми на мероприятия по снижеПИЮ потока рассеяния энер­ гии и величиной соответст­ вующего потока эксергии.

Роль внутренних потерь эксергии, которые нельзя оп­ ределить иначе как на основе второго закона термодинами­ ки (наиболее просто это сде­ лать с помощью эксергетического баланса), иная и связана с термодинамиче­ ским несовершенством непо­ средственно процессов в са­ мой системе. Они указывают

на процессы, приводящие к понижению качества энергии. Устранение снижения ценности энергии (уменьшение внутренних потерь эксергии), в конечном итоге, приведет к снижению расхода первичной энергии. Выявить эти процессы на основе баланса энергии принципиально невозможно. Эффективность борьбы с внутренни­ ми потерями эксергии, оцениваемая по изменению энергопотребления, оказывается весьма значимой. Примером может служить, столь популярное в последнее время, энергосберегающее мероприятие, применимое для ряда котельных, предусматри­ вающих замену процесса дросселирования пара процессом адиабатного расширения. В обоих случаях достигается основной эффект - снижение давления пара (рис.3.6). Но, если в процессе дросселирования, при сохранении энергии потока (11 = 12), от не­ го не отводится работа и имеет место потеря эксергии (Ф = е1 - е2> 0), в процессе

93

адиабатного расширения энергия потока уменьшается (11 > 12), поскольку расходует­ ся на совершение технической работы, а эксергия, при этом, сохраняется в большей степени. О последнем можно судить по увеличению энтропии Азн обоих процессов: чем оно меньше, тем меньше теряется эксергия. В итоге, с учетом побочного эффек­ та АЬ (полученной дополнительно работы), достигается суммарная экономия пер­ вичной энергии.

Введение эксергетического анализа в практику научных и инженерных иссле­ дований совершенно необходимо. С этим не может не согласиться вдумчивый чита­ тель. Без этого нельзя создать эффективную научно-методическую базу для уста­ новления резервов экономии теплотехнологических производств. Еще многое не решено в части применения ЭА для ряда конкретных теплотехнологических процес­ сов, имеющих свои специфические особенности. Еще многое надо сделать, чтобы ЭА стал обязательной неотъемлемой частью каждого энергетического обследования любого объекта, как действующего, так и проектируемого.

3.4. Эксергетические характеристики и структура технической системы

Рассмотренные выше энергетические и эксергетические характеристики техни­ ческой системы могут быть улучшены только тогда, когда будет понята ее внутрен­ няя организация. Для установления связей внутри технической системы, прежде всего, необходимо провести разделение ее на блоки (подсистемы), что получило на­ звание декомпозиции. В результате декомпозиции получается структурная схема системы.

Структурная схема. В основе процедуры создания структурной схемы лежат технологический процесс, реализуемый в системе, и цели, которые должны быть достигнуты в результате последующего анализа. Оборудование и устройства техни­ ческой системы, процессы, протекающие в них не представляющие интереса для ис­ следования и физически связываемые в единую группу, объединяются в одном бло­ ке, рассматриваемом в дальнейшем как «черный ящию>. Наоборот, те подсистемы, которые вызвали интерес, разбиваются на более мелкие блоки. Производить перво­ начальное укрупнение блоков целесообразно и при исследовании сложных объектов

94

с тем, чтобы облегчить анализ. Работа, в этом случае, сводится к выявлению наибо­ лее значимого в плане энергопотребления укрупненного блока и его дальнейшего самостоятельного рассмотрения. На структурной схеме, в отличие от технологиче­ ской схемы, могут быть блоки, которые на последней схеме обозначены линиями. К таковым могут относиться, например, трубопроводы. На структурной схеме, в отли­ чие от технологической, проставляются абсолютно все связи между подсистемами и моделью окружения: основные технологические потоки и вспомогательные, внут­ ренние и внешние. Внешние связи отображают потоки вещества или энергии между системой и моделью окружения и на схеме пересекают ее контрольную поверх­ ность. Внутренние связи - связи между ее подсистемами, на структурной схеме они не пересекают контрольную поверхность технической системы. Структурные связи системы могут быть однопараметрические и многопараметрические. Для полного энергетического описания первых требуется один параметр, примером может быть поток механической работы, поток электроэнергии. Описание вторых требует не­ скольких параметров: поток индивидуального вещества - трех параметров (напри­ мер, расход, давление, температура) поток смеси веществ - к трем названным выше необходимо задание состава и т.д. Для иллюстрации процесса декомпозиции и соз­ дания структурной схемы объекта обратимся к следующему примеру.

На рис. 3.7 приведена принципиальная схема производства асфальтобетонной смеси (АБС). Она достаточно громоздка и не слишком проста для восприятия. На рис. 3.8 приведена укрупненная структурная схема технологического процесса того же производства, которая облегчает начальный анализ системы, помогает понять его суть и выделить основное для последующего рассмотрения. Дальнейший выбор тре­ буемого блока осуществляется по тем или иным его показателям (наибольшее энер­ гопотребление, или наибольшие абсолютные потери, или наилучшие [наихудшие] относительные характеристики). Затем снова производится декомпозиция и анализ этого выбранного более мелкого блока (рис. 3.9). Подобный процесс детализации рассмотрения и анализа объекта продолжается (рис. 3.10) и прерывается по достижении требуемой детализации анализа.

Внутренняя организация реальных объектов сложна и не поддается аналитическому исследованию, допуская лишь численное исследование. Вместе с

95

Осадки, Ое

Рис.3.9. Структурная схема линии подготовки минеральных материалов: С,' влага - расход потока влаги осадков; Ьэлд - энергия, поступающая в 1-й блок в форме работы; ро.с., to.c,Wi - соответственно расход, давление, температура, влаж­ ность всех j-x потоков, поступающих в 1-й блок; Qocд - рассеяние энергии в ок­ ружающую среду через ограждающие конструкции 1-го блока; Омм, Wмм, 1мм - соответственно расход, влажность, температура, минеральных материалов; От, рт, 1т, Qн^ - соответственно расход, давление, температура, низшая теплота сго­ рания топлива на рабочую массу; Ов-х*^, Рв-х^, 1в-х^ - соответственно расход, дав­ ление, температура воздуха, поступающего на горение топлива; Гэл,2., Qoc,2 - со­ ответственно энергия подводимая в форме работы и отводимая в окружающую среду в форме теплоты от 2-го блока; Гэл з, Qoc,з. - то же для 3-го блока; Одг., Рд.г..? 1д.г - соответственно расход, давление, температура дымовых газов, покидаю­ щих блок №2.

98