Основы эффективного энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли

связанные с ними. Поэтому термодинамические особенности технологического про­ цесса, т.е. способность системы избирательно воспринимать энергию, подводимую к ней в ходе протекания процесса, объясняют, почему энергия одного качества по­ требляется, другого - отвергается. Игнорирование данного факта дает жизнь далеко не лучшим структурным схемам набора оборудования для обеспечения теплотехно­ логических процессов, которые принципиально не могут обеспечить эффективное энергоиспользование. Это обосновывает необходимость изучения, как процессов преобразования вещества, так и вызвавших их процессов преобразования энергии. Разработка методов подобных исследований и входит в задачу термодинамики.

Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических объек­ тов (термодинамических систем), находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями.

Термодинамическая система (ТС) представляет собой совокупность тел, спо­ собных энергетически взаимодействовать между собой и с другими телами и обме­ ниваться с ними веществом. Все, лежащее вне ТС, относится к окружающей среде (ОС).

Термодинамика использует феноменологический метод исследования, который не предполагает рассмотрение природы и строения исследуемого объекта. В этом слабость феноменологической термодинамики. Однако, в этом и ее сила, поскольку установленные связи между макроскопическими величинами (давлением, темпера­ турой, энергией и пр.) и другими свойствами объекта, а также полученные выводы в результате такого подхода, оказываются фундаментальными, так как не связаны ни с какими теориями о строении вещества. Представление о строении вещества может изменяться, а выводы и соотношения феноменологической термодинамики, от него не зависящие, неизменны и верны в той мере, в какой справедливы основные положения и законы, лежащие в основании термодинамики. Последние получены в результате анализа и обобщения опытных фактов, накопленных человечеством. Ог­ ромное число опытных фактов позволяет придать полученным выводам статус зако­ нов. Их немного: два исходных положения и три начала (закона) термодинамики.

Первый закон термодинамики. Общепринятый баланс энергии ТС строится только основе первого закона термодинамики. Общий закон сохранения и превра­

70

щения энергии, конкретное выражение которого применительно к ТС заключает первый закон термодинамики, устанавливает постоянство суммы всех видов энер­ гии изолированной системы.

От того, как ТС взаимодействуют с ОС, их разделяют на закрытые и открытые. К первым относят ТС, в которых отсутствует обмен вещества с другими системами, ко вторым - ТС, в которых между ними и окружением имеют место материальные потоки. Если ТС не может обмениваться ни энергией, ни веществом с другими сис­ темами, то она является изолированной.

Первый закон термодинамики включает в себя принцип эквивалентности теп­ лоты и работы, что и отличает его от закона сохранения энергии в механике. Он имеет достаточно много формулировок, например:

-невозможны уничтожение и возникновение энергии;

-теплота и работа являются единственно возможными формами передачи энергии от одних закрытых ТС к другим;

-всякая ТС имеет однозначную функцию состояния, называемую внутренней энергией, изменяющуюся только под влиянием внешних воздействий в процессе перехода системы из одного состояния в другое. Внутренняя энергия - функция со­ стояния ТС, определяемая тем, что ее приращение в любом процессе, происходящем в закрытой системе, равно сумме теплоты, сообщенной системе, и работе, совер­ шенной над ней. Всякий термодинамический параметр является потенциальной функцией состояния ТС. Это означает, что его значение не зависит от пути перехода системы в данное состояние, т.е. не зависит от термодинамического процесса, предшествующего данному состоянию.

Полная энергия ТС объемом V, находящейся во внешней среде, состоит из соб­ ственно внутренней энергии системы и и энергии, которую необходимо затратить, чтобы обозначенный объем внести в среду давлением р. Полная энергия ТС получи­ ла название энтальпии. Энтальпия - функция состояния ТС, равная сумме внутрен­ ней энергии и произведения объема на давление

схема взаимодействия технической системы с ОС. В ряде случаев из ОС выделяют

71

внешние объекты (ВО) - термодинамические системы, которые могут быть источ­

никами и приемниками энергии. Тогда совокупность ВО и непосредственно ОС на­ зывают моделью окружения (МО).

В соответствии с представленной схемой взаимодействия системы с ОС можно

записать уравнения материального и энергетического балансов.

цах массы, которыми система обменивается с внешними объектами; М о с., М о с. ~

соответственно входные и выходные потоки вещества в единицах массы, которыми система обменивается с окружающей средой; АМ = Мсист.кон." Мсист.нач. ~ масса, акку­ мулированная (потраченная) системой в рассматриваемом процессе.

энергии соответствующих материальных потоков, которыми система обменивается с внешними объектами; EQ, EQ - соответственно подвод от внешних объектов и

отвод энергии к ним в виде теплоты тех или иных процессов; Е Ь , ЕЬ - соответст­

венно подвод от внешних объектов и отвод энергии к ним в виде работы тех или иных процессов; Q о.с., Q о.с. - соответственно подвод из окружающей среды и отвод энергии к ней в виде теплоты различных процессов, протекающих в системе и на границе сопряжения с внешней средой. Прочие обозначения пояснены на рис. 3.2.

В уравнениях (3.3) и (3.2) не учитываются кинетическая и потенциальная энер­

гия ТС как единого целого. Для стационарной ТС (стационарным называется со­

стояние ТС, при котором в результате постоянных внешних

воздействий, распределение значений параметров во всех ее частях остается неиз­ менным во времени, если последнее не соблюдается, то имеет место нестационарное состояние ТС) АМ=0 и ААУ=0. Подобные балансовые уравнения могут быть состав­ лены не только для всей системы в целом, но и для каждой ее части (подсистемы).

72

Полные энергобалансы объективно отвечают сути закона сохранения, и только они могут дать объективную картину энергопотребления промышленным предпри­ ятием, поскольку показывают равенство прихода в систему и выхода из нее всех ви­ дов энергии, обеспечиваюш;их осуш,ествление технологического процесса. Только на них, в совокупности с балансами эксергии (о последних речь пойдет ниже), мож­ но опираться при анализе энергопотребления теплотехнологическим процессом.

Тепловые балансы следует отнести к наиболее часто встречающимся зависимо­ стям при расчетах огнетехнических установок. Их следует понимать как форму ба­ ланса энергии, к которой приходит последний в результате перегруппировки членов уравнения. Теплоту нельзя вносить в систему с материальными потоками, поскольку они ее не содержат. Теплота - энергетический эффект процессов преобразования, протекающих в системе, а также одна из форм энергообмена процесса взаимодейст­ вия системы с моделью окружения. Теплота является характеристикой процесса и только процесса протекающего то ли в системе преобразования энергии, то ли в сис­ теме преобразования вещества. Но если в системах преобразования энергии не воз­ никает неоднозначности в определении теплоты протекающих процессов (за ис­ ключением теплового эффекта химической реакции окисления топлива), то в систе­ мах преобразования вещества возможна неоднозначность вычисления теплового эффекта совокупности химических реакций, поскольку можно привести различное количество самих реакций для одного и того же технологического процесса. А это позволяет получать результаты нужные для каждого конкретного случая и, понятно, далеко не совпадающие друг с другом. Другими словами, можно добиться несколь­ ких значений КПД, каждое из которых «верно». По этой причине необходимо ухо­ дить от использования в уравнениях энергобаланса тепловых эффектов реакций, в том числе и от использования «теплоты горения топлива», как низшей Qн^, так и высшей Qв*’, применяя вместо них значение химической энергии 1ц. компонентов ре­ акции. По этой причине тепловые балансы должны постепенно вытесняться из ин­ женерной практики.

Энергетические характеристики системы. С учетом выше изложенных обозна­ чений, уравнений и схемы взаимодействия ТС с моделью окружения, включающей

75

о с и внешние объекты (ВО), рассмотрим энергетические размерные и безразмерные характеристики. Различают приходную и расходную части балансовых уравнений.

Приходная часть обычно при записи располагается слева от знака равенства уравнения баланса. Слагаемые приходной части, их вклад в энергобаланс объекта отображается в структуре энергопотребления технической системы, которая являет­ ся важной характеристикой энергопотребления объекта. Очевидно, что вся приход­ ная часть относится к затратам энергии. Вместе с тем, по сложившейся практике, к затратам относят лишь часть приходных статей полного энергобаланса (к этому подталкивает, в том числе, практика использования частных энергобалансов), тем самым вносится элемент субъективизма и неоднозначности оценок одного и того же объекта.

Расходная сторона энергобаланса показывает распределение поступившей энер­ гии между подсистемами промышленного объекта. При этом выделяют две диаметралъно противоположные по своей сути части: «полезную» или «полезный эффект» и «потери». И в отношении полезного эффекта, и в отношении потерь далее может осуш,ествляться разделение на составляюш;ие статьи, устанавливаться их процент­ ный вес, в результате чего получаются, бесспорно, важные характеристики. Следует констатировать и здесь присутствие элемента субъективизма: что считатъ полезным эффектом, и что потерями? Как вычислять тот и другой? Если какой-либо продукт технической системы мы не способны или не желаем использовать, его энергию за­ носить в потери? Следует признать такой подход оценки полезного эффекта необъ­ ективным. Об этом следует помнитъ при сопоставлении результатов анализа той или иной системы, проведенных различными исполнителями.

Наиболее известной энергетической характеристикой процессов протекаюш;их в системе является энергетический коэффициент полезного действия (КПД). Понятие КПД стали использовать зачастую лишь как словосочетание, являющееся модным признаком времени, не задумываясь, что оно применимо, в основном, лишь к тем системам, где имеет место понятие термодинамической работы процесса, т.е. для части систем преобразования энергии.

Энергетический КПД определяется отношением полезного эффекта (АДУпол) процесса, протекающего в ТС, к затратам (АДМзатр) на его проведение

76

Энергетический КПД не может быть универсальной характеристикой системы,

что вытекает из вышеприведенных характеристик полезного эффекта и затрат. Он также не имеет единого диапазона изменения для различных технических систем. Например, для тепловых двигателей его значения могут колебаться в диапазоне О <

г|э < 1; для холодильных машин - в диапазоне О < г|э ^ для тепловых насосов - 1 <

Г1э< со. Таким образом, КПД не обладает универсальностью даже для закрытых сис­ тем преобразования энергии, к которым относятся выше перечисленные устройства.

Для несоизмеримо более сложных открытых систем, и в первую очередь для систем преобразования веш,ества, он вообш,е неприменим, поскольку целью техно­ логического процесса является достижение требуемых свойств продукта. Послед­ ние, как правило, не удается связать с изменением энтальпии продукта. Можно при­ вести немногочисленные исключения, в частности, некоторые сушила, нагреватель­

ные печи.

Для характеристики процессов протекаюш,их в технических системах преобра­ зования энергии, параллельно с КПД используется также величина, получившая на­

звание удельные затраты. Для ТС преобразования энергии удельные затраты явля­

ются величиной обратной КПД. Например, удельные затраты теплоты на получение одного джоуля работы в тепловых двигателях, определяются

q, = 1/КПД = АД^затр/А = Q/L, (3.5)

где Ь, кДж/час - работа, полученная от двигателя в течение заданного отрезка времени, в данном случае в один час; Q кДж/час - теплота, подведенная к двигателю в течение того же отрезка времени.

Для ТС преобразования веш,ества удельные затраты энергии на выпуск едини­ цы продукции являются, чаш,е всего, единственным относительным энергетическим показателем технологического процесса, устанавливаемым на основании баланса энергии. Этот показатель получил широкое распространение. Но надо понимать, что это достаточно неполная характеристика, не позволяюш,ая сделать прямого заклю­ чения о качестве организации энергетического обеспечения технологического про­ цесса. По большому счету, удельные энергозатраты не дают характеристики объек­ та. Сравнение удельных энергозатрат на выпуск аналогичной продукции на других

77

производствах не является объективной оценкой рассматриваемой системы по це­

лому комплексу причин:

-невозможно существование абсолютно адекватного производства;

-относительности сравнения;

-использования для энергообеспечения объекта нескольких энергоресурсов одно­ временно, к которым неприменимо в абсолютном смысле понятие аддитивности. К тому же, на разных производствах набор энергоресурсов может использоваться в неповторяющихся соотношениях.

3.3.Эксергетический баланс и эксергетические характеристики

Сложившаяся ситуация с энергоресурсами предъявляет повышенные требова­ ния к методам исследования тех или иных объектов с целью выявления возможно­ сти и путей снижения потребления энергии. Прежде всего, это касается методов со­ ставления энергобалансов теплотехнологических систем, являющихся основными потребителями энергоресурсов. Как вытекает из предыдущего рассмотрения, не все благополучно с количественной оценкой на основании предложенных относитель­ ных характеристик. С другой стороны, для теплотехнологических процессов в до­ полнение к обычной количественной оценке совершенно необходима количествен­ ная оценка качества процесса энергоиспользования. Эту принципиально новую оценку наиболее просто можно провести на основе понятия эксергии.

Впервые упоминание об этой функции встречается в работах классика термо­ динамики американского физика Дж. Гиббса в 1873 году. Затем советские физики Л. Ландау и Е. Лившиц пояснили значение этой новой функции, но не дали ей никако­ го названия. В разных работах она именовалась “техническая работоспособность” или “работоспособность”. Термин “эксергия”, ставший общепринятым, ввел в 1956 году польский ученый Я. Шаргутт.

Эксергия термодинамической системы - максимальная работа, которую сис­ тема производит при обратимом переходе в состояние полного равновесия с окру­ жающей средой.

78

Здесь, видимо, следует отметить очень важное обстоятельство: при выборе пер­ вичного энергоресурса нас интересует величина его эксергии, а не самой энергии. Последняя может быть очень большой, например, энергия охлаждающей воды, сбрасываемой в озере Новолукомльской тепловой электростанцией, превышает по­ требность в энергии ряда предприятий. Но для последних подобная энергия беспо­ лезна. Для использования энергии важно не только ее величина, существенно отли­ чие (являющееся движущей силой процессов) в температуре, давлении или химиче­ ском потенциале от таковых в окружающей среде. Последнее условие и учтено в определении эксергии: эксергия тел зависит от параметров тела и от параметров ок­ ружающей среды. Для иллюстрации указанной зависимости можно прибегнуть к знакомому всем льду. Зимой эксергия льда, близка к нулю, а летом достаточно ве­ лика. В противовес льду оборотная вода систем охлаждения имеет эксергию близ­ кую к нулю летом и более заметную величину зимой.

Из первого закона термодинамики, лежащего в основе энергобаланса, следует равнозначность любых энергоносителей и энергоресурсов, но, как следует из по­ следних примеров, подобного в природе нет. Качество энергоресурса учитывается с помощью второго закона термодинамики. Поскольку эффективное энергоиспользо­ вание возможно лишь при условии учета изменения качества энергии в ходе тех или иных превращений, необходимо рассмотрение второго закона термодинамики для углубления понимания сути проблем энергосбережения.

Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики, как и первый, яв­ ляется обобщением опытных данных, которые относятся, во-первых, к состояниям равновесия ТС и, во-вторых, к происходящим в этих системах процессам. Первый закон рассматривает превращения энергии в термодинамических процессах. Если исходить только из него, то в природе возможны любые процессы, которые не на­ рушают баланс энергии, в том числе, и переход теплоты от более холодного тела к более горячему. Второй закон термодинамики рассматривает направленность проте­ кания естественных процессов.

Процессы в природе протекают под действием трех движущих сил: градиентов давления, температуры и химического потенциала. Опыт свидетельствует, что все естественные процессы идут в направлении установления равновесия, т.е. в направ­

79