4.4. Основные понятия эксергитического анализа хтс

Информацию, позволяющую более полно обосновать выбор процесса и провести его сравнение с другими, можно получить при применении наряду с энтальпическим, термодинамического анализа, в часности эксергетического.

Эксэргия характеризует полезную работу, которую может совершить система в соответствии со вторым законом термодинамики, согласно которому не все процессы могут протекать в направлении, обратном его естественному ходу. Или, что то же, эксэргия - это энергия, которая при участии заданной окружающей среды, может быть преобразо­вана в другую форму энергии.

Использование эксэргии дает возможность при оценке и сравнении эффективности различных процессов учесть не только количество пото­ков энергии, но и их качество, т.е. способность энергии к соверше­нию полезной работы.

Удельная эксэргия потока вещества, всходя из второго закона термодинамики, будет:

e = H – H₀ - T₀( S – S₀ ) ( IV.15)

где Н,S - энтальпия и энтропия вещества в анализируемом состоя­нии. соответственно;

H₀, S₀~ энтальпия и энтропия вещества в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, соответственно

Т₀- температура окружающей среды.

Из уравнения (IV.15) следует, что величина эксэргии находит­ся с помощью известных параметров состояния - энтальпии и энтропии.

При этом потери эксэргии в адиабатной системе определяются про­изведением температуры окружающей среды на приращение энтропии вследствие необратимости процесса. Они будут равны: .

∆e = T₀( S – S₀ ) ( IV.16)

В качестве примера можно принять теплопередачу и установить для этого процесса зависимость потери эксэргии от температуры. Предположим, что теплый поток А передает тепловую энергию холодному потоку В. Количество передаваемой теплоты для элементарного участка тепло­обменника будет dQ. Из уравнения (1V. 16 ) учитывая, что S=Q/T, следует, поток А с количеством теплоты передает поток эксэргии, равный

(IV.17)

Холодный поток получает только часть этой величины

(1V.18)

Разница, или что то же потеря эксэргии составит:

(IV.19)

или

(IV.20)

Уравнение (1У.20) показывает, что потеря эксэргии зависит не только от конечной разности температур, но так же от температурного уровня теплопередачи. Весьма интересно, что потери эксергии при той же разности температур при высокой температуре много меньше, чем при низкой. Поэтому, с энергетической точки зрения, выгодно вести процессы при высоких температурах, так как в этом случае до­пустимы значительно большие разности температур, чем при температурах низких.

Критерием термодинамической эффективности процесса служит эксергетический коэффициент полезного действия, который в общем виде может быть представлен как:

(IV.21)

где -произведенная эксергия

- затраченная эксергия

-потери эксергии

Значения эксергетического и энергетического к.п.д., как правило, не совпадают.

Так, например, энтальпийный анализ показал, что энергетический к.п.д. узла окисления аммиака в производстве азотной кислоты составляет 72,I4 %.

Для этого же процесса эксергетический к.п.д. рассчитанный по уравнению (1V.21)

где е₁ – эксергия входящей в аппарат газовой смеси- 63,83х10 ⁵ кДж/т HNО₃ ;.

е₂- эксэргия нитрозных газов выходящих из котла утилизатора – 21,36 х 10⁵ кДж/т HNO₃,

е₃ - эксергяя пара – 11,83 х10⁵ кДж/т НNO₃ составит:

Таким образом, проведенный эксергетический анализ свидетельствует, что для интенсификации процесса имеются ресурсы большие, чем это следует из анализа энтальпического.

Следовательно, эксергетический анализ дает возможность оценки совершенства процессов и показывает границы их улучшения.

Полученные в результате анализа XTС сведения о материальных и тепловых нагрузках аппаратов системы, эффективности их использования позволяют количественно оценить различные варианты и подойти к созданию систем, в которых наилучшим образом одновременно ииспользуется сырье, оборудование и энергия.

В настоящее время наиболее эффективно решается проблема использования энергии в энерготехнологических системах, для которых характерна строгая сбалансированность производства и потребления энергии, основанная на использовании теплоты экзотермических реакций и вторичных энергетических ресурсов.