Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт – Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
Кафедра ресурсосберегающих технологий
Н.В. Лисицын
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ
Учебное пособие
для студентов заочного отделения
специальности «Рациональное использование материальных и
энергетических ресурсов»
Санкт – Петербург
2010
УДК
66.004.18.658.567.1
Лисицын Н.В. Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения: учебное пособие / Н.В. Лисицын. - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2010. –124 с.
Приводятся основные понятия и определения ресурсов и ресурсосберегающих систем. Для анализа химико-технологических систем рассматривается структура термодинамических приложений. Изучается потребление полезной работы и ее потери в ходе проведения технологических процессов, обусловленные их необратимостью. Исследования выполняются на базе материального, энергетического и эксергетического балансов. Дается анализ основных установок производства энергии и систем разделения. Формулируются эвристические правила ресурсосбережения при приведении технологических процессов.
Данное учебное пособие соответствует рабочей программе учебной дисциплины «Теоретические основы энерго– и ресурсосбережения в химической технологии» и предназначено для студентов 4-го курса заочной формы обучения специальности 240803 «Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов».
Учебное пособие также может быть полезно студентам дневной формы обучения и аспирантам.
Рис.49, табл.14, библиогр. 10 назв.
Рецензенты:
ООО«ПО«Киришинефтеоргсинтез». Г.Д. Залищевский, техн.директор, д-р. техн. наук.
Н.В. Кузичкин, канд. техн. наук, доц. кафедры Ресурсосберегающих технологий СПбГТИ(ТУ)
Утверждено на заседании учебно - методической комиссии факультета органического синтеза и полимерных материалов 01.07.2010
Рекомендовано
к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ)
Содержание
|
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….……….. |
5 |
|
1 РЕСУРСЫ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ …….……..…. |
6 |
|
1.1 Устойчивое развитие, жизненный цикл..……..……….….……..….…. |
6 |
|
1.2 Критерии оценки больших систем……………………………..….…... |
7 |
|
1.3 Ресурсосбережение………………………………………………...……. |
12 |
|
2 ОСНОВНЫЕ ТЕМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ....….….……….... |
14 |
|
2.1 Энтропия и ее производство……………………………………….….... |
14 |
|
2.2 Первый и второй законы термодинамики. Производство энтропии… |
16 |
|
2.3 Изменение состава систем. Энтропия процессов смешения и химического превращения……………………………………………….…..... |
20 |
|
2.4 Коэффициент полезного действия систем………………….…………. |
26 |
|
3 ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАРНО И ПОТЕРИ ПОЛЕЗНОЙ РАБОТЫ СИСТЕМ………………………………............................................................... |
28 |
|
3.1 Потребление полезной работы………………………………………….. |
28 |
|
3.2 Уравнение Гюи – Стодолы…………………………………………….... |
33 |
|
3.3 Задача производства энтропии в общем виде…………………..….…. |
34 |
|
4 ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭНТРОПИИ СИСТЕМ .….. |
36 |
|
4.1 Движущие силы и потоки…………………………………………….…. |
36 |
|
4.2 Феноменологические законы…………………………….……………... |
39 |
|
4.3 Принцип симметрии кинетических коэффициентов…………….……. |
41 |
|
4.4 Ограниченность применения линейных законов тепло– и массопереноса…………….…………………………………………………….. |
43 |
|
5 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ И НЕРАВНОВЕСНОСТЬ..……….…….… |
48 |
|
5.1 Внутренне обратимый двигатель Карно……………………..….….…. |
48 |
|
5.2 Принцип равномерного распределения энергии……………….…..… |
55 |
|
5.3 Прямоточный и противоточный процессы теплообмена………….…. |
56 |
|
6 ЭКСЕРГИЯ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА……………. |
59 |
|
6.1 Эксергия, энергия Гиббса и полезность………………………….…….. |
59 |
|
6.2 Эксергетический баланс………………………………………………… |
61 |
|
6.3
Физическая эксергия. Эксергия
смешения……………………..…..….. |
62 |
|
6.4 Качество источников энергии……………………………………….….. |
66 |
|
7 ФИЗИЧЕСКАЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭКСЕРГИЯ ..………………………..... |
71 |
|
7.1 Эксергия компонентов воздуха……………………………...……….… |
71 |
|
7.2 Химическая эксергия соединений………………………….…………... |
77 |
|
7.3 Энергия Гиббса образования и химическая эксергия………………... |
78 |
|
8 ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И БАЛАНСЫ... |
79 |
|
8.1 Основные недостатки энергетического анализа систем……….....….... |
79 |
|
8.2 Уравнения баланса массы, энергии, эксергии и энтропии……………. |
79 |
|
9 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ...….….. |
81 |
|
9.1 Основные процессы производства энергии…………………………... |
81 |
|
9.2 Сжигание угля и газа………………………………………………….… |
87 |
|
9.3 Термодинамическая эффективность газового цикла……..…………... |
96 |
|
9.4 Эффективности парового цикла…………………………………….…. |
97 |
|
9.5 Эффективность объединенного цикла…………………………….…… |
99 |
|
10 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ....…………………………….….. |
101 |
|
10.1 Однократная равновесная перегонка бинарной смеси………………. |
101 |
|
10.2 Термодинамический анализ идеальной дистилляционной колонны. |
106 |
|
10.3 Анализ реальной колонны…………………………………………...… |
110 |
|
11 АНАЛИЗ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ……………………………………….. |
115 |
|
11.1 Процедура анализа систем………………………….…………………. |
115 |
|
11.2.Эвристические правила экономии материальных и энергетических ресурсов……………………………………………………………………….… |
115 |
|
12 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ………………………………………………..….….. |
118 |
|
13 КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ……………….………………………………… |
119 |
|
13.1 Контрольная работа №1……..………….…………………………….. |
119 |
|
13.2 Контрольная работа №2……..……….……………………………….. |
121 |
|
13.3 Контрольная работа №3…………….………………………………….. |
122 |
|
Литература……………………………………………….……………………… |
123 |
ВВЕДЕНИЕ
Высокие цены на нефть стимулировали активный общественный интерес к проблемам исчерпаемости природных ресурсов и их влияния на экономическое развитие. По расчетам специалистов потери в уровне общественного благосостояния стран мира от истощения наиболее важных природных ресурсов (нефть, газ, уголь, бокситы и т.д.) составляют 1-2%, но для стран, чья экономика базируется на эксплуатации таких ресурсов, они существенно выше. В частности, для России потери в уровне общественного благосостояния от истощения запасов нефти и природного газа оцениваются в 15-20%.
Несмотря на рыночные преобразования, к использованию ресурсов в России относятся по-прежнему так, как это было во времена Советского Союза. Подтверждением тому могут служить данные по расходу электроэнергии на одну денежную условную единицу внутреннего валового продукта. В развитых странах усреднено они составляет величину, примерно равную 0,46 кВт/ч (в США – 0,52 кВт/ч), а в России – 4,7 кВт/ч. Следовательно, российские удельные затраты электроэнергии в десять раз превышают мировые, а с учетом больших транспортных, технологических потерь – много больше. Доля электроэнергии в структуре себестоимости валового продукта в нашей стране доходит до 50 процентов, в развитых странах – около 5. Поэтому не случайно, что импортная продукция по сравнению с российской более конкурентоспособна.
Масштабность и значимость проблемы ресурсосбережения диктует необходимость поиска системных принципов ее решения и прежде всего для отраслей промышленности, потребляющих природные ресурсы. Ключевая роль отводится химической технологии и энергетике.