6.4 Качество источников энергии

Итак, первый закон термодинамики оперирует количественными величинами энергии, в то время, как второй – с ее работоспособностью, а значит с качеством. Изучая одновременно систему и ее окружение, мы видим, что первый закон выражает мысль о том, что для реального процесса общее количество Джоулей энергии, вовлеченной в процесс, остается неизменным. Второй закон свидетельствует о том, что их качество падает. Общее количество эксергии – полезной работы – рассеивается в каждом процессе в связи с элементами необратимости. Очевидно, что каждый вид энергии имеет свое качество. Его следует определить, понимая под качеством энергии ту ее часть (часть Джоулей энергии), которая связана с полезной работой. Это «качество» q имеет размерность Дж/Дж и очевидно принимает значение от нуля до единицы: 0 < q < 1.

Рассмотрим ранее представленный на рисунке 12 процесс и запишем еще раз известные формулы:

(29)

или

(30)

Последняя зависимость выражает физический смысл того, что общая энергия, переданная системе, вероятно, сохраняется в ней в виде энтальпии. Следовательно, ΔН представляет собой энергию системы, участвующую в ее взаимодействии с окружающей средой.

Уравнение (30) может быть преобразовано, если зависимости, соответствующие первому и второму законам, объединить:

(31)

Ранее на основании этого уравнения определялось наименьшее количество энергии, необходимое для перевода системы из состояния 1 в состояние 2 с ии, следовательно, ее термодинамические свойстваи:

(32)

Реальное количество энергии превышает это значение на величину:

(33)

Уравнение (32) позволяет определить эксергию, если в качестве состояния 1 выбирается любое произвольное состояние, в том числе – например, и.

В общем случае при изменения состояния системы от ,доР, Т суммарное поступление энергии равно:

(34)

тогда как потенциальное значение доступной энергии будет иным:

(35)

Из этого следует, что каждый джоуль энергии системы, имеет качество, определяемое как

(36)

В таблице 3 представлены значения качества энергии для различных энергоносителей, от воздуха окружающей среды до энергии продуктов окисления.

Таблица 3 - Качество различных источников энергии, Дж/Дж, =288,15 К

---------------------------------------------------------------------

Химическая ~1

Газообразные продукты окисления 0,6-0,8

Тепловые отходы 0,2-0,3

Печные газы 0,2

Горячая вода (100ºС) 0,12

Теплая вода (50 ºС) 0,06

---------------------------------------------------------------------

Рассмотрим пример, поясняющий понятие качества. На рисунке 27 изображена схема процесса, в котором электростанция работает на природном газе. Продукты окисления газа используются в работе сложного цикла, состоящего из газовой турбины и паровой энергоустановки. Электростанция одновременно производит электричество и тепло.

Предположим, что энергия, поступающая в систему, представлена химической энергией метана, и пусть изначально имеется 10 Дж этой энергии, т.е. = 10 Дж. Предположим также, что из этих 10 Дж 5 Дж идут на производство электричества, а 4 Дж – на горячую воду. Один Джоуль теряется в печной трубе.

Допустим, что системе имеется тепловой насос, благодаря которому из 5 Дж, идущих на производство электричества, можно получить 15 Дж горячей воды, направляемой к потребителям.

Рисунок 27 - Схема энергетической установки для одновременного производства электричества и горячей воды

Для расчета качества энергии вместо уравнения (36) воспользуемся его упрощенным видом:

(37)

который выводится из уравнения (36), если считать постоянной.

По определению, качество энергии электричества равно единица, так как теоретически все электричество может быть полностью превращено в работу. Качество энергии природного газа также близко к единице; печных газов и горячей воды, соответственно, – 0,2 и 0,12 (они рассчитываются по уравнения (37). Эффективность одновременного производства электричества и тепла равна: (19·0,12)/(10·1)=0,23, где мы пренебрегаем эксергией печных газов, так как они не используются при нагреве воды. Для сравнения эффективность производства горячей воды напрямую при сжигании природного газа (например, в бойлере), равна: (9·0,12)/(10·1)=0,11, поскольку 10 Дж энергии топлива могут быть преобразованы в 9 Дж энергии горячей воды, а 1 Дж энергии уходит в печную трубу (рис.28).

Рисунок 28 - Показатели качества работы энергетической установки

Эффективность стадии сгорания топлива была рассчитана по уравнению (36) и составила 78%. Эксергическая эффективность второй стадии – одновременного производства – равна (5·1+4·0,12)/(10·0,78)=0,70 или 70%. Здесь считается, что содержание эксергии печных газов теряется. Термодинамическая эффективность целого завода по одновременному производству составляет величину 0,78·0,7=0,55 или 55% – результат, достигаемый лишь на наиболее современных энергетических установках. Термодинамическая эффективность теплового насоса равна: (15·0,12)/(5·1)=0,36.

Эксергическая эффективность процесса одновременного производства, включая тепловой насос, = 0,23, оказывается более, чем вдвое, превышающей эффективность для процесса прямого сжигания,= 0,11. Заметим, что эффективность теплового насоса составляет 0,36.

Если качественный аспект энергии не рассматривать, всю энергия считать одинаковой (что соответствует истине в численном, но не в качественном выражении!), эффективность теплового насоса окажется равной 15/5, или 300%, что является грубой ошибкой.

Следовательно, эксергия и качество теплоты являются совокупными инструментами правильного понимания истинных связей между структурными составляющими ХТС, вовлеченными в процесс и взаимодействующими друг с другом.