8 Эксергетический и энергетический анализ и балансы

8.1 Основные недостатки энергетического анализа систем

Эксергический анализ представляет собой методику термодинамического исследования, основанную на втором законе термодинамики, которая обеспечивает сравнительный способ описания процессов и систем. С его помощью можно рассчитать значение эффективности, которое позволяет ответить на вопрос, насколько реальная система по своим возможностям приближается к идеальной, а также выделить причины и места расположения термодинамических потерь и тем самым способствовать улучшению системы.

В отличие от эксергетического традиционный термодинамический анализ основан преимущественно на первом законе термодинамики, который, как известно, утверждает принцип сохранения энергии. Этот анализ, по сути, строится на расчете энергии на входе и на выходе систем. Энергия на входе представляется, как правило, энергией сырья, а на выходе энергией, которая может содержаться в продуктах и в отходах производства. Эффективность оценивается по отношению этих энергий и используются для описания и сравнения различных ХТС: реакторов, нагревателей, холодильников и многих других.

Однако эффективность не дает ответа на ключевой вопрос, насколько система близка к идеальной, поскольку термодинамические потери, которые происходят в системе (т.е. те факторы, вызывающие отклонение ее производительности от эталона), точно не выявляются, а порой и не рассматриваются вовсе. Более того, результаты энергетического анализа могут указать на неправильное понимание причин снижение эффективности и месторасположение элементов, вносящих наибольший вклад в величину потерь.

Эксергический анализ позволяет преодолеть многие недостатки классического энергетического анализа.

8.2 Уравнения баланса массы, энергии, эксергии и энтропии

До настоящего времени были рассмотрены материальный, энергетический и эксергетический балансы ХТС, которые записывались исходя из законов сохранения и имели вид: вход системы = ее выход (+ потери). Однако оказывается, что, если анализ системы проводить с точки зрения ее поведения во времени, общий баланс правильнее представлять в виде:

Поступление (вход) + производство – выход – потребление = накопление

(15)

Поступление и выход аналогичны традиционной записи и связаны, соответственно, с количествами (массы, энергии, эксергии), входящими и выходящими через границы системы. Возникает вопрос, что понимается под производством, потреблением и накоплением?

Производство и потребление определяют количества массы, энергии, эксергии, которые относятся, соответственно, к количествам, производимым и потребляемым внутри системы, тогда как накопление соответствует росту (положительному или отрицательному) их количества внутри системы.

Варианты общего уравнения баланса, могут быть записаны для массы, энергии, эксергии, а также энтропии.

Масса и энергия, являясь субъектами законов сохранения (за исключением ядерных реакций), не могут ни производиться, ни потребляться. Соответственно, общий баланс (уравнение (15)) для каждой из этих двух величин, будут иметь вид:

Поступление массы – выход массы = накопление массы	(16)
Поступление энергии – выход энергии = накопление энергии	(17)

Перед составлением уравнения баланса эксергии, предварительно, как это было сделано при введении понятии эксергия, следует записать уравнение для энтропии:

Поступление энтропии + производство энтропии – выход энтропии = = накопление энтропии

(18)

которое подтверждает известный факт, что энтропия производится во время процесса за счет элементов необратимости, но не может потребляться.

Баланс эксергии можно получить, комбинируя закон сохранения энергии и «закон несохранения» энтропии:

Поступление эксергии – выход эксергии – потребление эксергии = накопление эксергии

(19)

Приведенные выше уравнения описывают поведение систем между двумя моментами времени. Для циклического процесса, у которого начальное и конечное состояния идентичны, слагаемые накопления во всех уравнения баланса равны нулю.