теряется как можно меньшая доля «доступной работы» (эксергии), поступающей в систему.
Как правило, обеспечение большей эксергетической эффективности сопряжено с увеличением затрат на строительство предприятия или установки, поэтому необходимо найти оптимальный баланс между объемом капитальными затратами и эффективностью в процессе эксплуатации.
1.2.2.4. Диаграммы свойств
Если свойства системы (например, температура T, давление P, концентрация) измерены и не меняются самопроизвольно с течением времени, говорят, что система достигла состояния равновесия, определяемого данными свойствами. Равновесное состояние системы может быть воспроизведено в другой (аналогичной) системе и может быть однозначно определено набором свойств, представляющих собой функции состояния системы: этот принцип получил название постулата состояния. Из этого следует, в частности, что состояние однокомпонентной системы (системы, состоящей из одного чистого вещества) может быть представлено точкой на двумерной диаграмме, по осям которой отложены два независимых свойства. Пять основных свойств, обычно используемых при построении диаграмм свойств, включают: давление (P), температуру (T), удельный объем (v), удельную энтальпию (h) и удельную энтропию (s). Для системы, состоящей из двух (или более) веществ или фаз, вводится дополнительный параметр «качество» (X), отражающий состав системы. Чаще всего используются следующие виды диаграмм свойств: давление – температура (P–T), давление – удельный объем (P–v), температура – удельный объем (T–v), температура – энтропия (T–s), энтальпия – энтропия (h–s), а также диаграммы температура
– энтальпия (T–h), используемые в процессе пинч-анализа (см. раздел 2.12). Все эти диаграммы могут быть полезны для графического представления различных процессов. Кроме того, три первые диаграммы могут использоваться для иллюстрации соотношения между тремя фазами вещества.
Диаграммы температура – давление (фазовые диаграммы)
На фазовых диаграммах представлены равновесные состояния различных фаз системы, отличающихся друг от друга теми или иными термодинамическими свойствами.
На диаграмме P – T (рис. 1.5) для однокомпонентной системы двумерные области являются однофазными, т.е. соответствуют определенным фазам системы (твердой, жидкой или газообразной). В этих областях фазовое состояние однозначно определяется парой параметров – температурой и давлением.
Линии, отделяющие однофазные области друг от друга (границы раздела фаз), представляют состояния (определяемые давлением и температурой), при которых две фазы могут существовать в равновесии. При условии равновесия между фазами давление и температура не является независимыми переменными; состояние системы определяется значением одного интенсивного свойства (P или T). Линия, разделяющая области твердой и газообразной фазы, называется линией сублимации, области жидкой и газообразной фазы – линией испарения, твердой и жидкой фазы – линией плавления.
Все три границы раздела встречаются в тройной точке, где все три фазы могут сосуществовать в равновесии. В этом случае независимые переменные отсутствуют – условие равновесия трех фаз однозначно определяет температуру и давление.
Линия испарения заканчивается в критической точке. При давлениях и температурах, превышающих критическое, вещество находится в сверхкритическом состоянии, где не существует четкого различия между жидкой и газообразной фазой. Таким образом, при достаточно высоких давлениях и температурах жидкая и газообразная фаза становятся неразличимы. Для воды критические значения составляют примерно 647 K (374 °C) и 22,064 МПа. Состояние вещества, находящееся на диаграмме слева от линии испарения, описывается как сжатая жидкость, а справа – как перегретый пар.
17
Рисунок 1.5: Диаграмма давление – температура (фазовая диаграмма) [153, Wikipedia]
1.2.2.5. Дальнейшая информация
Дополнительные сведения по данным вопросам могут быть получены в стандартных учебниках по термодинамике, физической химии и т.п.
Существует большое количество печатных справочников и электронных баз данных, содержащих данные и таблицы по термодинамическим свойствам различных веществ, а также диаграммы, отражающие взаимосвязь этих свойств. Приводимая в этих источниках информация основана на экспериментальных данных. Чаще всего приводятся значения таких свойств, как удельный объем, внутренняя энергия, удельная энтальпия и удельная энтропия. Информационные ресурсы такого рода, в частности, доступны через Интернет.
Поскольку состояние системы в однофазной области однозначно задается двумя независимыми переменными, в таблицах обычно приводятся значения V, U, H и S в зависимости от температуры при заданных значениях давления для перегретого пара и сжатой жидкости. Если данные для сжатой жидкости отсутствуют, в качестве разумного приближения можно использовать характеристики насыщенной жидкости при той же температуре. Это связано с тем, что свойства сжатой жидкости определяются ее температурой в большей степени, чем давлением.
Так называемые «таблицы насыщения» отражают характеристики состояний насыщенной жидкости и насыщенного пара. Поскольку на границе раздела фаз температура и давление не являются независимыми параметрами, состояние однозначно определяется одним параметром. Поэтому в таблицах насыщения значения V, U, H и S даются в зависимости либо от температуры, либо от давления. В случае смеси насыщенных жидкости и пара вводится дополнительный параметр состояния, «качество», представляющий собой массовую долю пара в смеси.
Дополнительная информация о базах данных и программных пакетах для термодинамического моделирования приведена в Приложении 7.1.3.2.
1.2.2.6. Необратимость и ее источники
В термодинамике обратимый процесс является теоретическим понятием, используемым при выводе формул и анализе различных процессов. Однако на практике процессы в любых реальных системах являются необратимыми. Это означает, что процесс невозможно обратить – провести через те же состояния в обратном порядке – без использования дополнительной энергии (как
18
следствие второго закона термодинамики). Трем типам равновесия термодинамической системы – механическому, тепловому и химическому – соответствуют три типа или источника необратимости (на практике все они могут рассматриваться как разновидности термодинамической неэффективности). Изменения в состоянии системы вызываются движущими силами, например, разницей температур, давлений, концентраций и т.п. Процесс тем ближе к теоретическому обратимому процессу, чем меньше величина движущих сил. Однако на практике оказывается, что меньшие движущие силы требуют большего размера оборудования; например, необходимая площадь теплообменных поверхностей тем больше, чем меньше разница температур. Цикл Карно, в котором достигается теоретически максимальный КПД тепловой машины, подразумевает нулевую величину движущих сил и, как следствие, не может быть реализован на практике. Дополнительная информация о цикле Карно приводится в Справочном документе по крупным топливосжигающим установкам [125, EIPPCB] или учебниках термодинамики.
Механическая необратимость связана с трением и, как правило, приводят к изменению (потере) давления.
Тепловая необратимость проявляется в ситуациях, где имеет место конечная разница температур между элементами системы, как, например, в любом теплообменнике. Теплота самопроизвольно перетекает от теплого тела к холодному, что приводит к потере эксергии. Чем больше разница температур, тем больше потеря эксергии, и тем более необратимым является процесс.
Химическая необратимость проявляется в процессах смешивания и растворения, а также в химических реакциях. Например, при смешивании воды и соли эксергия системы уменьшается. Эту потерянную эксергию можно наглядно представить как количество работы, которое было затрачено ранее для разделения воды и соли, например, посредством дистилляции, ионообмена, мембранной фильтрации или сушки. Химическая необратимость имеет место в любой ситуации загрязнения воды или атмосферы. Загрязнение (смешивание) происходит самопроизвольно, но очистка (разделение смеси) требует затрат эксергии.
Из термодинамического анализа необратимых процессов следует, что для обеспечения оптимальной энергоэффективности и энергосбережения необходимо выявлять, контролировать и минимизировать все источники механической, тепловой и химической необратимости на производстве.
Примеры необратимости каждого типа приведены в Приложении 7.2.
Чем больше степень необратимости процессов, реализуемых в системе, тем больше потенциал для повышения энергоэффективности последней. Помимо значительных разниц давления, температур и/или химических потенциалов, существенной причиной необратимости может быть большой промежуток времени и/или расстояние между производством и потреблением энергии. Время является важным фактором, определяющим степень необратимости процессов. С течением времени энергетическая система стремится к самопроизвольному уменьшению температуры, давления и химических потенциалов для достижения равновесия с окружающей средой. Существуют две принципиальные стратегии предотвращения этого. Одна из них – непосредственное соединение источников энергии с ее потребителями (см., например, раздел 3.3). Вторая стратегия состоит в окружении системы жесткими (не передающими давление) адиабатическими (теплонепроницаемыми) стенками и/или поддержании химической системы в метастабильном состоянии. Иными словами, эти стратегия сводится к изоляции системы от окружающей среды, что позволяет поддерживать ее интенсивные свойства с течением времени.
Термодинамика играет важную роль в оптимизации энергоэффективности. В частности, она занимает важное место в таких подходах, как:
•энергоэффективное проектирование (см. раздел 2.3);
•различные аналитические инструменты, включая пинч-анализ, а также анализ энтальпии и эксергии (см. разделы 2.12 и 2.13);
•термоэкономика, представляющая собой сочетание термодинамического и экономического анализа (см. раздел 2.14.).
19