7.1.2.4.3. «Эффективность в смысле второго закона». Эксергетический КПД
Тепловой КПД и коэффициент преобразования учитывают только первый закон термодинамики, не учитывая изменения способности к совершению полезной работы. Понятие эксергетического КПД («эффективности в смысле второго закона»), представляющего собой меру близости процесса к обратимому, позволяет преодолеть этот недостаток. Эксергетический КПД позволяет различать способы использования энергоресурсов, более и менее эффективные с термодинамической точки зрения. Поэтому данное понятие может использоваться для оценки инженерных мероприятий, направленных на повышение эффективности той или иной тепловой системы. В наиболее общей форме эксергетический КПД может быть определен как отношение полученной эксергии к затраченной:
ε = |
Eполуч. |
Уравнение 7.20 |
|
Езатр. |
|||
|
|
Конкретные выражения для эксергетического КПД могут принимать различные формы в зависимости от типа системы. Так, для тепловой машины затраченная эксергия представляет собой уменьшение эксергии тепла, переданного машине, т.е. разность эксергий тепла, подведенного к машине, и отведенного от нее. Полученная эксергия представляет собой общую полезную работу. В случае холодильной установки или теплового насоса затраченная эксергия представляет собой работу, совершенную над системой для осуществления холодильного цикла или цикла теплового насоса. При этом полученная эксергия в случае теплового насоса представляет собой эксергию, подведенную к «горячей» системе, а в случае холодильной установки – эксергию, отведенную от «холодной» системы.
7.1.3. Диаграммы свойств, таблицы свойств, базы данных и программы
7.1.3.1. Диаграммы свойств
Согласно постулату состояния, задание любых двух свойств равновесного состояния системы, состоящей из простого чистого вещества, однозначно определяет любой третье свойство. 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 фаз или компонентов, вводится дополнительное свойство «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 – (удельная) энтропия (T–s), а также (удельная) энтальпия – (удельная) энтропия (–s). 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.
В качестве примера на рис. 7.1 представлена диаграмма T–s. Диаграммы T–s широко применяются в термодинамике, поскольку они удобны для наглядного представления необратимости процессов. На такой диаграмме, в частности, можно построить линии, соответствующие постоянному объему, постоянному давлению и постоянной энтальпии. Вертикальные линии на диаграмме T–s представляют процессы изоэнтропийного (происходящего без изменения энтропии) расширения или сжатия, а горизонтальные линии внутри колоколообразной кривой представляют изотермические процессы изменения фазового состояния (испарения или конденсации).
367
Рисунок 7.1: Диаграмма температура – энтропия
7.1.3.2. Таблицы свойств, базы данных и программное моделирование
Существует большое количество таблиц свойств, отражающих зависимости между различными свойствами различных веществ. Однако существующие потребности не могут быть в полной мере удовлетворены при помощи одних лишь таблиц, поскольку на практике часто возникает необходимость в получении информации о термодинамических свойствах самых разных веществ, как чистых, так и смесей. Поэтому создано множество компьютерных баз данных и моделей, позволяющих получать информацию по свойствам веществ. В частности, подобные базы и модели занимают важное место в любом пакете моделирования термодинамических процессов. Точность информации по свойствам веществ крайне важна – недостоверность или недоступность данных может привести к неверной оценке привлекательных решений по повышению энергоэффективности и ошибочному отказу от их реализации. К счастью, существует большое количество литературных источников, баз данных и программ, которые могут использоваться для получения необходимой информации. Однако при использовании различных источников иногда встречаются противоречия. Подобные ситуации особенно часто возникают при оценке свойств смесей, поведение которых заметно отклоняется от идеальных моделей. Поэтому точность, качество и актуальность информации во многих случаях являются критически важными. Авторитетные информационные ресурсы включают, в частности, базы данных Американского нефтяного института (American Petroleum Institute, API), Проектного института по физическим свойствам (Design Institute for Physical Property, DIPPR of AIChE), Германского общества химической инженерии и биотехнологии (Deutsche Gesellshaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., DECHEMA), Службы данных по физическим свойствам (Physical Property Data Service, PPDS), а также Базу данных Бельштейна по органической химии (Beilstein’s Database of Organic Chemistry). Каждый ресурс имеет свою специфику. Так, например, DIPPR отличается обширной подборкой данных по чистым веществам, тогда как база данных DECHEMA является основным источником по смесям.
На рынке существует большое количество коммерческих программ с обширными возможностями в области моделирования термодинамических свойств. Наиболее широко известны такие коммерческие программы, как ASPEN PLUS, HYSIM и PRO/II. Однако возможности этих программ значительно превосходят потребности аналитика, решающего стандартные задачи по оценке вариантов энергосбережения; с другой стороны, в некоторых областях могут требоваться более специализированные возможности, чем предлагаемые указанными пакетами. Использование этих программ требует значительных затрат на их приобретение и серьезных усилий для их освоения. В то же время существуют программы «промежуточного уровня»,
368