Теоретичний мінімум для виконання розрахунково-графічного завдання.

Визначення ефективності окремих апаратів, установок і систем базується на ексергетичному методі аналізу, дозволяючому не лише розраховувати ексергетичний ККД (коефіцієнт корисної дії), але й визначити втрати ексергії в окремих апаратах, машинах і елементах установок.

Основні положення ексергетичного метода базуються на визначенні роботоздатності (будь-якого виду енергії), яка розраховується відносно термодинамічних параметрів оточуючої середи. За температуру оточуючої середи приймаємо най нищу температуру (що установилася природнім шляхом) серед всіх тіл, що приймають участь у роботі теплової машини.

Будь-яка кількість енергії (будь-якого виду), по відношенню до оточуючої середи, володіє максимальною роботоздатністю, тобто максимальною роботою, яка може бути отримана (в оборотному процесі) від даної кількості енергії за умов даної оточуючої середи. Ця максимальна кількість роботи є ексергією

Співвідошення між ексергією Е та енергією Э установлюється коефіцієнтом роботоздатності τ

.

Для механічної і електричної енергії τ = 1. Для тепла:

,

де T_oc  температура оточуючої середи, К; T  температура підводу (або відводу) тепла, К.

Таким чином, ексергією тепла (теплового потока) називають максимальну кількість роботи, яка може бути отримана при оборотному переводі даної кількості тепла з температурного рівня T на температурний рівень оточуючої середи T_oc.

Для теплотехнічних процесів, що проходять при T > T_oc, коефіцієнт роботоздатності завжди додатний й менший за одиницю (0< τ < 1).

Для низькотемпературних (холодильних та кріогенних) процесів отримання холоду або відводу тепла від об’єктів, що охолоджуються, протікає при T < T_oc і здійснюється лише за затраті роботи. Цей момент характеризується знаком “минус” біля коефіцієнта роботоздатності (τ < 0). Таким чином, для визначення ексергії холоду τ можна брати по абсолютному значенню, відкидаючи знак “минус”:

або враховувати зміни напряму теплового потоку:

Для отримання холоду в ідеальному оборотному циклі Карно витрачується мінімальна кількість роботи. Звідси ексергія холоду – це мінімальна кількість роботи, яку необхідно витратити, щоб оборотнім шляхом трансформувати дану кількість тепла (отримати холод) з температурного рівня T на температурний рівень оточуючої середи T_oc. Питома ексергія робочого тіла, кДж/кг (води, повітря, фреона, кисню, гелію та ін.), що знаходиться у фіксованому стані, що характеризується термодинамічними параметрами (p, T, h, s ), визначається рівнянням:

,

де h і s ентальпія і ентропія речовини в даному стані, кДж/кг; h_oc, T_oc, s_oc - ентальпія, температура і ентропія речовини при параметрах оточуючої середи.

Отримані значення використовуються для складання енергетичних балансів.

На основі ексергетичного балансу, який можна скласти як для окремих апаратів і елементів, так і для установки і системт в цілому, визначаються втрати ексергії, значення яких залежать від ефективності роботи установки:

,

де  втрати ексергії.

На основі енергетичного балансу завжди можна визначити ККД установки (апарату) або системи:

.

Ексергетичний ККД дійсних установок, апаратів і систем найбільш вірно відображає ефективність процесів і знаходиться в границях 0≤ η < 1. Ексергетичний ККД також може бути визначен і через інтегральні показники, виявлені корисним ексергетичним ефектом і витраченою роботою. Так, якщо для низькотемпературних (холодильних та кріогенних) установок корисним ефектом є холодопродуктивність, то ексергетичний ККД визначається як

де Q₀  холодопродуктивність, кВт;  коефіціент роботоздатності холода; N- витрачена потужність, кВт.

Аналогічно можна визначити значення ексергетичних ККД для будь-якого вида трансформаторів, якщо не забути о необхідності виражати корисний (отриманий) ефект від установки і витрачену енергію для роботи установки в ексергетичних величинах.