13Классификация эксергии

Различают эксергию потока вещества, эксергию потока энергии и эксергию в объеме. Эксергию материальных потоков ХТС можно разделить на несколько составляющих, основные из которых показаны на рис. 5.3.

Кинетическая эксергия Е_К равна кинетической энергии и зависит от скорости перемещения потока относительно окружающей среды.

Рис. 5.3. Составляющие эксергии потока вещества, пересекающего неподвижную контрольную поверхность

Потенциальная эксергия Е_П определяется через потенциальную энергию относительно нулевого уровня, связанного с окружающей средой, и учитывает все силы, действующие на рассматриваемый поток вещества в окружающей среде. Это означает, что кроме силы тяжести следует принимать во внимание выталкивающую силу, возникающую из-за давления компонентов окружающей среды. Ниже приведена формула для расчета потенциальной эксергии вещества, не учитывающая изменение ускорения силы тяжести с высотой:

, (5.1)

где m,V,v – масса, объем и удельный вес рассматриваемого вещества; g – ускорение силы тяжести; Н – высота центра тяжести вещества над нулевым уровнем; ρ₀,v₀ – плотность и удельный объем окружающей среды.

Практически вторую составляющую уравнения, а зачастую и всю потенциальную эксергию вещества, не учитывают.

Та часть эксергии, которая является результатом несовпадения температуры и давления рассматриваемого вещества с температурой Т₀ и давлением Р₀ окружающей среды, называется физической эксергией (∆₀е, ∆₀Е). Если вещество имеет параметры Т₀ и Р₀, физическая эксергия равняется 0.

Обычно рассматриваемый поток вещества имеет химический состав, отличающийся от состава основных компонентов окружающей среды, причем различие может заключаться и в концентрации веществ.

Эксергия, возникающая из-за изменения состава в ходе химического превращения, называется химической эксергией (е_Х, Е_Х). Она определяется для веществ с параметрами Т₀, Р₀.

Эксергия, являющаяся следствием ядерных превращений, называется ядерной эксергией (е_Я, Е_Я).

Кроме того, существуют другие виды эксергии, которые в ХТС не имеют практического значения, например, эксергия поверхностного натяжения, электростатическая и пр. В общем случае формула для определения эксергии имеет вид:

Е = Е_К+ Е_П + ∆₀Е + Е_Х + Е_Я + ... (5.2)

Не всегда требуется учитывать все составляющие эксергии. В химической энерготехнологии важнейшими являются две: физическая и химическая эксергии. Сумма этих составляющих названа термической эксергией Е_Т:

Е_Т = ∆₀Е + Е_Х (5.3)

В технической литературе под эксергией понимается именно термическая эксергия.

14Эксергетический и энергетический кпд

14.1Эксергетический баланс

При исследовании отдельных элементов ХТС кроме материального и энергетического балансов составляется и эксергетический баланс. Для этого систему мысленно отделяют контрольной поверхностью, через которую происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой. Поскольку закона сохранения эксергии не существует, эксергетический баланс сводится искусственно за счет внутренних потерь эксергии из-за необратимости процессов в пределах выделенной системы. Эксергетический баланс для отдельного элемента система выражается общим уравнением:

, (5.4)

где – эксергия входящего материального потока; – эксергия входящего потока тепла; – эксергия выходящего материального потока; – эксергия выходящего потока тепла; А_Э – механическая или электрическая работа, совершаемая данным элементом системы; ∆Е_Э – приращение эксергии элемента; Е_D – потери эксергии.

Значения эксергии материальных потоков (Е_П) и потоков тепла (Е_Т) рассчитывают по следующим формулам:

• материальные потоки:

Е_п = (I - I₀) - Т₀·(S - S₀) + ∑(μ - μ_i0) · N_i + К + Е, (5.5)

где I, S – энтальпия и энтропия рабочего тела; Т₀ – температура окружающей среды, К; m_i и N_i – химический потенциал и число молей i-го химического компонента потока; К, Е – соответственно кинетическая и потенциальная энергии; индекс 0 относится к термодинамическим функциям, определенным при параметрах окружающей среды;

• тепловые потоки:

, (5.6)

где Q – поток тепла; Т – температура источника тепла.

Эксергетические потери можно подсчитать из уравнения

Е_D = Т₀∆S. (5.7)

Рассчитанные значения потерь эксергии позволяют найти степень обратимости процесса в элементе ХТС, для чего вводится понятие эксергетического (термодинамического) КПД как отношение суммарного количества эксергии, выходящей из элемента, к суммарному количеству подводимой эксергии.

В случае если элемент ХТС находится в стандартном режиме (Е = 0), и в нем не производятся ни механическая, ни электрическая работы (А_Э=0), эксергетический КПД может быть записан в виде

. (5.8)