14.2Энергетический баланс
В общем виде энергетический баланс ХТС обычно представляют в форме закона сохранения энергии:
Qт + Qе + Qст + Qэкз= Qп + Qотх + Qэнд + ∆Q, (5.9)
где Qт – тепло, получаемое от сжигания топлива; Qе – другие виды энергии (обычно это электроэнергия, затрачиваемая на транспорт или перемешивание материалов); Qст – энтальпия сырья и топлива; Qэкз и Qэнд – тепловые эффекты экзотермической и эндотермической реакций; Qп и Qотх – энтальпия продуктов и отходов; ∆Q – энергетические потери.
На практике этот баланс детализируют, учитывая материальные потери в продукто- и топливопроводах, продажу ВЭР на сторону и пр.
На основе энергетического баланса рассчитывают энергетический КПД, который после вышеприведенных уточнений выглядит следующим образом:
, (5.10)
где
– полезно затраченная энергия на
технологические нужды, определяемая
из условий теоретического расхода
энергии, которая необходима для
проведения термических, механических
и химических процессов;
– доля энергии вторичных энергоресурсов,
расходуемых на сторону;
– доля энергии вторичных и энергоресурсов,
потребленных самой системой;
– суммарное тепло, вносимое топливом
с учетом транспортных потерь;
– суммарная энергия экзотермических
реакций;
– суммарное количество тепло в
энергоносителях (пар, электроэнергия),
полученное извне и приведенное к расходу
с учетом КПД (ηг) в
генерирующей точке.
14.3Форма представления эксергетического баланса
Обычно эксергетический баланс представляют в форме диаграммы Сенки (рис. 5.4), в которой ширина полос пропорциональна значению величины эксергии изображаемого потока. Эти полосы обрывают при пересечении с контрольной плоскостью, часто их выделяют штриховкой. Подводимая и отводимая эксергии делятся на составляющие в соответствии с материальными и тепловыми потоками, поступающими или покидающими систему. Отдельно рассматривают потоки целевых и побочных продуктов. Последние относят к внешним потерям эксергии.
|
Рис. 5.4. Диаграмма Сенки для эксергетического баланса ∆ЕХ – химическая эксергия топлива; ЕD – внутренние потери; ЕФ – внешние потери; ЕЦ – эксергия целевых продуктов; L – работа, произведенная системой; ∆Е – приращение эксергии системы (в непрерывном процессе ∆Е = 0). |
Кроме диаграммы для эксергетического баланса используют также формы уравнения или таблиц.
14.4Виды эксергетических потерь
При составлении эксергетического баланса системы необходима полная дифференциация потерь эксергии, чтобы получить максимум информации для дальнейшего совершенствования.
По месту образования потери в системе делят на внешние и внутренние. Внешние потери связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой и находящимися в ней источниками и приемниками энергии. Эти потери возникают из-за отличия температуры нагреваемого или охлаждаемого рабочего тела. Сюда также включают потери через изоляцию, потери с побочными продуктами, покидающими установку без использования их эксергии (дымовые газы, нагретая в теплообменниках вода и пр.). Внешние потери можно объяснить несоответствием между процессом в целом и внешними условиями его проведения, а также несоответствием между отдельными элементами системы, связанными в единую технологическую цепочку.
Внутренние потери связаны с необратимостью процессов, протекающих внутри системы. Эти потери могут возникнуть в результате необратимости реакций, дросселирования, гидравлического сопротивления, трения в машинах, тепломассообмена из-за конечных разностей температур и концентраций, а также из-за несовершенства аппаратов и машин, входящих в систему, или процессов в отдельных ее элементах.
Разделение потерь на внешние и внутренние определяется различием способов уменьшения тех и других видов потерь.
При анализе систему обычно расчленяют по функциональному признаку, то есть выделяют подсистему или ее элементы. Для каждого элемента рассчитывают внутренние и внешние потери, после чего приступают к анализу причин, вызывающих эти потери. Разделение потерь на внешние и внутренние можно выполнить исходя из эксергетического баланса: Евх > Евых, то есть ЕD = Евх –Евых. Если в последнюю формулу подставить величины эксергии, взятые по параметрам самой установки, то полученная величина будет соответствовать только внутренним потерям. Если же контрольную плоскость провести так, чтобы в нее входили величины эксергии, отдаваемые или получаемые внешними источниками и приемниками энергии, то разность Евх –Евых будет включать внешние и внутренние потери.
Часть ЕD, связанная с необратимостью, органически присущей конкретному процессу, не может быть устранена или снижена без радикального его изменения или замены его другим. Эти потери называют собственными. Другую часть ЕD, зависящую от несовершенства оборудования (потери от плохой теплоизоляции, трения, теплообмена при конечной разности температур и пр.), составляют так называемые технические потери, которые можно уменьшить без изменения схемы процесса.
Наиболее часто встречающиеся в технических системах процессы можно представить следующими группами: сжатие газов и жидкостей, расширение газов и жидкостей, тепло- и массообмен, химическая реакция, разделение смесей, сжигание топлива. Изменение эксергии для каждого процесса позволяет уточнить ЕD.