5.2 Основні поняття ексергетичного аналізу хтс

Інформацію, що дозволяє більш повно обґрунтувати вибір процесу і провести його порівняння з іншими, можна одержати при застосуванні поряд з ентальпійним, термодинамічний аналіз, зокрема, ексергетичний.

Эксергія характеризує корисну роботу, яку може виконати система згідно другого закону термодинаміки, відповідно до якого не всі процеси можуть перебігати в напрямку, зворотному його природному ходу. Або, що є тим самим, ексергія – це енергія, що за участю заданого навколишнього середовища, може бути перетворена в іншу форму енергії.

Використання ексергіі дає можливість при оцінці в порівнянні ефективності різних процесів враховувати не тільки кількість потоків енергії, але і їхню якість, тобто здатність енергії до здійснення корисної роботи.

Питома ексергія (е) потоку речовини, виходячи з другого закону термодинаміки, дорівнює:

е= Н-Н₀ ·Т(S-S₀) (5.21)

де Н, S – ентальпія та ентропія речовини в аналізованому стані, відповідно; Н₀, S₀ – ентальпія та ентропія речовини в стані термодинамічної рівноваги з навколишнім середовищем, відповідно; Т_{0 –} температура навколишнього середовища, К.

З рівняння (4.18) випливає, що величина ексергіі знаходиться за допомогою відомих параметрів стану – ентальпіі і ентропії.

При цьому витрати эксергії в адіабатичній системі визначаються добутком температури навколишнього середовища на збільшення. ентропії внаслідок необоротності процесу. Вони будуть дорівнювати:

е= Т₀(S-S₀) (5.22)

Як приклад можна розглянути процес теплопередачі й встановити для цього процесу залежність витрати ексергіі від температури.

Припустимо, що тепловий потік А передає теплову енергію холодному потоку В. Кількість переданої теплоти для елементарної ділянки теплообмінника буде. dQ, з рівняння (4. 19), враховуючи, що S= Q/T, випливає, потік А з кількістю теплоти dQ передає потік ексергіі, рівний:

de_A=(1-T₀/T_A)dQ (5.23)

Холодний потік одержує тільки частину цієї величини:

de_S= (1-T₀/T_S) dQ (5.24)

Різниця або витрата ексергіі складе:

de = de_A - de_S = T₀·dQ (1/T_S-1/T_A) (5.25)

Рівняння (4.22) показує, що витрата эксергії залежить не тільки від кінцевої різниці температур, але так само від температурного рівня теплопередачі. Дуже цікаво, що витрати ексергіі при тій же різниці температур за високої температури багато менше, ніж при низькій. Тому, з енергетичної точки зору, вигідно вести процеси за високих температур, тому що в цьому випадку допустимі значно великі різниці температур, ніж за температур низьких.

Критерієм термодинамічної ефективності процесу служить ексергетичний коефіцієнт корисної дії, що у загальному виді може бути представлений як:

=∆е_n/∆е_з (5.26)

де – вироблена ексергія; –витрачена ексергія.

Значення ексергетичного й енергетичного к.к.д., як правило, не збігаються.

Так, наприклад, ентальпійний аналіз показав, що енергетичний к.к.д. вузла окиснення аміаку у виробництві азотної кислоти складає 72,I4%.

Для цього ж процесу ексергетичний к.к.д, розрахований за рівнянням (4.23):

,

де е₁ – ексергія газової суміші, що надходить в апарат – 63,85∙10⁵ кДж/т HNО₃ ; е₂ – ексергія нітрозних газів, що виходять з котла утилізатора – 21,36 10⁵ кДж/т HNO₃.

е₃ – ексергія пари – 11,83 10⁵ кДж/т НNO₃ складає:

Таким чином, проведений ексергетичний аналіз свідчить, що для інтенсифікація процесу є ресурси більші, ніж це випливає з аналізу ентальпійного. Отже, ексергетичний аналіз дає можливість оцінки досконалості процесів, показує границі їхнього поліпшення.

Одержані в результаті аналізу ХТС відомості про матеріальні та теплові навантаження апаратів системи, ефективності їх використання дозволяють кількісно оцінити різні варіанти і підійти до створення систем, у яких щонайкраще одночасно використовується сировина, устаткування й енергія. В даний час найбільш ефективно вирішується проблема використання енергії в енерготехнологічних системах, для яких характерна сувора збалансованість виробництва і споживання енергії, засновані на використанні теплоти екзотермічних реакцій і вторинних енергетичних ресурсів.