Эксергетический метод исследования

В настоящее время в термодинамике применяются два подхода к иссле­дованию энергетических превращений в технических системах.

Первый подход основан на методах анализа прямых и обратных циклов. Эти методы на основе первого и второго законов термодинамики позволяют найти связи между количествами тепла и работы и параметрами системы. Путем составления энергетического баланса системы можно найти коэффи­циенты, характеризующие исследуемый цикл (термодинамический кпд, хо­лодильный коэффициент и проч.), и сравнить их с коэффициентами соответ­ствующих идеальных циклов.

В этом случае имеется возможность определить в данной системе сум­марную потерю работы вследствие необратимости процессов. Эти потери могут быть разделены на две части. Первая часть, связанная с несовершенст­вом процессов цикла, относится к внутренним потерям. Вторая часть потерь связана с условиями взаимодействия системы с внешними источниками и приемниками энергии и относится к внешним потерям.

Анализ циклов при необходимости может быть дополнен определением возрастания энтропии в отдельных частях процесса, а затем по формуле Гюи-Стодолы величины потерь работы от необратимости процесса (энтропийный метод).

Второй подход основан на применении термодинамических потенциалов с целью анализа процессов превращения энергии в различных системах (см. § 5.1)

Термодинамические потенциалы позволяют непосредственно найти вели­чину любого вида работы в тех или иных условиях. С их помощью можно оценить работоспособность потоков энергии или вещества в любой точке рассматриваемой системы, независимо от ее структуры и сложности.

Важнейшее преимущество методов анализа, основанных на использова­нии термодинамических потенциалов, является их максимальная универ­сальность. Она связана с тем, что методы решения задачи независимы от ха­рактера процессов в анализируемой системе (круговые или разомкнутые) и от форм энергии. По мере усложнения объектов преимущества методов, ис­пользующих термодинамические потенциалы, возрастают.

Однако для решения задачи использования потенциалов применительно к анализу технических систем необходимо иметь термодинамические функции, однозначно характеризующие работоспособность потоков вещества и энер­гии при определенных внешних условиях.

Эти функции должны отличаться от характеристических функций, ис­пользуемых в химической термодинамике, которые не учитывают взаимо­действия потоков энергии и рабочего тела с окружающей средой (взаимодействия вне границ системы).

Таким образом, для оценки работоспособности потока вещества или энергии важны не только параметры процессов внутри системы, но и их связь с окружающей средой. В связи с чем, определение потенциалов для по­токов вещества или энергии должно производиться по отношению к равно­весной части окружающей среды, в которой отсутствуют какие-либо потенциалы, и любое воздействие системы не может изменить ее параметров.

Отсюда следует, что термодинамические функции, используемые для проведения анализа в указанных выше условиях, только тогда смогут выпол­нять роль потенциалов, с помощью которых можно определить работоспо­собность вещества или энергии в данных условиях окружающей среды, когда они наряду с параметрами системы будут включать еще и параметры окру­жающей среды.

Мера энергетических ресурсов системы, определяющая работоспособ­ность вещества или энергии, была названа эксергией.

Функции, определяю­щие величину эксергии, называются эксергетическими функциями.

Эксергия, в отличие от энергии, связанной с фундаментальными свойст­вами материи, является частным понятием, характеризующим пригодность энергии при заданных условиях окружающей среды.

Эксергетическим методом называется метод исследований, основанный на анализе потерь работоспособности в термодинамических процессах. Эксергетический метод анализа получил широкое распространение благодаря своей универсальности. Он позволяет сравнивать между собой любые виды энергии и на этой основе определять эффективность различных процессов ее превращения. Эксергетические показатели непосредственно связаны с тех­нико-экономическими характеристиками оборудования, что позволяет нахо­дить экономически наивыгоднейшие параметры и размеры проектируемого теплоэнергетического оборудования.

В настоящее время понятие «эксергия» приобрело широкий смысл как максимально возможная полезная работа термодинамической системы при совершении ею любых полностью обратимых процессов от заданного со­стояния до полного термодинамического равновесия с окружающей средой.

Различают следующие виды эксергии:

1. Эксергию рабочего тела - для систем, включающих рабочее тело и ок­ружающую среду. В этих системах используется внутренняя и внешняя энер­гия рабочего тела. Различают эксергию покоящегося рабочего тела и его по­тока.

2. Эксергию потока энергии, включающую эксергию теплоты (для сис­тем, состоящих из источника теплоты, рабочего тела и окружающей среды).