Диаграмма потоков эксергии и анергии

Рисунок 7.7 Изотермическое расширение идеального газа на обратимо

Рассмотрим обратимое изотермическое расширение идеального газа при температуре окружающей среды от давления до давления . Проведем эксергетический анализ представленного стационарного поточного обратимого процесса.

Запишем первое начало термодинамики

либо в виде

.

Для идеального газа энтальпия зависит лишь от температуры, тогда на основании изотермичности процесса можно прийти к выводу о неизменности энтальпии , следовательно уравнение баланса энергии сводится к виду

.

Если трактовать последнее утверждение как то, что все подведенное тепло преобразуется в техническую работу, то на лицо алогизм. Подведенная теплота состоит из эксергии и анергии. Последняя никогда не может быть превращена в эксергию. Диаграмма потоков эксергии и анергии позволяет выяснить причину противоречия в толковании равенства. Техническая работа получается не за счет окружающей среды, а обеспечивается эксергией газа . При этом анергия, воспринятая газом с теплом, служит для восполнения анергии газа и выполнении уравнения баланса энергии

.

Таким образом не окружающая среда, а газ находящийся на входе под повышенным давлением является в данном случае источником эксергии отводимой в форме технической работы

. (7.18)

Анергия, воспринятая от окружающей среды в форме тепла

(7.19)

лишь переходит в анергию уходящего газа. Приведенный пример показывает простоту и наглядность трактовки второго начала термодинамики через эксергию и анергию.

Для сложных систем диаграмма потоков эксергии и анергии, для лучшего обозрения, заменяется диаграммой лишь эксергетических потоков, на которой четко видны потери эксергии в отдельных элементах и частных процессах.

Эксергетический КПД процесса, протекающего в контрольном пространстве, равен

.

Отклонение эксергетического КПД от своего максимально возможного значения пропорционально потерям, которые принципиально устранимы.

Пример:

Рисунок 7.8 Установка подогрева воздуха

В установке поток воздуха нагревается от состояния окружающей среды ( ⁰С, Па) до ⁰С, причем . кг/с; кг/с. Установка состоить из теплообменника 2 и воздуходувки 1, всасывающей атмосферный воздух и сжимающей его до давления 103600 Па с прокачкой через теплообменник. Мощность воздуходувки 4,42 кВт. Найдем температуру воздуха на выходе из адиабатно сжимающей воздуходувки. По первому началу термодинамики для стационарного потока имеем

.

Подставляя данные получим

⁰С.

Тогда ⁰С.

Рассчитаем энтропию, произведенную в потоке воздуха при прохождении теплообменника

Вт/К.

Поток эксергии, переносимый с воздухом, возрастает при повышении температуры и давления

.

Для состояний 1 и 2 имеем кВт и кВт.

Потери мощности в воздуходувке

кВт.

Эксергию горячей жидкости, охлаждающейся в теплообменнике, определим пренебрегая гидравлическими потерями

.

Для начального состояния получим при ⁰С, кВт, для конечного состояния ⁰С, кВт.

Жидкость вместе с теплом отдает и эксергию. Часть этой эксергии превращается в анергию, так как теплообмен с воздухом при конечной разности температур необратим. Этот поток потерь эксергии составит

кВт,

Вт/К,

Вт/К

.

Построим диаграмму потоков эксергии.

Рисунок 7.9 Диаграмма потоков эксергии Рисунок 7.10 Диаграмма потоков эксергии

Как видно в установке имеется три вида потоков потерь эксергии. Поток эксергии подведенный в виде мощности воздуходувки, служит для компенсации потерь эксергии вследствие течения с трением дополнительных потерь эксергии собственно в воздуходувке . Отдача эксергии жидкостью повышает эксергию жидкостью, повышает эксергию нагреваемого воздуха и компенсирует потери эксергии при теплообмене.

Потери мощности всей установки

,

.

.

7.9 Влияние окружающей среды на преобразование энергии

Трансформация ограниченно превратимой энергии в эксергию зависит как от свойств форм энергии и энергоносителей, так и от свойств окружающей среды. Например, КПД цикла Карно тем выше, чем ниже температура источника, воспринимающего энергию . Обычно роль этого источника играет окружающая среда. В этом случае , ее часто обозначают , не может быть ниже температуры окружающей среды. Таким образом, свойства окружающей среды ограничивают превратимость энергии.

Рисунок 7.11 Максимально возможная полезная работа при изотермическом сжатии и расширении

Будем считать, что ее теплоемкость бесконечно велика, а, следовательно, ее интенсивные параметры и остаются неизменными.

Внутренняя энергия окружающей среды не может быть трансформирована в эксергию. Из общей работы изменения энергии лишь часть ее неограниченно превратима и может использоваться как эксергия,

.

В – диаграмме эта работа для системы, термически уравновешенной с окружающей средой численно равна площади ограниченной изотермой , изобарой и изохорой, проведенной из точки первоначального состояния.