Параграф 12. Баланс эксергии. Диаграмма Грассмана-Шаргута.

Эксергия не подчиняется закону сохранения. В ходе любого необратимого процесса часть ее безвозвратно теряется, переходя в анергию. Поэтому, строго говоря, не существует баланса между, с одной стороны, эксергией, подводимой к системе, и, с другой стороны, суммой отводимой эксергии и изменения эксергии тел, образующих систему. Однако такой баланс можно свести искусственно, если учитывать потери эксергии. Для установок непрерывного действия при установившемся режиме их работы составленный таким образом баланс в общем виде имеет вид

, (12.1)

где , ‒ суммы потоков эксергии, поступающих в систему и уходящих из нее; ‒ сумма потерь эксергии в системе.

Если использовать введенное профессором Г.Н. Костенко понятие транзитной эксергии Е_ТР, т. е. эксергии, которая проходит от входа в установку до выхода из нее, не участвуя в процессах преобразования энергии, то эксергетический баланс можно записать иначе

, (12.2)

где Е_ЗАТР и Е_ИСП ‒ соответственно затраченная и использованная эксергии

, (12.3)

. (12.4)

Обычно транзитом эксергии сопровождаются процессы преобразования энергии с участием потоков рабочих тел. Например, процессы в теплообменных аппаратах, компрессорных машинах, смесительных и разделительных устройствах, трубопроводах. При отсутствии в установке транзита эксергии выражения (12.1) и (12.2) становятся тождественными, т. е. и .

Рассмотрим баланс эксергии для котлоагрегата, технологическая схема которого представлена на рисунке 12.1.

Т ‒ топка; К ‒ котлоагрегат; П ‒ воздухоподогреватель; Э ‒ экономайзер

Рисунок 12.1 ‒ Технологическая схема котлоагрегата

Наглядно эксергетический баланс может быть представлен в виде диаграммы Грассмана-Шаргута (рисунок 12.2). На диаграмме ширина полос в условном масштабе соответствует потокам эксергии. Полосы, соответствующие потерям эксергии вследствие необратимости какого-либо процесса, заштрихованы.

Е_Т ‒ эксергия топлива; Е_В ‒ эксергия воздуха; , ‒ эксергия питательной воды на входе и соответственно на выходе из экономайзера;

Е_ГП ‒ эксергия продуктов сгорания после воздухоподогревателя;

Е_ГЭ ‒ эксергия продуктов сгорания после экономайзера; Е_УХ ‒ уходящая

из системы эксергия; Е_П ‒ эксергия полученного пара; , ‒ суммарная

эксергия на входе и соответственно на выходе из воздухоподогревателя;

, ‒ суммарная эксергия на входе и соответственно на выходе из

топки; , ‒ суммарная эксергия на входе и соответственно на выходе

из котлоагрегата; Е_D1, Е_D2, Е_D3, Е_D4 ‒ потери эксергии соответственно в

воздухоподогревателе, в топке, в котлоагрегате и в экономайзере;

Е_D5 ‒ потери эксергии с уходящими газами

Рисунок 12.2 ‒ Диаграмма Грассмана-Шаргута для котлоагрегата

Эксергия на входе в котлоагрегат складывается из эксергии топлива Е_Т, воздуха Е_В и питательной воды . Обычно воздух перед подачей в топку (Т) подогревают теплотой уходящих газов в воздухоподогревателе (П). Процесс теплообмена в воздухоподогревателе сопровождается потерями эксергии Е_D1. Суммарная эксергия на входе в топку равна

. (12.5)

Процесс преобразования эксергии в топке сопровождается потерями эксергии Е_D2, и поток продуктов сгорания на выходе из топке обладает эксергией . Продукты сгорания передают теплоты воде и пару в газоходах котлоагрегата (К). Вследствие конечной разности температур между продуктами сгорания, с одной стороны, и паром, с другой, передача теплоты сопровождается потерями эксергии Е_D3.

Питательная вода, поступающая в котлоагрегат, обладает эксергией . Как правило, на входе в котлоагрегат она подогревается в экономайзере (Э) теплотой уходящих газов. В процессе теплообмена в экономайзере теряется эксергия Е_D4. В итоге после основных поверхностей теплообмена котельного агрегата суммарный поток эксергии равен

, (12.6)

где .

Часть эксергии Е_Г возвращается в котлоагрегат через воздухоподогреватель и экономайзер, а оставшаяся часть Е_УХ = Е_D5 теряется вместе с продуктами сгорания, выбрасываемыми в атмосферу.

Эксергия пара Е_П представляет собой полезную эксергию, получаемую в котлоагрегате.