Файл: Конспект лекций для студентов, обучающихся по программе прикладного бакалавриата по направлению подготовки 13. 03. 03 (141100) Энергетическое машиностроение.pdf

86
нужны критерии качества энергии и эффективности ее использования. Эта задача успешно решается методами термодинамики. Например, в тепловых двигателях часть полезной работы неизбежно превращается в теплоту, кото- рая безвозвратно рассеивается в окружающей среде. Эти потери можно уменьшить более рациональной организацией процессов и более совершен- ным инженерным оформлением энергетических установок.
При практическом использовании различных видов энергии большое значение имеет ее качество, определяющее возможность превращения в дру- гие виды энергии: энергия высокого качества (например, механическая и электрическая) почти без ограничений может превращаться в другие виды энергии; энергия среднего качества (химическая и внутренняя при отсутствии равно- весия с окружающей средой) ограниченно преобразуется в другие виды энер- гии; энергия низкого качества (теплота) диссипирует в окружающей среде и во- обще не преобразуется в другие виды энергии.
Преимущества энергии высокого качества, например, электрической, обусловлены тем, что она относительно легко может быть преобразована в другие виды энергии (механическую, химическую, тепловую) и транспорти- рована на большие расстояния.
Все реальные процессы необратимы и сопровождаются диссипацией
(потерей качества) высокосортной энергии в теплоту. Высокосортные формы энергии могут превращаться друг в друга без диссипации. Эти виды энергии называют безэнтропийными. Низкосортная форма энергии всегда связана с макроскопическими системами. Эти виды энергии называют энтропийными, так как процессы их взаимного превращения и преобразования в высоко- сортные формы энергии подчиняются второму закону термодинамики.
Источником пригодной для использования энергии могут служить только системы, не находящиеся в равновесии с окружающей средой. Такие

87
системы могут совершить максимальную работу, если протекающие в них процессы обратимы. Мерой максимальной работы являются разности соот- ветствующих термодинамических потенциалов. Однако во многих случаях для оценки работоспособности термодинамических потенциалов недостаточ- но, поскольку системы функционируют в окружающей среде, которая может оказывать влияние на их работу. Для учета последнего обстоятельства введе- ны эксергетические функции, обобщающие понятие потенциалов и учиты- вающие влияние среды. Аналогами свободной энергии и энтальпии являются функции
V
p
S
T
U
0
0


и
S
T
H
0

(
S
H,
U,
– внутренняя энергия, энтальпия и энтропия системы,
0
0
p
,
T
– температура и давление окружающей среды).
Разность эксергетических функций в двух состояниях, так же, как и разность термодинамических потенциалов, определяет максимальную работоспособ- ность или эксергию.
Классическое определение эксэргии как “максимальной работы, кото-
рую может совершить система в обратимом процессе с окружающей сре-
дой в качестве источника даровых тепла и веществ, если в конце этого про-
цесса все участвующие в нем виды материи приходят в состояние термоди-
намического равновесия со всеми компонентами окружающей среды”, было дано Я.Шаргутом и Р.Петелой . Ими введены понятия эксергий потока веще- ства, физической эксергии (результат несовпадения температуры и давления системы и окружающей среды), химической эксергии (результат несовпаде- ния химических потенциалов системы и окружающей среды), ядерной эксер- гии – максимальной работы, которая может быть получена за счет ядерных реакций вещества системы, эксергии теплоты,
0 1
Q
e
T
E
Q
Q
T




 




и «эксергетической температуры»
0 1
e
T
T
  

88
*
E


'
M
E

'
L

'
Q
E

'
E

'
'
M
E

'
'
L

'
'
Q
E

'
'
E
К настоящему времени эксергетический анализ хоть и не стал обще- принятым для большинства практических работников, широко применяется в исследованиях эффективности работы оборудования и установок в самых различных отраслях народного хозяйства: термодинамические циклы полу- чения электрической (механической) энергии, теплоты и холода, процессы в химической технологии, металлургические процессы, теплообмен, разделе- ние смесей.
Понятие эксергии лежит в основе современного эксергетического ана- лиза, представляющего собой достаточно разработанный аппарат. Эксерге- тические методы позволяют учесть не только количественные, но и качест- венные характеристики энергоресурсов, используемых в различных элемен- тах энергетических и технологических установок, а также оценить диссипа- тивные потери в этих элементах и в установках в целом и определить эффек- тивность использования энергии.
Эксергетический анализ основан на уравнении эксергетического ба- ланса, которое для произвольного числа потоков на входе и выходе рассмат- риваемого элемента установки (рис.10.1) имеет вид
E
E
E




 
 
, где
M
E 

,
M
E 

,
Q
E 

,
Q
E 

– суммы эксергий потоков вещества и тепла на входе и выходе установки;
L

,
L

– суммарные работы, совершаемые окру- жающими телами над системой и системой над окружающими телами;
E


– эксергетические потери.
Рис.10.1. Потоки эксергии теплоты и вещества

89
Уравнение эксергетического баланса замыкается эксергетическими по- терями
E


, характеризующими диссипацию энергии, а эффективность уста- новки оценивается величиной эксергетического КПД
e
E
E


 


, где
E

– потоки эксергии, определяющие полезный эффект,
E

– потоки эксергии, определяющие затраты.
Эксергетические (энтропийные) потери могут быть найдены независи- мо по формуле Гюи-Стодолы
0
E
T
S





, где
S


– производство энтропии, вызванное необратимостью процессов
(диссипативными эффектами). Величина
S


определяется из уравнения ба- ланса энтропии, играющего основную роль в термодинамике необратимых процессов.

90
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Техническая термодинамика. В 2 ч. Ч. 1: учебное пособие / А.В. Остров- ская, Е.М. Толмачёв, В.С. Белоусов, С.А. Нейская. Екатеринбург : УГТУ–
УПИ, 2009. 155 с.
2.Техническая термодинамика: учебное пособие. В 2 ч. Ч.2 / А.В.Островская,
Е.М.Толмачев, В.С.Белоусов, С.А.Нейская. Екатеринбург: УрФУ, 2010.
106.с.
3. В.Н. Королёв, Е.М. Толмачёв. Техническая термодинамика / учебное посо- бие. Изд. 2-е. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. – 180 с.
4. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин С.А. Техническая термодинамика. -
М.: Наука, 1991.- 512 с.
5. Теплотехника. Учебник для втузов/ Под общей редакцией А.М.Архарова и
В.Н.Афанасьева. М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. – 712 с.
6. Александров А.А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетиче- ских установок. – М: Изд-во МЭИ,2004.- 158 с.
7. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Изд-во МЭИ.2003– 168 с.
8. Сборник задач по технической термодинамике /Андрианова Т.М., Дзампов
Б.В., Зубарев В.Н, Ремизов С.А. М.: Энергия. 2000. - 240 с.
9. Термодинамические свойства некоторых жидкостей, газов и газовых сме- сей. Справочно-информационные материалы / Белоусов В.С., Жилкин Б.П.,
Нейская С.А., Островская А.В., Ясников Г.П. Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.
Екатеринбург. – 2009.
10. Методические указания к лабораторным работам / Толмачев Е.М., Бело- усов В.С., Жилкин Б.П., Островская А.В., Ясников Г.П. Изд-во ГОУ ВПО
УГТУ-УПИ. Екатеринбург. – 2006.