Systems. Methods. Technologies 2 (38) 2018

Системы Методы Технологии. В.С. Степанов и др. Методы определения … 2018 № 2 (38) с. 63-69 63 УДК 620.9: 697(075.3) DOI: 10.18324/2077-5415-2018-2-63-69 Методы определения эксергии теплоты для исследования низкотемпературных и криогенных процессов В.С. Степанов a , Т.Б. Степанова b , Н.В. Старикова c Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова 83, Иркутск, Россия a, b stepanov@istu.edu, c natalia-starikova@yandex.ru a https://orcid.org/0000-0001-8331-8337 , b https://orcid.org/0000-0002-1546-8816, c https://orcid.org/0000-0002-2649-5318 Cтатья поступила 19.03.2018, принята 23.04.2018 В настоящее время метод эксергетического анализа для исследования различных технических систем разработан доста- точно хорошо. Исключение составляют низкотемпературные и криогенные процессы, протекающие при температурах ниже температуры окружающей среды (установки для обеспечения микроклимата в зданиях различного назначения, системы раз- деления воздуха и других газовых смесей и т. п.). Часто результаты исследований таких технических систем выглядят не- убедительными, либо даже противоречащими здравому смыслу. Причины кроются как в формальном перенесении в эту об- ласть приемов эксергетического анализа, хорошо работающих при исследовании высокотемпературных процессов, так и в трактовке самого понятия «эксергия» без учета особенностей функционирования низкотемпературных процессов. На основе анализа публикаций авторы статьи предложили новый метод определения эксергии теплоты для процессов, протекающих при любой температуре, в том числе и низкотемпературных. Для этого вводится понятие совокупной изолированной систе- мы, включающей исследуемую техническую систему и окружающую среду. Процесс установления равновесия в такой систе- ме зависит от соотношения температур источника и приемника. Если температура рассматриваемой системы выше тем- пературы окружающей среды, равновесие в совокупной системе устанавливается за счет передачи теплоты от этой сис- темы окружающей среде. Часть передаваемой теплоты при этом может быть преобразована в работу. При противопо- ложном соотношении температур равновесие в совокупной системе может быть установлено только за счет теплоты окружающей среды. В этом случае окружающая среда выступает источником теплоты, а техническая система становит- ся ее приемником. Такое представление процессов, происходящих в совокупной изолированной неравновесной системе, со- стоящей из технической системы и окружающей среды, позволяет правильно определить значение эксергии при любой тем- пературе. Ключевые слова: низкотемпературные процессы; эксергетический анализ; эксергия теплоты; методы определения. Methods for determining heat exergy for the study of low-temperature and cryogenic processes V.S. Stepanov a , T.B.Stepanova b , N.V.Starikova c Irkutsk State Technical University; 83, Lermontov St., Irkutsk, Russia a, b stepanov@istu.edu, c natalia-starikova@yandex.ru a https://orcid.org/0000-0001-8331-8337 , b https://orcid.org/0000-0002-1546-8816, c https://orcid.org/0000-0002-2649-5318 Received 19.03.2018, аccepted 23.04.2018 At present, the method of exergic analysis for the study of various technical systems has been developed quite well. The exception is low-temperature and cryogenic processes occurring at temperatures below ambient temperature (installations for providing microcli- mate in buildings for various purposes, air separation systems and other gas mixtures, etc.). The results of studies of such technical systems often look unconvincing, or even contrary to common sense. The reasons lie both in the formal transfer to this area of the me- thods of exergetic analysis, which work well in the study of high-temperature processes, and in the interpretation of the term "exergy", without taking into account the features of the functioning of low-temperature processes. Based on the analysis of publications, the au- thors of the article proposed a new method for determining the exergy of heat for processes occurring at any temperature, including low one. For this purpose, the concept of a cumulative isolated system, including the technical system and the environment under considera- tion, is introduced. The process of establishing an equilibrium in such a system depends on the ratio of the source and receiver tempera- tures. If the temperature of the considered system is higher than the ambient temperature, the equilibrium in the cumulative system is established due to the transfer of heat from this system to the environment. Part of the transferred heat can be converted into work. With the opposite temperature relationship, equilibrium in the cumulative system can be established only at the expense of the heat of the environment. In this case, the environment acts as a source of heat, and the technical system becomes its receiver. Such a representation of the processes occurring in the cumulative isolated non-equilibrium system consisting of a technical system and the environment al- lows us to correctly determine the exergy value at any temperature.