Systems. Methods. Technologies 2 (38) 2018

Systems Methods Technologies. V.S. Stepanov et al. Methods for determining … 2018 № 2 (38) p. 63-69 64 Key words: low-temperature processes; exergy analysis; thermal exergy; estimating methods. Введение Метод эксергетического анализа различных техни- ческих систем в настоящее время находит широкое применение. При этом для установок, в которых осу- ществляются процессы при температурах выше темпе- ратуры окружающей среды (ОС), он достаточно хоро- шо разработан и апробирован на многочисленных при- мерах [1–5]. Результаты приложения метода в рассмот- ренных примерах не противоречат здравому смыслу и не являются абсурдными или труднообъяснимыми. Этого нельзя сказать об опыте использования эксерге- тического метода применительно к техническим сис- темам , в которых процессы реализуются при темпера- турах ниже температуры окружающей среды (установ- ки для обеспечения микроклимата в зданиях различно- го назначения, системы разделения воздуха и других газовых смесей и т. п.). Такие процессы и установки широко используются в промышленности, строительстве, жилищно-комму- нальном секторе, и, соответственно, энергопотребление в этой сфере растет с каждым годом. Поэтому важно обратить внимание на разработку показателей и мето- дов оценки энергоэффективности низкотемпературных процессов, которые имеют фундаментальное значение. Существует значительное число работ как отечест- венных, так и зарубежных авторов [6–8], посвященных эксергетическому анализу технических объектов, реа- лизуемых в области таких температур. Авторы этих публикаций, как правило, не уделяют должного внима- ния специфическим особенностям приложений эксер- гетического метода в подобного рода случаях. Даже трактовка самого понятия «эксергия» применительно к таким установкам ими, как правило, даже не обсужда- ется, делается лишь ссылка на классиков эксергетиче- ского метода. При этом надо отметить, что и у самих классиков нет единого взгляда на понятие эксергии применительно к теплоте с температурами ниже тем- пературы окружающей среды. Каким образом трактовать понятие «эксергия» при исследовании подобного рода процессов и как опреде- лять ее численное значение — это, на наш взгляд, ос- новные вопросы, требующие уточнения. Чтобы отве- тить на них, необходимо вспомнить об истоках проис- хождения понятия «эксергия» . В соответствии с 2-м законом термодинамики, для того, чтобы преобразовать количество теплоты 1 Q с температурой 1 T в работу, необходимо иметь не только источник теплоты, но и теплоприемник, куда бы сбра- сывалась теплота 2 Q с температурой 1 2 T T < , не спо- собная совершать работу. В случае, когда приемником теплоты является ОС с параметрами 0 p , 0 T , максимальная работа, которая может быть получена из теплоты 1 Q , 0 1 max QQ A − = (где 0 Q — теплота, переданная окружающей среде), была названа З. Рантом эксергией — q E . Теплоту 0 Q , неспособную производить работу, он предложил на- звать анергией — q B [ 9 ] . Иначе говоря, в работу может быть преобразована лишь часть подведенной к тепло- вой машине теплоты 1 Q , равная 2 1 QQA − = (рис. 1). Как известно, КПД тепловой машины С. Карно оп- ределяется соотношениями: 1 1 1 1 1 2 2 T TT Q QQ Q A t − = − = =η , (1) откуда следует, что значение КПД показывает, как из- меняется ценность (работоспособность) подведенной к машине теплоты при изменении ее температуры и по- стоянстве температуры теплоприемника. Таким образом, если процессы взаимодействия тех- нической системы с окружающей средой осуществле- ны обратимо, тогда q E A = max и 1 Q E t q ⋅ η= . Откуда следует, что эксергия характеризует работоспособность подводимого к тепловой машине Карно тепла в том случае, когда 2 1 T T > . При этом нет указания, где и ка- ким образом оно было получено, т. е. процессы, проис- ходящие в источнике тепла, не рассматриваются. В эксергетическом методе анализа различных про- цессов большое внимание уделяется учету особой роли окружающей среды. Из самого определения эксергии следует, что в качестве уровня ее отсчета должна быть принята совокупность параметров равновесной окру- жающей среды. Но, поскольку почти все параметры реальной окружающей среды изменяются во времени и пространстве (причем, в достаточно широком диапазо- не), такая система отсчета оказывается неравновесной, т. е. непригодной для решения практических задач. Поэтому для энергетического анализа вводится и практически применяется лишь некая модель окру- жающей среды с параметрами const = 0 * T , const = 0 * p , которая в той или иной мере может отражать характер и условия взаимодействия исследуемой технической системы с реальной природной средой. Важнейшим следствием 2-го закона термодинамики является то обстоятельство, что существующие формы энергии обладают разной способностью преобразовы- ваться в работу. Есть формы энергии, неограниченно Источник теплоты Тепловая машина Приемник теплоты ) ( 1 1 TQ )2(2 TQ пол А Рис. 1. Схема преобразования теплоты в работу