Systems. Methods. Technologies 3 (43) 2019

Systems Methods Technologies. V.S. Stepanov et al. Using the exergy … 2019 № 3 (43) p. 74-80 74 УДК 620.9:662.6+577: 536.7 DOI: 10.18324/2077-5415-2019-3-74-80 Использование эксергетического метода для оценки термодинамической эффективности природных процессов В.С. Степанов a , Т.Б. Степанова b , Н.В. Старик ва 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 Статья поступила 17.06.2019, принята 22.07.2019 Отмечается, что за последние десятилетия методы термодинамического исследования технических систем получили заметное развитие. Имеется в виду более широкое распространение исследований с привлечением второго начала термоди- намики с введением нового понятия — эксергия. С этой целью был разработан специальный инструмент — полный энергети- ческий баланс, который совмещает балансы энергии и эксергии. В нем учитывается качество всех форм энергии, включая химическую энергию материальных потоков как на входе, так и на выходе из системы. На основе данных баланса эффектив- ность исследуемой системы определяется двумя КПД, энергетическим и эксергетическим. При этом оценка ее полезной про- дукции в энергетических единицах осуществляется на основе новых показателей — ее химической энергии и эксергии. По- скольку фундаментальные концепции термодинамики и ее законы имеют универсальный характер, термодинамические ме- тоды могут быть применены для исследования не только любой технической, но и естественной системы. Предлагается использовать эту методику для исследования эффективности процессов вегетации. Выполнен обзор научных представлений о процессе вегетации и его основных фазах. Рассмотрены основные показатели этого процесса, принятые в биологической нау- ке, и существующие методы оценки его эффективности. Как правило, это коэффициент полезного действия, рассчитанный на основе первого начала термодинамики. При этом полезный эффект процесса оценивается по калорийности (теплоте сго- рания) произведенной продукции. Для иллюстрации, в качестве примера, выбран процесс вегетации древесных пород, показаны методы определения их химической энергии и эксергии и определены энергетический и эксергетический КПД процесса вегета- ции соснового леса. Ключевые слова: вегетация растений; оценка эффективности; термодинамические методы; эксергетический анализ; энер- гетический и эксергетический КПД. Using the exergy method to evaluate thermodynamic efficiency of natural processes V.S. Stepanov a , T.B. Stepanova b , N.V. Starikova c 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 17.06.2019, аccepted 22.07.2019 It is noted that over the past decades, the methods of thermodynamic research of technical systems have received significant devel- opment. This refers to the wider dissemination of research involving the second law of thermodynamics with the introduction of a new concept - exergy. For this purpose, a special tool was developed — a complete energy balance, which combines the balances of energy and exergy. It takes into account the quality of all forms of energy, including the chemical energy of material flows both at the input and at the exit from the system. Based on the balance data, the effectiveness of the system under study is determined by two efficiency fac- tors, energy and exergy. Moreover, the evaluation of its useful products in energy units is based on new indicators — its chemical ener- gy and exergy. Since the fundamental concepts of thermodynamics and its laws are universal, thermodynamic methods can be applied to study not only any technical, but also natural systems. It is proposed to use this technique to study the effectiveness of vegetation processes. A review of scientific ideas about the vegetation process and its main phases is carried out. The main indicators of this process, adopted in biological science, and existing methods for assessing its effectiveness are considered. As a rule, this is a coefficient of performance calculated on the basis of the first law of thermodynamics. At the same time, the useful effect of the process is estimated by the calorific value (calorific value) of the produced product. For illustration purposes, as an example, the vegetation process of tree species was selected, methods for determining their chemical energy and exergy were shown, and the energy and exergy efficiency of the process of vegetation of a pine forest were determined.