2.5. Понятие эксергии

Как известно, топливо – это источник теплоты и энергии. Всякое топливо можно сжечь, но не всегда можно получить одинаковое количество полезных теплоты и работы. Возможность получить как можно больше работы из того же количества теплоты – основной вопрос технической термодинамики. Поэтому в термодинамике появился термин – работоспособность.

Термодинамические исследования и оценку энергетической эффективности процессов преобразования теплоты в работу удобно производить, пользуясь понятием эксергии. Термин «эксергия» введён З. Рантом в 1957 г. и состоит из двух частей: «ex» – внешний (лат.) и «erg» – энергия (греч.).

Эксергией называют то максимальное количество работы, которое можно получить

от заданного количества теплоты или вещества, если параметры этой теплоты или вещества привести (путём обратимых процессов) в равновесие с окружающей средой.

Получить работу можно только в неравновесной системе. Для этого требуется отличие ее параметров от параметров окружающей среды. Если не уходить очень далеко от практически важных задач, то окружающая среда – это воздух с неизменными параметрами: температурой T o, давлением p o.

Понятие эксергии E выступает как мера

ценности в термодинамике. Эксергия механической или электрической энергии численно равна этой энергии, так как она может быть полностью превращена в работу: E=L. Иначе обстоит дело с внутренней энергией некоего тела. Второй закон термодинамики утверждает, что всякое тело, не находящееся в равновесии с окружающей средой, обладает определённой эксергией.

Рис. 2.4. Диаграммы потоков теплоты и эксергии для теплосиловой паротурбинной установки

Если в системе есть только источник теплоты с температурой Т и окружающая среда с температурой Т o, то единственная возможность получить максимальную работу, отобрав от источника теплоту Q, состоит в том, чтобы между источником теплоты и

окружающей средой осуществить с помощью какого-либо рабочего тела прямой цикл Карно. При этом в работу будет превращена часть тепла, равная к.п.д. этого цикла Карно, то есть эксергия теплоты будет равна

E = Q(1— T o / T).

Видно, что эксергия теплоты тем выше, чем выше температура источника теплоты. При температуре окружающей среды эксергия теплоты равна нулю. Это обстоятельство не принимается во внимание многочисленными изобретателями предлагаемых тепловых двигателей, способных работать, по их мнению, с использованием теплоты изотермической окружающей среды.

Помимо эксергии теплоты, существуют и эксергия потока вещества, химическая и другие виды эксергии и методики их определения (рис. 2.4).

Как следует из диаграммы потоков теплоты, основная потеря (55%) – потеря теплоты, отданной в конденсаторе. Это заставляет, на первый взгляд, искать возможности снижения таких больших потерь именно в этом узле теплосиловой установки. На самом же деле – это низкотемпературная (низкопотенциальная) теплота, эксергия её незначительна и использовать её непросто.

Эксергетическая же диаграмма показывает, что потери работоспособности в конденсаторе–всего 4%, а основные потери–в котле вследствие необратимых потерь передачи тепла от горячего источника с температурой Т г ≈ 1800 К (топка котла) к рабочему телу с температурой Т 1 ≈ 800 К (пар на турбину).

Эксергетический анализ позволяет изыскивать пути повышения эффективности работы теплосиловой установки, анализируя причины потери эксергии по узлам и обосновывая рекомендации по совершенствованию циклов теплоэнергетических установок.

Однако к эксергетическому анализу необходимо относиться с определённой осторожностью, помня, что эксергия теплоты может иметь практическую ценность, равную нулю (при температуре теплоты, близкой к температуре окружающей среды). Надо одновременно оценивать и расходы, которые придётся понести, чтобы использовать эксергию теплоты. То есть следует проводить техникоэкономический (термоэкономический) анализ при рассмотрении процессов и циклов теплосиловых установок.