Эксергетический метод исследования

В настоящее время в термодинамике применяются два подхода к исследованию энергетических превращений в технических системах.

Первый подход основан на методах анализа прямых и обратных циклов. Эти методы на основе первого и второго законов термодинамики позволяют найти связи между количествами тепла и работы и параметрами системы. При составлении энергетического баланса системы можно найти коэффициенты, характеризующие исследуемый цикл (термический КПД, холодильный коэффициент и пр.), и сравнить их с коэффициентами соответствующих идеальных циклов.

В этом случае имеется возможность определить в данной системе суммарную потерю работы вследствие необратимости процессов. Эти потери могут быть разделены на две части. Первая часть, связанная с несовершенством процессов цикла, относится к внутренним потерям. Вторая часть потерь связана с условиями взаимодействия системы с внешними источниками и приемниками энергии и относится к внешним потерям.

Анализ циклов при необходимости может быть дополнен определением возрастания энтропии в отдельных процессах цикла, а затем по формуле Гюи — Стодолы величины потерь работы от необратимости процесса (энтропийный метод).

Второй подход основан на применении термодинамических потенциалов с целью анализа процессов превращения энергии в различных системах. Термодинамические потенциалы позволяют непосредственно найти величину любого вида работы в тех или иных условиях. С их помощью можно оценить работоспособность потоков энергии или вещества в любой точке рассматриваемой системы, независимо от ее структуры и сложности.

Важнейшим преимуществом методов анализа, основанных на использовании термодинамических потенциалов, является их максимальная универсальность. Она связана с тем, что методы решения задачи независимы от характера процессов в анализируемой системе (круговые или разомкнутые) и от форм энергии. По мере усложнения объектов преимущество методов, использующих термодинамические потенциалы, возрастает.

Однако для решения задачи использования потенциалов применительно к анализу технических систем необходимо иметь термодинамические функции, однозначно характеризующие работоспособность потоков вещества и энергии при определенных внешних условиях.

Эти функции должны отличаться от характеристических функций, используемых в химической термодинамике, которые не учитывают взаимодействия потоков энергии и рабочего тела с окружающей средой (взаимодействия вне границ системы).

Таким образом, для оценки работоспособности потока вещества или энергии важны не только параметры процессов внутри системы, но и их связь с окружающей средой. Поэтому определение потенциалов для потоков вещества или энергии должно производиться по отношению к равновесной части окружающей среды, в которой отсутствуют какие-либо потенциалы и любое воздействие системы не может изменить ее параметров.

Отсюда следует, что термодинамические функции, используемые для проведения анализа в указанных выше условиях, только тогда смогут исполнять роль потенциалов, с помощью которых можно определить работоспособность вещества или энергии в данных условиях окружающей среды, когда они наряду с параметрами системы будут включать еще и параметры окружающей среды.

Мера энергетических ресурсов системы, определяющая работоспособность вещества или энергии, была названа 3. Раитом [91] эксергией. Функции, определяющие величину эксергии, называются эксергетическими функциями.

Эксергия, в отличие от энергии, связанной с фундаментальными свойствами материи, является частным понятием, характеризующим пригодность энергии к работе при заданных условиях окружающей среды.

Эксергетическим методом называется метод исследований, основанный на анализе потерь работоспособности в термодинамических процессах. Эксергетический метод анализа получил широкое распространение благодаря своей универсальности. Он позволяет сравнивать между собой любые виды энергии и на этой основе определять эффективность различных процессов ее превращения. Эксергетические показатели непосредственно связаны с технико-экономическими характеристиками оборудования, что позволяет находить экономически наиболее выгодные параметры и размеры проектируемого теплоэнергетического оборудования.