Практическое значение эксергии

Ранее была рассмотрена эксергия газового тела при переходе его в состояние равновесия с окружающей средой по обратимым процессам. В этом случае газ сам выступает в роли рабочего тела.

В теплоэнергетике большое значение имеет использование термической неравновесности источника работы (горячее тело) и внешней среды (холодное тело) посредством рабочего тела, совершающего замкнутый процесс изменения состояния – цикл. В этом случае источник работы может иметь любые физические свойства. В теплоэнергетических установках это, как правило, газообразные продукты сгорания топлива, тепловыделяющие элементы или первичный теплоноситель (жидкий или газообразный) атомного реактора. В таких установках рабочее тело совершает цикл, источник работы служит теплоотдатчиком, а внешняя среда – теплоприемником.

В теплоэнергетике термодинамический анализ термической неравновесности источника работы и внешней среды с использованием понятия эксергии может быть практически использован в следующих направлениях:

1) для определения максимально полезной работы – эксергии, которая может быть получена в системе при использовании определенного количества первичного теплоносителя (источника работы);

2) для определения влияния необратимости на полезную работу;

3) для выбора рациональных циклов теплоэнергетических установок.

Последовательно рассмотрим эти направления применительно к наиболее характерным случаям.

8.4.2.1. Определение эксергии источников работы, имеющих

термическую неравновесность

Первоначально рассмотрим источник работы с постоянной температурой (бесконечной теплоемкостью), имеющей большее значение, чем температура внешней среды. Примером такого источника работы являются тепловыделяющие элементы в кипящем ядерном реакторе, вырабатывающем насыщенный водяной пар при постоянном давлении.

Для определения эксергии этого источника работы (теплоты) необходимо рассмотреть термодинамическую систему, которая должна включать в себя: горячий источник теплоты с постоянной температурой Т₁ (источник работы), внешнюю среду с постоянной температурой Т_ос (холодный источник теплоты) и рабочее тело (рис.8.26).

В рассматриваемой системе, при использовании количества теплоты Q₁, передаваемого от горячего источника теплоты рабочему телу, максимально полезная работа, или эксергия, может быть получена только при неизменной энтропии системы (ΔS_c = 0), т.е. при прохождении в ней только обратимых процессов. Выполнение этого условия возможно только при осуществлении в нашей системе обратимого цикла Карно (рис. 8.26) в интервале температур Т₁ и Т_ос. Только в этом случае в нашей системе не будет протекать никаких необратимых процессов, не будет возрастания энтропии системы и не будет потерь возможной работы.

Следовательно, максимально полезная работа – эксергия, получаемая в этом случае, будет соответствовать работе обратимого цикла Карно 1234:

Множитель (T₁-T_ос)/T₁ в выражении 8.38 представляет термический КПД данного цикла Карно, он называется эксергетической температурой. Всегда целесообразно иметь большее значение эксергетической температуры, поскольку в этом случае эксергия источника работы также будет иметь большее значение.

В случае если источник работы имеет конечную теплоемкость и температуру выше, чем температура окружающей среды, и находится в механическом равновесии с внешней средой (Р=Р_ос), он может перейти в состояние термического равновесия с внешней средой при его охлаждении по изобаре Р=const.

На практике существует множество источников работы такого типа: продукты сгорания органического топлива, горячие газы, пары, жидкости и т.п.

Рассмотрим определение эксергии таких источников работы на примере продуктов сгорания топлива, охлаждающихся от температуры Т₁ до температуры окружающей среды Т_ос при постоянном атмосферном давлении Р_ос=const (рис.8.27). Для получения работы в этом случае, как и в первом, необходимо, чтобы кроме источника работы система включала внешнюю среду с постоянной температурой Т_ос и рабочее тело. Получение максимально полезной работы в этой системе также возможно только при протекании в ней обратимых процессов, т.е. при отсутствии увеличения энтропии системы (ΔS_c = 0). В соответствии с этим условием рабочее тело должно совершать цикл 1231, поскольку только в этом случае изменение энтропии продуктов сгорания (процесс 12) будет равно изменению энтропии внешней среды (процесс 23) с обратным знаком. Максимально полезная работа, или эксергия, источника работы в этом случае будет равна площади 1231. Любой другой цикл рабочего тела не будет полностью обратимым и даст меньшую работу.

8.4.2.2. Определение влияния необратимости на полезную работу в изолированной системе

Как было установлено ранее, любая необратимость связана с возрастанием энтропии изолированной системы. Рассмотрим, как различные виды необратимости влияют на возможность получения полезной работы в изолированной системе.