Влияние необратимости на работоспособность термодинамических систем. Эксергетические потери и эксергетический КПД

Любая необратимость процессов преобразования энергии приводит к уменьшению фактической работы, отдаваемой потребителю, по сравнению с максимально возможной работой, определяемой уравнениями (10), (13), (14). Потери возможной работы при этом выражаются через изменения энтропии, вызванные необратимостью процессов.

Как известно, уравнение первого закона термодинамики в форме (48) справедливо как для равновесных, так и для неравновесных процессов, если под l₀ и q понимаются соответственно количества внешней работы и внешней теплоты, т.е. количества энергии, переходящие между системой и телами окружающей среды. По этому выражения для работы проточной системы пригодно не только для равновесных и не равновесных процессов. Различие состоит в том, что при наличии необратимых (индекс «н» процессов)

Δs_Σ^H>0 (17)

Поэтому фактическая работоспособность системы уменьшается по сравнению с максимальной на величину

П=Т₀ Δs_Σ^H, (18)

которая получила название эксергетических потерь. В этом случае

l₀=l₀^max –T₀Δs_Σ^H (19)

Выражение (19) выражает закон Гюи-Стодолы и свидетельствует о том, что уменьшение полезной работы, вызванное наличием необратимых процессов, равно произведению температуры окружающей среды на приращение энтропии всех участвующих в процессах тел.

Введение и использование понятии эксергии дает возможность количественно определить влияние неравновесности термодинамических процессов на эффективность преобразования энергии. Уравнение (19) показывает, что необратимость уменьшает количество энергии, которое может быть получено в форме работы. Уравнение (18) позволяет найти эти потери. Установки, работающие полностью обратимо, не обладают такими потерями и являются с термодинамической точки зрения идеальными. Степень термодинамического совершенства реальных установок определяется тем, насколько велики в этих установках энергетические потери, вызванные необратимостью.

В настоящее время для оценки влияния необратимости используются два метода. В основу метода эксергетических потоков положен подсчет потоков эксергии рабочих тел, входящих в систему, подводимой теплоты и потоков эксергии, покидающих систему. При этом учитывается эксергия потока рабочего тела по уравнению (11), эксергия потоков теплоты (12), а также подводимая и отводимая организованная энергия l _и т.е. работа всех видов. Для определения эксергии рабочих тел и теплоты удобно использовать эксергетические диаграммы. Если рабочее тело, покидающее систему, имеет ненулевую эксергию, то она учитывается только в тех случаях, когда рабочее тело предназначено для получения от него работы в каких- либо других установках (например, сжатый воздух от компрессора, предназначены для привода пневматических машин). При наличии необратимых процессов в системе суммарный поток подводимой эксергии на величину эксергетических потерь. Термодинамическое совершенство системы характеризуется эксергетическим КПД

η_Э=Э_полезн/Э_затр (20)

определяемым в виде отношения полезно используемой энергии, пересекающей границу системы, к затрачиваемой эксергии.

Метод эксергетических потерь основан на подсчете эксергетических потерь в пределах каждого участка (узла) системы по управлению (18). Для этого требуется определить увеличение энтропии под действием необратимости в каждом узле. Вследствие аддитивности энтропии и постоянства температуры Т₀ общая потеря эксергии в системе равна сумме эксергетических потерь в отдельных узлах. Относительно влияние необратимости процессов в отдельном узле на снижение общей термодинамической эффективности системы характеризуется коэффициентом эксергетических потерь, представляющим собой отношение потерь эксергии на данном участке к полной эксергии, вводимой в систему:

Ω_i= П_і/Э_вх (21)

Можно также рассматривать коэффициент эксергетических потерь, отнесенный к эксергии, входящий в данный узел установки:

Ω_i^I= П_і/Э_{вх t} (22)

Коэффициент эксергетических потерь системы связан с ее полным эксергетическим КПД простым соотношением

η_Э=1- ΣΩ_i (23)