Кафедра низких температур МЭИ Национальный исследовательский университет МЭИ
О кафедре Учебная работа Научная работа События Библиотека


О кафедреКонтактыНовостиИстория кафедрыУчёные кафедрыАбитуриентуСтудентуУчебная работаНаправления подготовки Учебники и учебные пособия 2021 и последующие годы Учебники и учебные пособия 2011-2020 годы Учебники и учебные пособия 2000-2010 годы Научная работаНаучные группыГрантыПатентыПубликации 2020 годПубликации 2019 годПубликации 2018 годПубликации 2017 годДиссертации 2011-2020 годы Диссертации 2000-2010 годы Научные труды и монографии События и мероприятияБиблиотека криофизикаЛабунцов Д.А. Физические основы энергетикиЛабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных системСоколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлажденияТепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: СправочникОсновы современной энергетики-1. ТеплоэнергетикаБродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализаГригорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей.Григорьев В.А., Крохин Ю.И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техникиБоярский М. Ю. Основы расчета фазовых равновесий в многокомпонентных смесяхБыков Д.В., Нестеров С.Б., Сабирзянов Н.Р. Расчет сложных вакуумных системБродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелияБродянский В.М., Калинина Е.И. Разделение газовых смесейГрачев А.Б., Синявский Ю.В., Шепелев А.И. Оборудование гелиевого ожижителя Г-45Синявский Ю.В. Криогенные трубопроводыАбрамов Г.И., Бродянский В.М. Хранение и транспорт ожиженных газов

Библиотека криофизика

Бродянский В.М.
Эксергетический метод
термодинамического анализа

Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа
М., Энергия, 1973. - 296 с., ил.
УДК 536.7

В книге изложены термодинамические основы эксергетического метода и показан аналитических и графический аппарат, необходимый для его практического использования, в частности эксергетические диаграммы состояния.
Рассмотрены способы составления и анализа эксергетических балансов установок и их отдельных элементов. Приведён ряд примеров приложений эксергетического метода к задачам теплотехники и техники низких температур. Показаны технико-экономические приложения эксергии.
Книга предназначена для научных работников и инженеров, связанных с различными отраслями энергетики, техники низких температур и технологическими процессами в химии и металлургии. Она может быть использована также студентами и аспирантами университетов, энергетических, политехнических и других вузов.

Cкачать в формате pdf:
Brodyanskiy_Eksergeticheskiy-metod.pdf


ПРЕДИСЛОВИЕ

Эксергетический метод термодинамического анализа является сравнительно новым разделом термодинамики; он основан на применении понятия эксергии для исследования технических процессов.

Этот метод находит широкое применение при анализе теплосиловых и холодильных установок, агрегатов химических и металлургических производств, различных криогенных систем. Развиваются также и технико-экономические приложения энергетического метода.

За последние годы как в СССР, так и за рубежом опубликовано большое количество работ по эксергетическому методу. Большая их часть представляет собой статьи, посвященные решению отдельных задач как теоретического, так и прикладного характера. Элементы энергетического метода рассматриваются в некоторых учебниках и монографиях по термодинамике (например, М. П. Вукаловича и И. И. Новикова; В. А. Кириллина, В. В. Сычева и А. Е. Шейндлина; Г. Баера, в книге Д. П. Гохштейна о методах термодинамического анализа и других).

В связи с расширением круга научных и инженерно-технических работников, использующих эксергетический метод, возникла необходимость в специальных книгах, где систематически и достаточно полно излагались бы как основы этого метода, так и его практические приложения. Своевременность появления обобщающих работ связана с тем, что создание основ энергетического метода в основном завершено и дискуссии о его целесообразности отошли в прошлое.

Единственным изданием, в котором впервые сделано такое обобщение, является монография Я. Шаргута и Р. Петели «Эксергия», переведенная с польского языка на pycский и выпущенная в 1968 г. издательством «Энергия» В этой монографии акцент сделан на приложение энергетического метода анализа к химическим процессам и металлургическим производствам.

Предлагаемая вниманию читателей книга основана на цикле лекций, прочитанных автором в Московском энергетическом институте, а также на работах в этом направлении. ведущихся на кафедрах Промышленных теплоэнергетических и криогенных систем (ПТКС) и Теоретических основ теплотехники (ТОТ) МЭИ. Наряду с теоретическими вопросами обоснования метода она посвящена его практическим приложениям, главным образом, к анализу агрегатов, использующих термомеханические процессы — теплосиловым, холодильным и криогенным. Большое внимание уделяется графическим методам решения задач, основанным на применении различных эксергетических диаграмм и номограмм.

Подробно рассмотрена методика составления эксергетических балансов, а также обоснование и методы вычисления к. п. д. процессов.

Специальная глава, написанная совместно с инженером. Е. И. Калининой, посвящена технико-экономическим приложениям эксергии.

Книга рассчитана на широкий круг читателей, знакомых с термодинамикой и ее техническими приложениями в объеме вузовского курса.

На распределении материала в книге, особенно в прикладной ее части, не могло не отразиться то обстоятельство, что область научных интересов автора связана в основном с низкотемпературно техникой. Поскольку в подавляющем большинстве термодинамических работ главное внимание уделяется процессам в теплосиловых установках и других высокотемпературных агрегатах, некоторое усиление внимания к приложениям общей методики в области низкотемпературных процессов может быть оправдано.

В конце книги дается библиография отечественных и иностранных работ по эксергетическому анализу.

Автор выражает благодарность коллективам кафедр ПТКС и ТОТ Московского энергетического института за интерес к работе и постоянную поддержку, профессорам А. А. Гухману и И. П. Ишкину, многие мысли которых использованы в книге, а также проф. Г. Н. Костенко, проф. В. С. Мартеновскому и проф. М. П. Малкову за полезную критику и обсуждение.

Глубокую благодарность автор выражает рецензенту книги проф. В. С. Жуковскому за ценные указания и советы.

Автор считает своим приятным долгом отметить большую и полезную работу, проделанную редактором книги доц. В. В. Алтуниным.

ВВЕДЕНИЕ

В современной прикладной термодинамике применяются два подхода к исследованию энергетических превращений в технических системах.

Первый подход связан с различными методами анализа прямых и обратных циклов. Эти методы детально разработаны и широко используются. Они позволяют на базе первого н второго начал термодинамики найти связи между внешними энергетическими потоками (количествами тепла и работы) и параметрами системы, а также между некоторыми внутренними параметрами. Посредством анализа энергетического баланса системы, в которой совершается анализируемый цикл, можно вычислить характеризующие его коэффициенты (термический к. п. д., холодильный или тепловой коэффициенты, коэффициент трансформации и т. д.) и сопоставить их с коэффициентами соответствующих идеальных циклов или цикла Карно. Поскольку реальные циклы большей частью связаны с подводом и отводом тепла при переменной температура. разработаны приемы сведения различных сложных круговых процессов к циклу Карно или другим идеальным циклам.

Такой подход к задаче позволяет определить в данной системе суммарную потерю производимой или затрачиваемой работы вследствие необратимости процессов. Эта сумма потерь может быть разделена на внутренние (связанные с несовершенством процессов самого цикла) и внешние (связанные с характером взаимодействия термодинамической системы с внешними приемниками и источниками энергии). Часто этих данных бывает недостаточно для инженерного анализа системы. В этом случае анализ циклов дополняется подсчетом возрастания энтропии в отдельных частях процесса. Произведение прироста энтропии на температуру окружающей среды дает в соответствии с формулой Гюи — Стодолы величину потери работы от необратимости в каждом элементе процесса (энтропийный метод) .

Второй подход опирается на использование термодинамических потенциалов для анализа процессов превращения энергии в различных системах.

Надлежащим образом выбранные термодинамические потенциалы обладают чрезвычайно важным свойством — давать значение работы (как механической, так и любого другого вида, например электрической) в тех или иных условиях.

Применяя это фундаментальное свойство потенциалов, можно оценить работоспособность потоков вещества и энергии в любой точке рассматриваемой системы, независимо от ее вида, структуры и сложности. Это же свойство потенциалов позволяет определить все необходимые для последующего анализа термодинамические характеристики системы и любой ее части на основе общей, логически последовательной методики.

В химической термодинамике, например, этот подход применяется очень широко, но в технических приложениях термодинамиками в основном используются «цикловые» методы. Только в последнее время метод анализа, основанный на использовании свойств потенциалов, интенсивно проникает и в область технических приложений термодинамики. Связано это прежде всего с тем, что диапазон процессов, изучаемых методами термодинамики, значительно расширился, а многие процессы стали существенно сложнее.

Появились новые типы теплосиловых установок (атомные, парогазовые, магнитогидродинамические). Наряду с теплосиловыми установками внедряются в технику новые теплоиспользующие и холодильные установки, агрегаты ожижения газов и разделения газовых смесей, криогенные системы, термоэлементы, фотоэлектрогенераторы, топливные элементы и др. Во многих установках осуществляется разомкнутый процесс с вводом и выводом рабочего тела из системы; часто в энергетических превращениях важное место занимают химические реакции.

В некоторых новых системах преобразования энергии термодинамический цикл вообще отсутствует (например, в полупроводниковых термоэлементах) .

Во всех этих случаях все большее значение приобретает основное качество методов анализа, опирающихся на свойства потенциалов,— универсальность. Эти методы универсальны в том смысле, что характер процессов в анализируемой системе (круговой или разомкнутый процесс, формы энергии и т. д.) не имеет принципиального значения; подход к задаче и методы ее решения не изменяются. Поэтому методы, основанные на использовании потенциалов, обладают большей логической и математической стройностью, а решение получается, как правило, более простым и коротким путем. Некоторые задачи, в частности технико-экономические, без применения потенциалов вообще достаточно обоснованно не решаются. Все эти преимущества по мере усложнения объектов анализа выступают явственнее.

Для решения задачи использования потенциалов применительно к,анализу технических систем нужно располагать термодинамическими функциями, которые бы однозначно характеризовали работоспособность, энергетическую ценность потоков вещества и энергии при заданных внешних условиях.

Такие функции должны отличаться от используемых в химической термодинамике. В большинстве задач химической термодинамики рассматриваются только внутренние параметры и процессы в системе, а также связь их с энергетическими воздействиями окружающей среды через границы системы. Характеристические функции не показывают, что происходит (или может произойти) вне границ системы с потоками энергии и рабочего тела, каковы результаты их возможного взаимодействия с окружающей средой.

Для технических приложений термодинамики важны не только параметры процессов внутри системы, но и анализ всех возможных видов взаимодействия потоков энергии и рабочих тел, связанных с рассматриваемой системой вне ее границ. Только при этом условии можно дать инженерную оценку пригодности, полезности потока энергии или вещества при данных параметрах.

Такие требования к анализу возможных процессов вне системы означают, что общее представление об окружающей среде как обо «всем том, что находится за пределами системы», в этом случае недостаточно и должно быть развито более детально.

Прежде всего, необходимо выделить часть среды, характеризуемую тем, что в ней нет никаких разностей потенциалов, а ее размеры настолько велики, что любое воздействие системы не может изменить ее параметров. Следовательно, эта «равновесная» часть среды сама по себе не может служить источником работы любого вида.

Наряду с этим в окружающей среде могут находиться объекты, отличающиеся от «равновесной» части по величине тех или иных потенциалов (например, температуры, давления и т. д.) и могущие служить источником или приемником энергии и вещества для рассматриваемой системы.

Определение потенциалов как для потоков вещества и энергии, связанных с этими внешними объектами, так и для самой анализируемой системы, должно в общем случае производиться по отношению к равновесной части окружающей среды. Эта часть среды играет роль уровня отсчета для любых потенциалов. Такая модель окружающей среды в наибольшей степени соответствует реальным условиям работы технических систем. В зависимости от конкретной обстановки равновесной частью среды может быть атмосфера, морская вода, космическое пространство и т. д. В дальнейшем подпонятием «окружающая среда» мы будем подразумевать именно эту равновесную часть среды, играющую определяющую роль в термодинамическом анализе.

Соответственно и термодинамические функции, предназначенные для проведения анализа в описанных условиях, должны включать в себя наряду с параметрами рабочего тела или потока энергии еще и параметры равновесной окружающей среды. Тогда эти функции смогут выполнять роль потенциалов, позволяющих в любом случае определить энергетические ресурсы системы или ее части, пригодные для получения работы (а, следовательно, и для энергетических превращений, которые могут быть практически использованы) в данных условиях окружающей среды.

Мера этих ресурсов, определяющих работоспособность вещества и энергии, была названа эксергией, а функции, определяющие ее, величину — энергетическими функциями '.

Понятие эксергии существенно отличается от понятия энергии. В то время как энергия связана с фундаментальными свойствами материи, эксергия является частным понятием, которое характеризует превратимость, пригодность энергии в данных условиях окружающей среды, параметры которой независимы от воздействия рассматриваемой системы.

Использование эксергии позволяет решать широкий круг технических и технико-экономических задач на основе единой, логически последовательно построенной термодинамической методики.

Разработка основ энергетического метода была начата еще во второй половине XIX в. профессором университета в Лионе 5К. Гюи (1854 — 1926), первая работа которого на эту тему вышла в 1889 г.

Несколько раньше (1876 г.) Дж. В. Гиббс впервые ввел определение функций,,позволяющих найти максимальную работу системы и окружающей среды. Как Ж. Гюи, так и Дж. В. Гиббс рассматривали рабочее тело, заключенное в непроницаемую для массы оболочку (т. е. случай закрытой системы), и в соответствии с этим использовали в качестве основной термодинамической функции внутреннюю энергию. Однако уровень техники того времени еще не требовал подробной разработки термодинамического аппарата, основанного на эксергетических функциях.

[Термин «эксергня» был введен в 1956 г. 3. Рантом по предложению Р. Планка. Он состоит из двух частей: греческого слова erg (on) — работа, сипа и приставки ех, означающей «из», «вне». Термин «эксергия» удовлетворяет всем необходимым требованиям к международному термину: он краток, соответствует по смыслу обозначаемому понятию и, наконец, близок к другим родственным терминам — энергия, энтропия, энтальпия.]

Дальнейшие шаги в этом направлении были сделаны в 1898 г. А. Стодолой, а затем рядом исследователей, среди которых следует особо отметить Д. Кинана, В. Кизома и Ф. Бошняковича, работы которых относятся к 30-м годам. А. Стодола развил идеи своих предшественников применительно к наиболее важным, с технической точки зрения, процессам — тем, которые протекают в потоке. Поэтому введенное им понятие «свободной технической энергии» (freie technische Energie) основано на функции, характеризующей энергию потока рабочего тела,— энтальпии.

Д. Кинан в статье, вышедшей в 1932 г., исследовал свойства эксергетической функции и, предложил и построил первую диаграмму для водяного пара с эксергией в качестве ординаты, основываясь на эксергетической методике, он провел анализ цикла конденсационной электрической станции.

В. Кизом в 1933 г. впервые применил эксергетические функции для термодинамического анализа низкотемпературных процессов на примере каскадного процесса ожижения азота. Работа В. Кизома стала отправной для дальнейших термодинамических исследований технических процессов в области низких температур.

Ф. Бошнякович в своем известном курсе термодинамики подробно исследовал ряд свойств эксергетической функции, названной им «технической работоспособностью» (technische Arbeitsfahigkeit) с широким использованием i,s-диаграммы состояния. Он же разработал, в частности, графические методы термодинамического анализа процессов движения воздуха.

Работы Ф. Бошняковича и его школы дали существенный толчок развитию этого направления термодинамики.

В СССР с 30-х годов развивалось направление термодинамического анализа, основанное на сочетании метода анализа циклов с отдельными элементами энергетического метода (главным образом подсчетом эксергии тепла и потерь эксергии по возрастанию энтропии). Необходимость развития этого направления отмечалась в статье М. В. Кирпичева и учебниках В. С. Жуковского, М. П. Вукаловича и И. И. Новикова.

Применительно к теплосиловым установкам такая методика разрабатывалась и широко применялась в работах А. И. Андрющенко и Д. Д. Калафати. Исследования циклов холодильных машин посредством сочетания значительно развитого метода анализа циклов и элементов эксергегического анализа проводились В. С. Мартеновским, В. С. Мартыновским и Л. 3. Мельцером. П. Л. Капица применил функцию для анализа систем ожижения воздуха и роли отдельных агрегатов в этих системах.

Метод подсчета потерь эксергии от необратимости по уравнению Гюи — Стодолы, разработанный в США и Англии в 30-х годах был развит Д. П. Гохштейном применительно к теплосиловым и отчасти к холодильным установкам. Такой путь позволил получить часть эксергетических характеристик анализируемого процесса.

Начиная с 50-х годов число работ, специально посвященных эксергии и ее практическим приложениям, резко увеличилось.

Дальнейший обзор литературы целесообразно провести, разделив ее по содержанию на две группы. К первой группе относятся работы, в которых рассматриваются главным образом термодинамические основы энергетического метода, а ко второй — те, которые посвящены в основном приложениям эксергии к решению технических и технико-экономических задач.

Термодинамические основы энергетического метода рассматривались в сериях статей П. Грассмана, 3. Ранта, И. П. Ишкина и В. М. Бродянского, а также в книгах Р. Mapшалла, Г. Баера, В. Фратшера, А. И. Андрющенко, Я. Шаргута и ряда других авторов.

П. Грассман опубликовал первую статью на эту тему в 1949 г. В ней впервые рассмотрен в общем виде вопрос о к.п.д. термодинамической системы.

Последующие статьи этого автора посвящены характеристике понятия эксергии потока и сравнению ее со свободной энтальпией.

3. Рант обосновал и ввел в термодинамику термин «эксергия», построил энергетические диаграммы в координатах эксергия — энтальпия для водяного пара и продуктов сгорания, предложил методы расчета эксергии топлива.

В учебниках термодинамики Р. Маршалла и Г. Байера широко используется понятие эксергии, что позволило авторам, особенно Г. Баеру, изложить многие разделы курса в более наглядной и краткой форме, чем это делалось раньше, при сохранении всей необходимой строгости определений и выводов.

А. И. Андрющенко рассмотрел свойства функций в зависимости от параметров окружающей среды, а также разработал диаграмму состояния и исследовал её свойства. Им построена диаграмма для водяного пара.

Большая работа В. ФРатшера, выпущенная в ГДР как приложение к переводу на немецкий язык курса термодинамики М П. Вукаловича и И. И. Новикова, содержит обширный материал, относящийся к эксергии. В ней наряду с последовательным изложением и обобщением результатов работ Н. Эльснера и других авторов даны собственные разработки В. Фратшера, посвященные процессам горения, а также анализу отдельных процессов изменения состояния и различных обратимых и необратимых циклов. В этой работе большое внимание уделено диаграммам состояния с использованием эксергии.

Книга Я. Шаргута и Р. Летели подытоживает работы по эксергии, проведенные Я. Шаргутом и его сотрудниками в Политехническом институте г. Гливице (Польша). В книге рассмотрен широкий круг теоретических вопросов, относящихся к эксергии, подробно разработаны и термодинамически обоснованы методы определения эксергии топлив, а также других элементов и соединений, добываемых из природного сырья, в частности металлов; результаты расчета сведены в справочные таблицы. Впервые разработаны методы определения эксергии излучения.

Применительно к низкотемпературной области свойства эксергии потока и тепла рассмотрели И. П. Ишкин и В. М. Бродянский. Они впервые предложили термодинамическую диаграмму состояния в координатах эксергия — энтальпия и изучили ее свойства. Этими авторами построены также диаграммы для,воздуха и аммиака и рассмотрены способы определения энергетического к. п. д. термодинамических систем. В. М. Бродянский разработал диаграмму эксергия — концентрация для бинарной смеси и исследовал ее свойства. Им построена эксергетическая диаграмма для смеси О2— N2.

Большая часть работ по приложениям энергетического метода относится к различным вопросам теплотехники. В частности, анализ различных теплосиловых установок занимает значительное место во многих работах перечисленных выше авторов. Металлургическим процессам посвящена большая часть прикладных разделов книги Шаргута. Отдельные вопросы теплотехники рассматриваются также в многочисленных статьях, как оригинальных, так и обзорных. Развиваются и приложения эксергии к задачам химической технологии.

В области приложений эксергии к задачам низкотемпературной техники следует отметить упоминавшиеся уже статьи В. Кизома, П. Л. Капицы, а также последующие работы П. Грассмана, в которых рассматриваются особенности эксергии при низких температурах, в частности при анализе теплообмена. Анализ холодильных циклов эксергетичсским методом дается в статьях Х. Глязера, К. Нессельмана и ряда других авторов как в СССР, так и за рубежом.

Особое внимание исследователей в последнее время привлекают возможности использования эксергии для решения технико-экономических задач. К ним относятся прежде всего оптимизационные расчеты, основанные на зависимостях, включающих одновременно как термодинамические, так и экономические показатели (термоэкономика).

Важное место в этой области занимает распределение расходов энергии или топлива между получаемыми продуктами в комплексных производствах. Энергетический метод позволяет также наиболее обоснованно проводить установление тарифов на энергоносители, определение технического уровня различных видов оборудования по энергетическим,,весовым и другим показателям, составление рядов машин и т. д. Решению этих задач посвящены многие работы как советских, так и зарубежных исследователей.

Если в области термодинамического обоснования теории основные вопросы, за немногими исключениями, решены и уже не вызывают серьезных дискуссий, то положение в прикладной области несколько сложнее.

Разработка практических приложений энергетического метода ведется одновременно в различных и довольно много численных направлениях, поэтому методы решения задач во многом определяются спецификой той или другой области техники. По ряду вопросов, особенно в области технико-экономического анализа, единые точки зрения еще окончательно не сформировались.

Учитывая эти обстоятельства, автор постарался изложить прикладные вопросы таким образом, чтобы в максимально возможной степени опираться на твердо установленные общие теоретические положения и методику.



Следующая страница: Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей.


    Главная   • Библиотека криофизика   • Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа  

Абитуриенту Студенту Учеба Наука События Библиотека
© Кафедра низких температур МЭИ, 2021.
Высшее образование и научная деятельность в сфере
физики, энергетики, инженерии.
о кафедре
история кафедры
 
контакты
карта сайта