Библиотека криофизика
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 аналитический 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 низкотемпературной 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. Мартыновскому 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 температуре, 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.
[Термин «эксергия» 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.]
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 Ш. 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 Ш. 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.
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 i.
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.
[Здесь и в дальнейшем нижний индекс «нуль» означает, что данный параметр рабочего тела или системы имеет ту же величину, что и в равновесной окружающей среде.]
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 ожижения 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. 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 эксергетического метода, а ко второй — те, которые посвящены в основном приложениям эксергии к решению технических и технико-экономических задач.
Термодинамические основы эксергетического 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 эксергетические 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 u—T0s и i—T0s в зависимости от параметров окружающей среды, а также разработал π, i — диаграмму состояния и исследовал её свойства. Им построена π, i — 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. Эксергетический 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 эксергетического 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: "Термодинамические основы криогенной техники. Бродянский В.М., Семенов А.М. "
| 
