Эксергические балансы энергохимико-технологических систем (ЭХТС)

 

При исследованиях ЭХТС в первую очередь составляются материальный и тепловой балансы, а затем уже эксергический.

Тепловой баланс не отражает степень приближения ЭХТС к идеальной, ее термодинамическое совершенство. В отличие от теплового баланса эксергический баланс учитывает потери от необратимости в ЭХТС и тем самым отражает степень приближения системы к идеальной, для которой эксергический к. п. д. равен единице.

Перед составлением балансов необходимо выделить систему, подлежащую исследованию, для чего мысленно отделяют ее от других объектов контрольной поверхностью, а эксергии всех проходящих через нее потоков вещества и энергии включаются в эксергический баланс.

Для m кг вещества в единицу времени или за определенный период эксергический баланс ЭХТС имеет следующий вид:

 

(7.1)

 

где и – сумма входящих в ЭХТС эксергий и выходящих из нее соответственно, сюда входят все виды эксергии;

– сумма работ, совершаемых в ЭХТС;

– сумма эксергических потерь ЭХТС.

Очевидно, что совершенство ЭХТС и ее элементов тем выше, чем меньше потери эксергии, и поэтому степень совершенства ЭХТС и ее элементов обычно характеризуют так называемым эксергическим к. п. д, который определяется из эксергического баланса:

для ЭХТС

 

(7.2)

 

для машин

 

(7.3)

 

для аппаратов

(7.4)

 

Очевидно, что ЭХТС и ее элементом при отсутствии потерь на необратимость (потерь эксергии), т.е. при =0, эксергический к. п. д. будет равен 1.

 

Виды эксергетических потерь

 

Определение потерь эксергии, не характеризуемой энтропией, не представляет трудностей, поскольку она равна потере соответствующего вида энергии.

Потери эксергии в теплообменном аппарате D_me в общем случае представляют сумму четырех потерь: от конечной разности температур D_т, гидравлических сопротивлений D_р, от теплообмена с окружающей средой D_ос и вызванные теплопроводностью вдоль теплообменника. Так как обычно в теплообменниках ЭХТС последние потери весьма малы, то ими пренебрегают

 

D_me = D_Т + D_Р + D_ОС (7.5)

 

Потеря эксергии в теплообменнике от конечной разности температур равна:

 

D_T = Q·T₀·(), (7.6)

 

где Т_А, Т_В – среднеинтегральные значения температур, т.е.

 

(7.7)

 

где - большая температура теплоносителя «А», - меньшая.

Потери эксергии от гидравлических сопротивлений D_Р – обусловлены движением теплоносителей в теплообменнике

 

D_P = L_A + L_B, (7.8)

 

где L_A и L_B – работа нагнетателя теплоносителя «А» и теплоносителя «В» соответственно.

Потери эксергии от теплообмена с окружающей средой D_ОС имеют место при теплообмене тепловой изоляции машин и аппаратов с окружающей средой (T₀). Следовательно, величина потери эксергии из-за несовершенства тепловой изоляции D_ОС определится по следующей формуле:

(7.9)

где удельные тепловые потоки от теплоносителей «А» и «В» через тепловую изоляцию в окружающую среду или наоборот (когда температуры теплоносителей меньше температуры окружающей среды Т₀ , кДж/кг;

, - среднеинтегральные температуры внешней тепловой изоляции теплоносителей «А» и «В» соответственно.

Из формулы (7.9) следует, что когда , то D_ОС 0.

В теплообменнике, вычисляя отдельные составляющие потерь по приведенным выше формулам при различных вариантах проектируемого аппарата, можно найти их минимум и долю каждой потери в общей D_ме. Если окажется, что D_P << D_T и D_ОС << D_T, то КПД теплообменника можно вычислить по формуле:

 

(18)