Ексергічні баланси енергохіміко-технологічних систем (ЕХТС)

 

При дослідженнях ЕХТС в першу чергу складаються матеріальний і тепловий баланси, а потім вже ексергічний.

Тепловий баланс не відображає ступінь наближення ЕХТС до ідеального, її термодинамічну досконалість. На відміну від теплового балансу есергічний враховує втрати від безповоротності в ЕХТС і тим самим відображає ступінь наближення системи до ідеальної, для якої ексергічний ККД. рівний одиниці.

Перед складанням балансів необхідно виділити систему, що підлягає дослідженню, для чого в думках відділяють її від інших об'єктів контрольною поверхнею, а ексергії всіх потоків речовини і енергії, що проходять через неї, включаються в ексергічний баланс.

Для m кг речовини в одиницю часу або за певний період ексергичний баланс ЕХТС має наступний вид:

 

(7.1)

 

де и –сума ексергій, що входять в ЕХТС і що виходять з неї відповідно, сюди входять всі види ексергії;

 

– сума робіт, здійснюваних в ЕХТС

– сума ексергічних втрат ЕХТС

Очевидно, що досконалість ЕХТС і її елементів тим вище, ніж менше втрати ексергії, і тому ступінь досконалості ЕХТС і її елементів зазвичай характеризують так званим ексергічним к. к. д, який визначається з ексергічного балансу:

для ЭХТС

 

(7.2)

для машин

 

(7.3)

 

для апаратів

 

(7.4)

 

Очевидно, що ЕХТС і її елементом за відсутності втрат на безповоротність (втрат ексергії), тобто при =0, ексергічний ККД. буде рівний 1.

 

Види ексергічних втрат

 

Визначення втрат ексергії, що не характеризується ентропією, не представляє труднощів, оскільки вона дорівнює втраті відповідного виду енергії.

Втрати ексергії в теплообмінному апараті D_me в загальному випадку представляють суму чотирьох втрат: від кінцевої різниці температур D_т, гідравлічних опорів D_р, від теплообміну з навколишнім середовищем D_ос і викликані теплопровідністю уздовж теплообмінника. Оскільки зазвичай в теплообмінниках ЕХТС останні втрати вельми малі, то ними нехтують

 

D_me = D_Т + D_Р + D_ОС (7.5)

 

Втрата ексергії в теплообміннику від кінцевої різниці температур рівна:

 

D_T = Q·T₀·(), (7.6)

 

де Т_А, Т_В – середнєінтегральні значення температур, тобто

 

(7.7)

 

де - більша температура теплоносія «А», - менша.

Втрати ексергії від гідравлічних опорів D_Р – обумовлені рухом теплоносіїв в теплообміннику

 

D_P = L_A + L_B, (7.8)

 

де L_A и L_B – робота нагнітача теплоносія «А» і теплоносія «В» відповідно.

Втрати ексергії від теплообміну з навколишнім середовищем D_ОС мають місце при теплообміні теплової ізоляції машин і апаратів з навколишнім середовищем (T₀). Отже, величина втрати ексергії через недосконалість теплової ізоляції D_ОС визначиться за наступною формулою:

 

(7.9)

 

де питомі теплові потоки від теплоносіїв «А» і «В» через теплову ізоляцію в оточуюче середовище або навпаки (коли температури теплоносіїв менше температури навколишнього середовища Т₀, кДж/кг);

, - середнєінтегральні температури зовнішньої теплової ізоляції теплоносіїв «А» і «В» відповідно.

З формули (7.9) виходить, що коли , то D_ОС 0.

У теплообміннику, обчислюючи окремі складові втрат за приведеними вище формулами при різних варіантах проектованого апарату, можна знайти їх мінімум і частку кожної втрати в загальній D_ме. Якщо виявиться, що D_P << D_T і D_ОС << D_T, то ККД теплообмінника можна обчислити за формулою:

 

(18)