Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

преобразование энергии) как при аккумулировании, так и при

высвобождении энергии.

Эти свойства аккумулирования энергии обязательно надо учитывать

при создании соответствующих энергетических систем. Обычно энергия

аккумулируется в период ее неизбежного избытка и освобождается при

естественном дефиците. Например, имеет смысл аккумулировать солнечную

энергию в светлое время суток и освобождать ее для освещения в темное

время суток.

В заключение отметим, что энергия (способность материальных

объектов производить работу) существует только в среде потенциальных

полей. Характеристики наиболее применяемых энергетических полей

приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Энергетические поля

Вид энергии Вид поля Потенциал поля

1. Тепловая энергия

2. Механическая

кинетическая энергия

3. Механическая

потенциальная энергия

4. Электростатическая

энергия

5. Электромагнитная

энергия

6. Магнитная энергия

Тепловое

Силовое поле

Электрическое поле

Магнитное поле

1. Разность температур

2. Равнодействующая

сил

3.1. Массы тел и

расстояние между

массами;

3.2. Разность давлений.

4. Электрические заряды

и расстояние между

зарядами

5. Разность

электрических

потенциалов

6. Напряженность

магнитного поля

4.3. Уравнение

энергетического баланса

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

60

Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения

энергии, который для замкнутой системы (работы внешних сил равны нулю)

можно привести в следующей формулировке: "Для замкнутой системы

энергия остается постоянной при всех происходящих в системе

процессах, при этом энергия может изменять свой вид, но общее ее

количество остается постоянным". Для открытой системы, общающейся,

например, с окружающей средой (реальные энергетические машины) закон

сохранения энергии можно сформулировать следующим образом;

"Невозможно создать такую машину, которая, совершив работу,

вернулась бы в исходное состояние без изменений в ней самой или в

окружающей среде".

Использование энергии для производства работы можно представить

следующей открытой системой (рисунок 4.1).

Ри

сунок 4.1. Схема преобразования энергии

в процессе производства работы

На основании закона сохранения энергии можно записать уравнение:

W

BX

= W

ВЫХ1

+ W

ВЫХ2

(4.7)

Преобразователь

энергии

W

BX

W

BЫX2

= А

ПОБ

W

BЫX1

= А

ПОЛ

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

61

Это уравнение справедливо всегда при преобразовании энергии и

называется энергетическим балансом. Заметим, что в (4.7) W

ВЫХ2

(часть

энергии преобразованной в процессе выполнения побочной работы) всегда

больше нуля, а W

ВЫХ1

(часть энергии преобразованной в процессе

выполнения полезной работы) может быть равна нулю. Последнее возможно,

если преобразование энергии происходит без заказа на производство какой-

либо полезной работы.

Энергетический баланс, представленный уравнением (4.7), позволяет

определить эффективность преобразования энергии. Действительно, чем

больше W

ВЫХ1

, тем эффективнее преобразование энергии W

ВХ

. Заметим, что

отношение W

ВЫХ1

к W

ВХ

является к.п.д. преобразования энергии. Учитывая

закон сохранения энергии к.п.д. можно представить в следующем виде,

удобном для анализа:

ВХ

2ВЫХ

ВХ

2ВЫХВХ

ВХ

1ВЫХ

W

1

W

WW

W







(4.8)

Из (4.8) наглядно следует, что чем меньше W

ВЫХ2

, тем выше к.п.д.

преобразователя.

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

62

Глава 5. Эксергетический

анализ предприятия

5.1. Необходимость

и особенности эксергетического

анализа

Недостатком энергетического баланса в виде (4.7) является отсутствие

учета возможностей преобразования. Дело в том, что для повышения

эффективности преобразования можно не только стремиться уменьшить

W

ВЫХ2

, но и пытаться использовать эту энергию для вторичного

преобразования. Однако уравнение (4.7) не несет информации о возможности

такого преобразования энергии W

ВЫХ2

. Вместе с тем существуют виды

энергии, которые имеют ограниченные возможности преобразования.

Например, тепловая энергия, после перетекания от более нагретого тела к

менее нагретому телу, не может быть возвращена от менее нагретого тела к

более нагретому телу без приложения дополнительной энергии (второй закон

термодинамики). Кроме того, тепловая энергия (по этому же закону)

непрерывно стремится перейти от более нагретого тела к менее нагретому,

например, в окружающую среду.

Учесть возможности преобразования позволяет эксэргетический

баланс. Для его составления и анализа введем понятие эксэргии и анергии.

Максимальную работу можно получить при обратимом переходе

энергоносителя (рабочего тела) из начального состояния в конечное

состояние. Примем, что конечным состоянием будет некоторая окружающая

среда. Тогда максимальная работа будет получена в процессе перехода

рабочего тела из начального состояния в состояние равновесия с

окружающей средой. Эту максимальную работу называют

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

63

работоспособностью энергоносителя, или эксергией. Таким образом,

эксергия, это та часть энергии рабочего тела, которая может переходить из

начального состояния в состояние равновесия и обратно. Отметим при этом,

что для обратного перехода потребуется приложение энергии, в противном

случае мы получим "перпетуум мобиле" (вечный двигатель, в котором

рабочее тело после совершения работы возвращается в исходное состояние

без затрат энергии извне).

При обратимом изменении рабочего тела обязательно изменяется вид

энергии. Отметим также, что энергию можно превратить в другой вид и

обратно не всю полностью. Таким образом, любой вид энергии можно

разделить на две части – обратимо превращаемую и необратимо

превращаемую в другие виды энергии. Для конкретной системы

преобразования энергии можно записать:

W = E

W

+ A

W

(5.1)

где Е

W

– эксэргия энергии, Дж;

А

W

– анергия энергии, Дж.

Заметим, что эксэргия определяет превращаемую часть энергии, а

анергия – не превращаемую часть энергии. Заметим так же, что при

изменении системы преобразования энергии эти части так же изменяются. С

учетом того, что эксергия в отличие от энергии не подчиняется закону

сохранения, то естественно стремление к таким процессам, в которых

расходование эксергии (превращение эксергии в анергию) происходит

наиболее медленно. В качестве эталона обратимости энергии применяется

механическая энергия, так как при производстве механической работы

происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую (работа

производится над телом) или кинетической в потенциальную (работа

производится телом).

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

64

Проанализируем виды энергии сточки зрения обратимости, то есть, с

точки зрения запаса эксергии.

Для идеализированных (не реальных) случаев считается, что

механическая и электрическая энергия не имеют анергии, то есть, состоят

только из эксэргии. Такое утверждение основывается на предположении

высокой упорядоченности носителей этих видов энергии, в отличие от

тепловой энергии, которая представляет неупорядоченную форму передачи

внутренней энергии.

Однако такое допущение корректно для весьма упрощенных случаев.

Практически в природе нет абсолютно упорядоченного движения. Так

электрический ток представляет собой хаотично-направленное движение

заряженных частиц (электронов или ионов) под действием разности

электрических потенциалов. Хаотичная составляющая движения заряженных

частиц как раз и обусловлена тепловыми колебаниями атомов и молекул, что

подтверждается увеличением сопротивления проводников при увеличении

температуры. Естественно, при таком движении заряженные частицы

"сталкиваются" с атомами. (Здесь термин "сталкиваются" взят в кавычки,

поскольку прямого столкновения нет). В процессе столкновения часть

энергии движущихся заряженных частиц преобразуется в кинетическую

энергию атомов проводника электрического тока, что увеличивает его

температуру. То есть, при протекании электрического тока часть

электрической энергии преобразуется в тепловую энергию проводников. Это

явление было открыто Джоулем, носит название "Джоулева теплота" и

описывается следующим выражением:

Q = I

2

Rτ (5.2)

Здесь I – значение протекающего по проводнику тока, А;

R – электрическое сопротивление проводника, Ом;

τ – время, в течение которого протекает ток по проводнику, с.

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

65

Таким образом, неизбежное превращение части электрической энергии

при производстве работы в тепловую энергию, обязательно обусловливает

наличие тепловой эксэргетической составляющей. Это в свою очередь

препятствует полной обратимости электроэнергии, то есть, подтверждает

наличия в ней анергии.

Преобразование механической энергии (даже из кинетической в

потенциальную и обратно), также сопряжено с преобразованием ее части в

тепловую энергию, что обусловлено трением поверхностей и деформацией

тел. Таким образом, механическая энергия так же имеет анергию.

Тепловая энергия (теплота) неизбежно переходит от более нагретого

тела к менее нагретому телу (в конечном счете, в окружающую среду).

Теплота, рассеянная в окружающей среде не может перейти к более

нагретому телу и составляет анергию тепловой энергии.

Таким образом, анергия присуща только тепловой энергией. Но так как

часть всех видов энергии при взаимных превращениях неизбежно

превращается и в теплоту, то в составе любой энергии можно выделить

анергию. Учитывая исключительную роль тепловой энергии в

эксергетическом анализа (наличие анергии), рассмотрим элементы

термодинамики, которые помогут нам проводить эксергетический анализ.

5.2. Элементы термодинамики

Простейшая модель теплосиловой энергетической установки

приведена на рисунке 5.1.

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

66

Рисунок 5.1. Простейшая модель теплоэнергетической установки

В теплосиловой установке к рабочему телу подводится теплота Q

ВХ

, в

результате чего оно испаряется и расширяется. Расширяясь, рабочее тело

производит работу А, толкая поршень или вращая турбину. После

производства работы температура рабочего тела понижается, Однако для

перевода его в исходное жидкое состояние требуется отвод теплоты Q

ВЫХ.

Устройство по отводу теплоты называется конденсатором, в котором рабочее

тело конденсируется в жидкость. Для данной системы можно записать

уравнение сохранения энергии:

Q

ВХ

= Q

ВЫХ

+ А (5.3)

Теплота, это тепловая энергия нагретого тела, пропорциональная его

температуре:

ΔQ = cmΔT (5.4)

где с – теплоемкость тела или газа, Дж/кг•К;

m – масса тела, кг;

Т – температура тела, К.

Испарение Расширение

Конденсация

Q

ВХ

Q

ВЫХ

А

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

67

Теплоемкость газа зависит от процесса изменения его состояния,

различают теплоемкости с

Р

(измеренную при постоянном давлении) и с

V

(измеренную при постоянном объеме). Эти теплоемкости для одного моля

газа связаны между собой уравнением Майера:

с

Р

= с

V

+ R (5.5)

Здесь единица измерения теплоемкостей Дж/моль•К.

Рассматривая простейшую модель теплоэнергетической установки

можно заметить, что рабочее тело произвело работу, изменив свое состояние

(нагревшись и расширившись). Изменяя свое состояние, рабочее тело

изменило и свою внутреннюю энергию Вернуться в исходное состояние

рабочее тело смогло, только отдав часть теплоты Q

ВЫХ.

. Можно

предположить, что эти две величины (изменение внутренней энергии и

отданная теплота) равны по значению. Соотнося приведенные рассуждения с

законом сохранения энергии

Q = ΔU + А (5.6)

Здесь Q – теплота, получаемая системой, Дж;

ΔU – изменение внутренней энергии тела, Дж.

В дифференциальной форме выражении (5.6) приобретет вид:

dQ = dU + dA (5.7)

Это математическая запись первого закона термодинамики, который

можно сформулировать следующим образом: "Подведенная к телу теплота

идет на изменение его внутренней энергии и производство работы".

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

68

Приняв, что рабочее тело производит работу по выталкиванию поршня

(рисунок 5.2), можно получить математическое выражение работы.

pdVpSdhFdhdА 

(5.8)

где F – сила, действующая на поршень, Н;

dh – перемещение поршня под действием газа, м;

р – давление газа под поршнем, р = constant;

S – площадь поршня, м

2

;

V – вытесненный объем, м

3

.

Рисунок 5.2. К определению работы расширяющегося газа

Что бы найти внутреннюю энергию, положим, что работа не

производится, то есть объем под поршнем остается постоянным. Тогда

можно записать:

dQ = dU (5.9)

Разделив обе части на dT и рассматривая один моль газа, получаем:

dh

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

69

Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.