книги / Эксергетические расчеты технических систем

Авторы

В.М. БРОДЯНСКИЙ, Г. П. ВЕРХИВКЕР, С. В. ДУБОВСКОЙ,

Я.Я. КАРЧЕВ, И. Л. ЛЕЙТЕС, Т. В. МАКСИМОВА,

Д. Г. НИКИТИН, Б. П. НЕСТЕРОВ, В. В. ОНОСОВСКИЙ,

В.И. ПРОХОРОВ, С. М. ШИЛКЛОПЕР, М. В. СОРИН,

Г. М. ЩЕГОЛЕВ, Ю. М. ХЛЕБАЛИН, А. И. ПОПОВ, Е. И. ЯНТОВСКИЙ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее издание представляет собой справочное пособие по расче­ там, связанным с практическими приложениями эксергетического метода. Основанный на ис­ пользовании обобщенной меры энергетической ценности в сочетании с элементами экономики, этот метод позволяет решать актуальные технические и технико-экономические задачи на ос­ нове единого, научно обоснованного подхода.

За последние 15—20 лет эксергетический метод и базирующиеся на нем частные методики получили широкое распространение не только для анализа и оптимизации различных техни­ ческих систем преобразования вещества и энергии, но и для учета ресурсов, распределения за­ трат в комплексных производствах, нормирования расхода материалов и энергии. Соответст­ венно нарастал и выпуск литературы, посвященной эксергетическому методу и его приложе­ ниям. В нескольких странах, в том числе и в СССР, вышли монографии на эту тему. Публи­ куется и множество статей, рассматривающих решения конкретных прикладных задач, отно­ сящихся к исследованиям и усовершенствованиям различных производственных процессов. Что же касается предлагаемого издания, его необходимость вызвана несколькими причинами. Во-первых, нужные сведения, разбросанные по разным источникам, не всегда достаточно быст­ ро можно найти, а иногда они просто отсутствуют. Во-вторых, разные авторы часто пользуются различными обозначениями, недостаточно обоснованными терминами, выбирают несовпадаю­ щие точки отсчета численных значений величин эксергии и т. д. В-третьих, в литературе иног­ да встречаются противоречия и даже ошибки в трактовке ряда вопросов.

Авторы попытались преодолеть перечисленные трудности с помощью обобщения и сравни­ тельно компактного изложения информации, нужной для эксергетических расчетов в различных отраслях народного хозяйства. При отборе и подготовке материала они поставили перед со­ бой три основные задачи.

1. Дать в сжатом виде главные теоретические положения, предварительно проанализи­ ровав и устранив возможные противоречия.

2. Изложить'практические методики расчетов в удобном для использования виде с при­ мерами и необходимыми справочными данными.

3. Унифицировать терминологию и условные обозначения.

Решить эти задачи в коллективном труде на относительно новую тему, объединяющем результаты работ 15 авторов, естественно, затруднительно. Поэтому читателю могут встре­ титься некоторые различия в трактовке отдельных вопросов, манере подачи материала, а также отклонения от строгой последовательности изложения. В некоторой степени такие от­

клонения при разделении материала по главам были допущены сознательно, чтобы не нару­ шать структуру каждой главы.

Для удобства пользования в первых двух главах справочного пособия даны основные по­ нятия и определения, а также обзор областей применения эксергетических расчетов со ссыл­ ками на соответствующие параграфы глав прикладного характера.

В третьей и четвертой главах содержатся формулы для аналитического расчета величин эксергии, а также диаграммы и номограммы, позволяющие получить значения этих величин непосредственно.

В пятой главе приведены методики составления и анализа эксергетических балансов, а также определения КПД технических систем.

В шестой главе изложена методика анализа и оценки частных процессов в элементах и блоках, из которых слагается любая сложная система в теплотехнике, низкотемпературной технике и химической технологии.

В седьмой главе, посвященной наиболее распространенным системам теплоэнергетики — тепловым электрическим станциям, дается методика анализа и оптимизации КЭС и ТЭЦ. Из-за специфики этих объектов энергетики целесообразно сочетать эксергетический подход с исполь­ зованием классического метода циклов. В одном из параграфов главы описаны некоторые энер­ готехнологические установки.

Восьмая и девятая главы основаны на материале всех предыдущих глав. В них рассмат­ риваются с общих позиций анализ и оптимизация технических систем — основа всех практиче­ ских действий как по снижению энерго- и материалоемкости конечного продукта (продуктов), так и по выбору технического решения. В восьмой главе задачи решаются на термодинамиче­ ском уровне, в девятой — на технико-экономическом.

В список использованной литературы сведены все основные отечественные и зарубежные работы, которые могут быть полезны при изучении теории и при расчетах. Предметный указа­ тель дает возможность читателю быстро найти необходимые сведения.

Авторы приносят благодарность рецензенту д-ру техн. наук, проф. А. И. Андрющенко за ценные советы и замечания, которые способствовали значительному улучшению содержания и методики изложения материала книги, д-ру техн. наук, проф. Г. М. Щеголеву, принимавшему активное творческое участие в обсуждении научно-технических вопросов, связанных с подго­ товкой и редактированием справочного пособия, а также старшему инженеру Института технической теплофизики АН УССР С. В. Березнюк за значительную помощь при подготовке рукописи.

Авторы надеются, что пособие поможет приобщению широких кругов инженеров-энер- гетиков и экономистов к практическому использованию эксергетических расчетов при разра­ ботке и совершенствовании различных технологий. Все замечания и практические советы по улучшению содержания и оформления книги будут приняты авторами с благодарностью.

Iг ПinunА А

J о

1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

§ 1. Принципы эксергетических расчетов

В современных технологиях, связанных с переработкой вещества и энергии, важное место занимают объекты, создание и усовершенство­ вание которых требуют использования термодинамики. Классический аппа­ рат этой науки часто оказывается недостаточным для решения новых задач; необходимо не только его дальнейшее развитие, но и сопряжение с элементами системного подхода и экономики.

Под влиянием этих требований в последние десятилетия был разработан эксергетический метод. Его основополагающая идея заключается во введении наряду со всеобщим, фундаментальным понятием энергии, дополнительного показателя — эксергии (см. с. 13), который позволяет учесть тот факт, что энер­ гия в зависимости от внешних условий может иметь разную ценность для прак­ тического использования (например, одно и то же количество теплоты при раз­ ном температурном потенциале источников).

Расчеты балансов и различных характеристик технических систем с уче­ том эксергии дают возможность наиболее просто и наглядно решать множество научных, технических и технико-экономических задач. Они помогают исклю­ чить часто встречающиеся ошибки, связанные с игнорированием качественной, стороны энергетических превращений.

§ 2. Физические основы понятия «эксергия»

Система и условия использования эксергетических методов

Под технической системой понимается теоретическая модель реального технического объекта, отражающая с той или иной степенью* идеализации совокупность множества входящих в него элементов и связей между ними [40]. В предельном случае, когда степень идеализации минималь­ на, понятия «техническая система» и «реальный технический объект» совпа­ дают.

Эксергетические методы целесообразно использовать для анализа и опти­ мизации технических систем, работа которых происходит в условиях взаимо­ действия с независимым от системы окружением. Однако параметры такого окружения оказывают определяющее влияние на характеристики системы, и абстрагироваться от них при анализе невозможно. Поэтому анализируется, по-существу, большая система, включающая в себя и окружение. При таком подходе, в наибольшей степени способствующем решению многих задач инже­ нерной практики, технические системы существенно отличаются от многих других, изучаемых термодинамикой с учетом только воздействия через границы системы.

Эксергетический метод можно использовать для расчета лишь таких тех­ нических систем, в которых существенное место занимают энергетические пре­ вращения, изучаемые с применением Второго начала термодинамики. (Первое начало играет определяющую роль всегда, поэтому о нем здесь не упоминает­ ся). То есть в энергетических превращениях достаточно большое значение должны иметь такие, которые характеризуются отличной от нуля энтропией*. Поэтому, например, механические, электромеханические и электрические тех­ нические системы, если процессы в них не сопровождаются существенными диссипативными эффектами, не изучаются методами термодинамического ана­ лиза, в связи с чем применение эксергетического метода для них не имеет смысла.

Указанным выше требованиям, необходимым для применения эксергети­ ческого метода, отвечают два вида технических систем: 1) предназначенные для преобразования энергии (например, электростанции, теплосиловые, тепло­ насосные, холодильные, криогенные установки); 2) предназначенные для преобразования вещества (например, химические, металлургические, пищевые производства). Первые обычно называют энергетическими, вторые — техноло­ гическими.

Такое разделение в значительной степени условно, поскольку процессы преобразования вещества и энергии неразрывно связаны. В принципе почти в любой системе, в которой существует преобразование вещества, происходит и преобразование энергии (и наоборот). В так называемых энерготехнологиче­ ских процессах разделить преобразования вещества и энергии вообще невоз­ можно.

Окружение и окружающая среда

Для технических и технико-экономических приложений термодинамики важно учитывать не только процессы внутри системы, но и все возможные виды взаимодействия потоков энергии и рабочих тел, связанные с рассматриваемой системой, вне ее границ. Только так можно дать полную инженерную оценку пригодности и полезности всех потоков энергии или ве­ щества при данных параметрах и на ее основе сделать анализ технической сис­ темы с позиций энергетики и экономики.

* Иногда эту мысль выражают иначе, говоря о важной роли тепловых процессов (та­ ких, в которых «участвует теплота»). Данная постановка неверна, поскольку в технике часто встречаются процессы, характеризуемые энтропией, в то время как теплота совершенно от­ сутствует (например, необратимое смешение идеальных газов).