Eksergiya termodinamika

эксергетического анализа
заключается в использовании при
анализе технических систем помимо энергии дополнительного показателя —
эксергии: сравнение фактически совершённой работы с эксергией процесса
позволяет судить об эффективности использования энергии в тепловой машине
[20]
.
Чем ближе энергетические показатели реального неравновесного процесса к
эксергии процесса, тем совершеннее процесс и тем сложнее увеличить его
эффективность.
Eksergiya tahlili

---

Эксергетический анализ, учитывающий потери от неравновесности процессов в
системе, позволяет выполнить как относительную (см. далее раздел 
Эксергетический
КПД
), так и абсолютную оценку степени термодинамического совершенства
применяемых технологий по сравнению с анализом, основанном на энергетическом
КПД
[21][22][23]
. Эксергетический анализ служит теоретической базой энергосбережения,
поскольку даёт возможность просто и наглядно определять степень совершенства
процесса и источники потерь из-за неравновесности во всевозможных установках, а
эксергетические показатели легко могут быть связаны с технико-экономическими.
Принято считать, что при выборе основных принципов процесса можно выявить
источники 40 % потерь энергии, при проектировании — еще 40 %. Таким образом,
примерно на 80 % потерь на этапе производства воздействовать уже невозможно.
Именно поэтому эксергетический анализ имеет особенно большое значение на
стадиях эскизной проработки и проектирования системы.
Эксергетический анализ не исключает энергетического, основанного на составлении
баланса энергии, а дополняет его. Эксергетический анализ приводит, естественно, к
тем же результатам, что и рассмотрение задачи любым другим термодинамическим
методом, например с помощью энтропии (
энтропийный анализ
), но более нагляден с
инженерной точки зрения. Одно из основных достоинств эксергетического метода
состоит в том, что он позволяет судить о степени совершенства процессов,
протекающих внутри теплообменника или химического реактора, по внешней
характеристике — разности эксергии на входе и выходе аппарата
[24]
.
Используемые в эксергетическом анализе термины «потеря энергии» и «потеря
эксергии» имеют принципиально разное содержание: первый означает
невозможность использования энергии для достижения конкретной цели, второй —
полное исчезновение эксергии, связанное с диссипацией (рассеянием) энергии.
Эксергетический анализ наиболее полезен в тех случаях, когда на первый план
выступают термические процессы
[19]
, например при анализе энергосберегающих
технологий и оценке теплотехнической эффективности технологии использования
топлива. В то же время не для каждой технической задачи существует потребность в
эксергетическом анализе. Так, при использовании энергии для технологических нужд
(выпарки, плавки металла и т. д.) эксергия теплоносителя не имеет прямого
значения
[9]
. Для анализа квазистатических процессов эксергетический анализ,
учитывающий потери от неравновесности, естественно, не применяют
[25]
.
Exergiya samaradorligi

---

Эксергетический КПД — отношение фактически совершённой работы к её
максимально возможному значению, т. е. к эксергии рассматриваемого
процесса
[26][27]
. Если обычный энергетический КПД показывает степень полезного
использования энергии и позволяет сравнивать по этому показателю тепловые
машины, то эксергетический КПД характеризует эффективность использования
энергии (термодинамическое совершенство процесса) и отвечает на вопросы о
теоретической возможности и практической целесообразности повышения
эффективности тепловой машины: сравнительно небольшому значению
энергетического КПД может соответствовать близкое к 100 % значение
эксергетического КПД, когда дальнейшее повышение энергетического КПД
невозможно из-за ограничений, накладываемых законами термодинамики. Значимое
отклонение эксергетического КПД от единицы показывает наличие принципиально
устранимых потерь эксергии, уменьшение которых возможно при более
рациональном проведении процессов и использовании более совершенного
оборудования.
Эксергетический КПД применим для анализа совершенства любых
термодинамических процессов и любых теплотехнических устройств. Так, можно
говорить об эксергетическом КПД цикла, комбинированной установки для выработки
электричества и теплоты для целей теплофикации, теплообменного аппарата,
тепловой изоляции и т. д.
[28]
. Эксергетический КПД равновесных процессов равен 1.
Любую теплоэнергетическую установку (ТЭУ) вместе с окружающей средой
термодинамика рассматривает как изолированную систему
[29]
. Внутри такой системы
совершение работы возможно только тогда, когда система неравновесна; в случае
перехода системы в состояние равновесия получение работы в ней оказывается
невозможным (речь идёт о полном равновесии: механическом, термическом,
химическом, электрическом и т. п.) Таким образом, возможность получения работы в
системе определяются не запасом энергии в ней (энергия изолированной системы не
меняется при любых процессах), а неравновесностью системы, то есть наличием
разности давлений, температур, электрических потенциалов и т. д.
В качестве примера рассмотрим баллон, заполненный сжатым воздухом с той же
температурой, что и атмосферный. Система, состоящая из атмосферного воздуха
(внешней среды) и воздуха в баллоне, находится в термическом равновесии, но в ней
отсутствует механическое равновесие, и это позволяет в данной системе получить
работу посредством любого воздушного двигателя.
Ishning manbai sifatida muvozanatsizlik

---

Ещё один пример. Пусть систему образуют внешняя среда и тело с высокой
температурой. При наличии механического равновесия в такой системе отсутствует
равновесие термическое, что позволяет получить работу с помощью теплового
двигателя, использующего в качестве энергоотдатчика тело с высокой температурой
и в качестве энергоприёмника внешнюю среду.
В обоих случаях возможности получения работы исчерпываются, когда система
приходит в состояние термодинамического равновесия. Но система может прийти в
равновесное состояние и без совершения полезной работы: воздух из баллона можно
выпустить в атмосферу, просто открыв кран; при термическом взаимодействии с
внешней средой горячее тело охладится само.
При переходе системы из неравновесного состояния в равновесное полезная работа
зависит от характера такого перехода. Наибольшей работа будет в том случае, когда
отсутствуют потери на трение, а рабочие циклы ТЭУ имеют максимальные значения
КПД.
Таким образом
[30][31]
:
изолированная система способна к производству работы только в том случае, когда
она не находится в состоянии термодинамического равновесия;
работоспособность системы исчерпывается и становится нулевой при достижении
ею равновесного состояния;
наибольшая возможная работа при переходе системы из исходного неравновесного
состояния в конечное равновесное будет получена тогда, когда все процессы,
связанные с преобразованием энергии, есть процессы квазистатические.
Эксергию можно поделить на эксергию процессов, не характеризуемых энтропией
(механических, электрических, ядерных и др.), равную изменению энергии
(кинетической, например) в этих процессах
[32][33]
, и термодинамическую эксергию
процессов, характеризуемых энтропией. Для таких процессов эксергия есть мера
технической работоспособности термодинамической системы.
Выделяют следующие