Exergie - valoarea limitatoare (cea mai mare sau mai mica) a energiei , care poate fi folosita (primita sau cheltuita) in mod util intr-un proces termodinamic , tinand cont de restrictiile impuse de legile termodinamicii ; munca maximă pe care un sistem macroscopic o poate efectua în timpul unei tranziții cvasi-statice de la o stare dată la o stare de echilibru cu mediul (exergia procesului este pozitivă), sau munca minimă care trebuie cheltuită într-o stare cvasistatică. trecerea sistemului de la o stare de echilibru cu mediul la o stare dată [1 ] (exergia procesului este negativă [2] ).
Diferența dintre schimbarea energiei în proces și exergia procesului, adică acea parte a energiei care nu poate fi transformată în exergie, se numește anergie [3] . Din legea conservării energiei rezultă că pentru orice transformare a energiei, suma exergiei și anergiei procesului rămâne neschimbată [4] .
Comparând exergia, o caracteristică a unui proces ideal cvasistatic [5] , cu energia primită/cheltuită într-un proces real de neechilibru, se face o concluzie despre gradul de perfecțiune termodinamică a procesului.
Spre deosebire de energie, exergia și anergia depind nu numai de parametrii sistemului, ci și de parametrii mediului și de caracteristicile procesului luat în considerare, adică atât exergia, cât și anergia nu sunt parametri ai stării sistemului, dar sunt parametri ai procesului efectuat de sistem [6] , și ar trebui să vorbim despre exergia procesului și anergia procesului.
Destul de des, cu starea mediului neschimbată, exergia și anergia pot fi exprimate prin funcțiile stării sistemului [7] , respectiv, ele se comportă ca funcții ale statului, la care se face referire convențional în astfel de situații. [8] . După ce au întâlnit frazele din literatură: „Energia sistemului este alcătuită din exergie și anergie” [9] , „A doua lege a termodinamicii ne permite să distingem 2 forme de energie: anergie și exergie” [10] , „ Într-un proces ideal reversibil se va obține un lucru egal cu pierderea exergiei” [ 11] [12] , — în care se folosesc termenii exergie a sistemului și anergie a sistemului [11] [13] , ar trebui să ne amintim convenționalitatea referirii acestor mărimi termodinamice la funcții de stare, adică la caracteristicile nu ale procesului, ci ale sistemului [9] .
Când parametrii fluidului de lucru sunt aceiași cu cei ai mediului și procesul termodinamic este imposibil, exergia fluidului de lucru, considerată ca o funcție condiționată a stării, este egală cu zero [14] . Exergia poate fi obținută numai din surse cu parametri diferiți de parametrii mediului, a căror exergie este întotdeauna nulă: nicio metodă nu poate forța mediul să lucreze [15] .
Pentru instalațiile industriale, aerul atmosferic este de obicei luat drept mediu. Pentru instalațiile care funcționează în aer liber, a căror temperatură depinde de ora zilei și de sezon, este necesar fie să se efectueze calcule pentru diferite perioade, fie să se ia un fel de temperatură medie a mediului.
Conceptul de anergie ca funcție condiționată a statului ajută la realizarea faptului că în mod obiectiv există energie „inutilă” (energia internă a mediului și energia internă a sistemelor aflate în echilibru cu mediul). Trecerea exergiei la anergie însoțește orice proces de neechilibru (disiparea energiei). Trecerea inversă a anergiei în exergie este imposibilă, prin urmare, toate încercările de utilizare practică a anergiei - crearea unei mașini cu mișcare perpetuă de al doilea fel - sunt sortite eșecului [16] [17] [18] . Pentru a obține exergie, sunt necesare resurse naturale și echipamente. Exergia este necesară pentru implementarea proceselor tehnice. Prin urmare, exergia are întotdeauna o anumită valoare. Anenergie din mediu este disponibilă în cantități aproape nelimitate, gratuit, dar valoarea ei este zero. Înțelegerea esenței anergiei face posibilă, la rezolvarea problemelor practice, excluderea din considerare a sistemelor a căror funcționare se bazează pe utilizarea anergiei [17] [19] .
Ideea fundamentală a analizei exergie este de a utiliza în analiza sistemelor tehnice, pe lângă energie, un indicator suplimentar - exergie: o comparație a muncii efectiv efectuate cu exergia procesului face posibilă evaluarea eficienței consumul de energie într-un motor termic [20] . Cu cât indicatorii energetici ai unui proces real de dezechilibru sunt mai aproape de exergia procesului, cu atât procesul este mai perfect și cu atât este mai dificilă creșterea eficienței acestuia.
Analiza exergie, care ia în considerare pierderile din procesele de neechilibru din sistem, face posibilă efectuarea atât a unei evaluări relative (vezi mai jos secțiunea Eficiența exergiei ) cât și a unei evaluări absolute a gradului de perfecțiune termodinamică a tehnologiilor utilizate în comparație cu un analiza bazata pe eficienta energetica [21] [22] [23 ] . Analiza exergiei servește ca bază teoretică pentru economisirea energiei, deoarece face posibilă determinarea simplă și vizuală a gradului de perfecțiune a procesului și a surselor de pierderi datorate dezechilibrului în diferite instalații, iar indicatorii de exergie pot fi legați cu ușurință de aspecte tehnice și economice. cele. În general, este acceptat că la alegerea principiilor de bază ale procesului, este posibil să se identifice sursele de 40% din pierderile de energie, în timpul proiectării - încă 40%. Astfel, aproximativ 80% din pierderile din timpul fazei de producție nu mai pot fi influențate. De aceea, analiza exergie este deosebit de importantă în etapele studiului preliminar și proiectării sistemului.
Analiza exergie nu exclude analiza energetică bazată pe întocmirea bilanţului energetic, ci o completează. Analiza exergetică duce, desigur, la aceleași rezultate ca și analizarea problemei prin orice altă metodă termodinamică, de exemplu, cu ajutorul entropiei ( analiza entropiei ), dar este mai clară din punct de vedere ingineresc. Unul dintre principalele avantaje ale metodei exergie este că permite să se judece gradul de perfecțiune al proceselor care au loc în interiorul unui schimbător de căldură sau a unui reactor chimic, în funcție de o caracteristică externă - diferența de exergie la intrarea și la ieșirea din aparat [24] .
Termenii „pierderea energiei” și „pierderea exergiei” folosiți în analiza exergiei au înțelesuri fundamental diferite: primul înseamnă imposibilitatea utilizării energiei pentru atingerea unui scop specific, al doilea înseamnă dispariția completă a exergiei asociate cu disiparea (împrăștierea). ) de energie.
Analiza exergie este cea mai utilă în cazurile în care procesele termice ies în prim-plan [19] , de exemplu, atunci când se analizează tehnologii de economisire a energiei și se evaluează eficiența termică a tehnologiei de utilizare a combustibilului. În același timp, nu pentru fiecare problemă tehnică este nevoie de analiză exergie. Deci, la utilizarea energiei pentru nevoi tehnologice (evaporare, topire a metalelor etc.), exergia lichidului de răcire nu are un sens direct [9] . Pentru analiza proceselor cvasistatice, analiza exergie, care ia în considerare pierderile din neechilibru, desigur, nu este utilizată [25] .
Eficiența exergică este raportul dintre munca efectiv efectuată și valoarea sa maximă posibilă, adică la exergia procesului luat în considerare [26] [27] . Dacă eficiența energetică obișnuită arată gradul de utilizare utilă a energiei și vă permite să comparați motoarele termice prin acest indicator, atunci eficiența exergiei caracterizează eficiența utilizării energiei (perfecțiunea termodinamică a procesului) și răspunde la întrebări despre posibilitatea teoretică și practică. fezabilitatea creșterii eficienței unui motor termic: o valoare relativ mică a eficienței energetice poate corespunde unei valori a randamentului exergic apropiat de 100%, când o creștere suplimentară a eficienței energetice este imposibilă din cauza limitărilor impuse de legile termodinamicii. O abatere semnificativă a eficienței exergice de la unitate indică prezența pierderilor exergice fundamental evitabile, a căror reducere este posibilă cu procese mai raționale și utilizarea unor echipamente mai avansate.
Eficiența exergie este aplicabilă analizei perfecțiunii oricăror procese termodinamice și a oricăror dispozitive de inginerie termică. Deci, putem vorbi despre randamentul exergic al unui ciclu, o instalație combinată pentru generarea de energie electrică și căldură în scopuri de termoficare, un schimbător de căldură, izolație termică etc. [28] . Eficiența exergică a proceselor de echilibru este egală cu 1.
Orice centrală termică (TEU), împreună cu mediul, este considerată de termodinamică ca un sistem izolat [29] . În cadrul unui astfel de sistem, munca este posibilă numai atunci când sistemul nu este în echilibru; in cazul trecerii sistemului la o stare de echilibru, obtinerea de munca in acesta se dovedeste a fi imposibila (vorbim de echilibru complet: mecanic, termic, chimic, electric etc.) Astfel, posibilitatea de a obtine munca în sistem este determinată nu de rezerva de energie din acesta (energia unui sistem izolat nu se modifică în timpul niciunui proces), ci de neechilibrul sistemului, adică prezența unei diferențe de presiuni, temperaturi, electricitate. potenţiale etc.
Ca exemplu, luați în considerare un cilindru umplut cu aer comprimat la aceeași temperatură cu cea atmosferică. Un sistem format din aer atmosferic (mediu extern) și aer dintr-un cilindru este în echilibru termic, dar nu există un echilibru mecanic în el, iar acest lucru face posibilă obținerea de lucru în acest sistem prin intermediul oricărui motor pneumatic.
Încă un exemplu. Lăsați sistemul să fie format din mediul extern și un corp cu o temperatură ridicată. În prezența echilibrului mecanic într-un astfel de sistem, nu există echilibru termic, ceea ce face posibilă obținerea de lucru cu ajutorul unui motor termic care folosește un corp cu o temperatură ridicată ca sursă de energie și mediul extern ca energie. receptor.
În ambele cazuri, posibilitățile de obținere a muncii sunt epuizate atunci când sistemul ajunge într-o stare de echilibru termodinamic. Dar sistemul poate ajunge la o stare de echilibru fără a efectua lucrări utile: aerul din cilindru poate fi eliberat în atmosferă prin simpla deschidere a robinetului; în interacțiunea termică cu mediul extern, corpul fierbinte se va răci singur.
În timpul tranziției unui sistem de la o stare de neechilibru la o stare de echilibru, munca utilă depinde de natura unei astfel de tranziții. Cea mai mare muncă va fi în cazul în care nu există pierderi prin frecare, iar ciclurile de funcționare ale TED au valori maxime de eficiență.
Exergia poate fi împărțită în exergia proceselor necaracterizate de entropie (mecanică, electrică, nucleară etc.), care este egală cu modificarea energiei (cinetice, de exemplu) în aceste procese [32] [33] , și exergia termodinamică a proceselor caracterizate prin entropie. Pentru astfel de procese, exergia este o măsură a performanței tehnice a unui sistem termodinamic.
Se disting următoarele componente ale exergiei [34] :
Exergia termodinamică este subdivizată în tipuri de exergie fie după natura proceselor termodinamice (deschise și ciclice), fie după tipul de sisteme termodinamice în care au loc aceste procese. Când clasifică după natura procesului, ei disting [33] :
Atunci când se clasifică tipurile de exergie în funcție de tipul de sisteme termodinamice, acestea provin din prezența sau absența în aceste sisteme a unor surse/receptoare suplimentare de energie, pe lângă fluidul de lucru și mediul înconjurător, și disting [39] [32] [40] [33] [41] :
Pentru o mai mare claritate, clasificarea tipurilor de exergie cu o indicație a componentelor sale este prezentată în tabel:
Exergia în volum este folosită pentru a descrie un singur proces de durată finită în absența altor surse de energie decât mediul cu presiune P 0 și temperatură T 0 constante. Unicitatea rezervorului de energie înseamnă că procesul luat în considerare nu poate fi închis (ciclic). Exergia în volum constă din exergie termomecanică, exergie chimică (în reactoare discontinue) și exergie prin radiații. Pentru un sistem de deformare termică, exergia în volumul E x poate fi găsită prin formula [46]
(Exergie în volum și în debit) |
unde U, H, S și V sunt, respectiv, energia internă, entalpia, entropia și volumul fluidului de lucru, iar valorile fără indice se referă la starea sa inițială, iar valorile cu indicele 0 se referă la stare finală. Din această formulă rezultă că exergia în volum este o funcție condiționată a stării sistemului.
Un exemplu de proces în care trebuie luată în considerare doar exergia termomecanică este expansiunea unui gaz comprimat cu presiunea P 1 și temperatura T 1 dintr-un recipient (cilindru de gaz) în mediu. Pentru simplitate, presupunem că cilindrul este umplut cu aer comprimat la aceeași temperatură ca cea atmosferică [47] . Diagrama P-V prezentată în figura de mai jos a scurgerii lente (pentru menținerea procesului izoterm) a gazului dintr-un cilindru în atmosferă corespunde cazului în care echilibrul termic ( T = T 0 ), dar nu mecanic ( P > P 0 ) ia loc pe tot parcursul procesului între sistem și mediu. În starea finală 0, fluidul de lucru considerat are parametrii de mediu:
Singurul proces cvasistatic posibil între stările 1 și 0 în prezența unui singur rezervor de energie este expansiunea gazului de-a lungul izotermei T 0 . În diagramă, munca acestui proces corespunde zonei figurii 1-0-b-a-1. Lucrarea corespunzătoare zonei dreptunghiului a—c—0—b—a este cheltuită pe deplasarea mediului și nu este utilă. Prin urmare, exergia - munca maximă utilă posibilă, egală cu diferența dintre toată munca efectuată și munca cheltuită pentru deplasarea mediului - corespunde zonei figurii 1-0-s-1.
Pentru a descrie atât procesele directe (de expansiune) cât și cele inverse (compresie) în analiza exergie, se folosește aceeași diagramă P-V , ținând cont de faptul că exergia de compresie este negativă.
Exergia într-un flux este folosită pentru a descrie un proces staționar neînchis de durată nedeterminată în absența altor surse de energie decât mediul cu presiune constantă P 0 și temperatură T 0 . Să ne imaginăm o zonă limitată de suprafețe de control (o parte a unui motor termic sau a unui aparat tehnologic) în care are loc o transformare fizică și/sau chimică. Staționaritatea procesului presupune că o anumită cantitate de substanță cu presiunea P 1 și temperatura T 1 intră în sistem printr-una dintre suprafețele de control , iar aceeași cantitate de substanță cu presiunea P 2 și temperatura T 2 este îndepărtată prin cealaltă . Formula de calcul a exergiei într-un flux este dată mai sus, totuși, deoarece vorbim despre un debit, valorile U, H, S și V incluse în acesta sunt înțelese ca fiind specifice (adică legate de o unitate de masă de fluidul de lucru) valorile, respectiv, ale energiei interne, entalpiei, entropiei și volumului de lucru. Această ecuație nu include exergia energiei cinetice a fluxului , care este egală cu această energie în sine, deoarece este ușor de făcut dacă se dorește și, de obicei, suntem mult mai interesați de ceea ce se poate obține prin modificarea parametrilor substanță [42] .
Exergia în flux este o funcție condiționată a stării sistemului [48] [49] . Când corpul este în echilibru mecanic cu mediul, exergia în flux și exergia în volum sunt numeric egale [50] .
Conceptul de exergie într-un flux este util în cazurile în care un flux continuu al unui fluid de lucru este utilizat într-o centrală termică (apa și aburul acestuia în instalațiile de turbine cu abur, aerul și produsele de ardere în instalațiile de turbine cu gaz și motoarele cu reacție etc. ). Diferența dintre valorile exergie la intrarea și la ieșirea instalației este egală cu suma lucrului util și a pierderilor; cunoscând valoarea reală a muncii utile, se poate afla valoarea eficienței exergie a instalației. Așa este implementată una dintre ideile metodei de analiză exergie - capacitatea de a aprecia pierderile în interiorul aparatului după o caracteristică externă - diferența dintre valorile exergie la intrarea în aparat și la ieșirea din acesta [51 ] .
Exergia fluxului de energie (exergie termică) este folosită pentru a descrie un proces (atât cu capete deschise, cât și ciclic) într-un sistem deschis sau închis în prezență, pe lângă mediul cu presiune constantă P 0 și temperatură T 0 , alte sursele (receptorii) de energie. Exergia termică depinde de natura procesului de alimentare cu energie a sistemului și nici măcar condiționat nu poate fi considerată ca o funcție de stat [16] [49] .
Ca exemplu de calcul a exergiei, luați în considerare cel mai simplu caz - încălzirea (curba 2-1) sau răcirea (curba 1-2) a unui fluid de lucru cu masă constantă, iar temperaturile inițiale și finale ale fluidului de lucru sunt mai mari decât temperatura ambiantă T u :
În figura , T este temperatura, T u este temperatura ambiantă, S este entropia. Exergia procesului poate fi găsită prin izolarea modificării elementare (infinit de mică) a entropiei dS și efectuând integrarea pe întregul interval de temperatură. Exergia procesului corespunde zonei figurii T u -2-1- S - T u sub curba de încălzire/răcire [52] . Exergia de încălzire și de răcire sunt egale numeric, dar diferă în semne: exergia de încălzire este negativă, în timp ce exergia procesului de răcire este pozitivă.
Ciclurile reale TPP sunt asociate cu furnizarea și eliminarea energiei la o temperatură variabilă.Un exemplu este ciclul unei unități de cazan, în care produsele gazoase de ardere a combustibilului servesc ca sursă de energie. În centrala cazanului, acestea sunt răcite la presiune constantă, dând energie apei și vaporilor de apă, de la temperatura de ardere T până la (în limită) temperatura ambiantă T 0 [50] :
Ciclul de funcționare al instalației pe diagrama T-S este un triunghi curbiliniu 0-1-2-0: fluidul de lucru primește energie din produsele de ardere de-a lungul curbei 0-1, tranziția cvasistatică de la punctul 1 la izoterma T 0 ar trebui să apară de-a lungul adiabatului ideal 1-2, iar fluidul de lucru poate oferi energie cvasistatică mediului doar de-a lungul izotermei 2-0. Orice alt ciclu al fluidului de lucru atunci când este utilizat ca încălzitor de produse de ardere nu poate fi cvasistatic [50] .
Exergia chimică (zero) este asociată cu stabilirea egalității potențialelor chimice între componentele corespunzătoare ale substanței și mediului și se măsoară prin cantitatea de energie utilă care poate fi obținută în procesul cvasistatic de obținere a substanței chimice (concentrație și reacție) echilibrul fluidului de lucru cu mediul cu presiunea P 0 și temperatura T 0 constante [53] . În procesele de separare, amestecare și dizolvare a substanțelor care nu sunt însoțite de transformări chimice, componenta principală este componenta de concentrație a exergiei chimice, în reactoarele chimice este componenta de reacție [54] .
Termenul de exergie zero [55] [56] folosit uneori în literatura rusă are scopul de a sublinia faptul că valoarea exergiei procesului este socotită din starea inițială (zero) caracterizată de parametrii de mediu [55] [57] .
În termodinamica tehnică, atenția principală este acordată exergiei chimice a combustibilului utilizat în centralele termice (în special, motoarele cu ardere internă). Găsirea valorii exacte a exergiei chimice necesită foarte mult timp. Aproximativ luați [58] :
(pentru combustibili gazosi) |
(pentru motorina) |
(pentru benzina) |
(pentru kerosen) |
Aici E x este exergia chimică a combustibilului; H u - cea mai scăzută energie de ardere a combustibilului (cantitatea de energie eliberată în timpul arderii unei unități de masă de combustibil, minus energia cheltuită pentru evaporarea apei formate în timpul arderii combustibilului).
Exergia radiației depinde doar de un parametru al mediului - temperatura acestuia T 0 - și este determinată de cantitatea de energie utilă care poate fi obținută din radiația cu temperatura T în procesul cvasistatic de aducere a acestei radiații într-o stare de echilibru cu mediul. Pentru a face prezentarea mai vizuală și pentru a simplifica terminologia fără a pierde rigoarea concluziilor, vom vorbi despre un receptor de radiații (corp de lucru) aflat în echilibru cu mediul. Densitatea exergie a radiației absorbite pentru un fluid de lucru negru cu temperatura T 0 este calculată prin formula [59]
(Densitatea exergie a radiației_absorbite) |
iar puterea exergică pe unitatea de suprafață a corpului de lucru este găsită prin formula [59]
(Puterea exergică a radiației absorbite pe unitatea de suprafață a receptorului de radiație) |
Aici e x este densitatea exergie de radiație, J/ m3 ; e xf este puterea exergie de radiație pe unitatea de suprafață a corpului de lucru, W/ m2 ; α este constanta de radiație (7,5657 10 −16 J m −3 K −4 ); c este viteza luminii în vid (2,9979 10 8 m/s). Pentru un fluid de lucru gri, valorile găsite de formulele de mai sus sunt înmulțite cu gradul de întuneric al suprafeței absorbante a corpului.
Exergia radiației are valoare zero la T = T 0 și crește atunci când T se abate de la T 0 atât spre temperaturi ridicate, cât și spre cele scăzute, menținând în același timp o valoare pozitivă. Energia și exergia radiației sunt întotdeauna diferite ca mărime, cu excepția unui punct corespunzător temperaturii T = 0,63 T 0 . La T > 0,63 T 0 exergia radiației este mai mică decât energia sa, iar la T < 0,63 T 0 exergia radiației este mai mare decât energia sa [60] .
Pentru radiația coerentă monocromatică (de exemplu, un fascicul laser), exergia radiației este egală cu energia sa [18] .
În 1889, Louis Georges Guy a introdus conceptul de performanță tehnică - munca tehnică maximă pe care o poate face un sistem atunci când trece de la o stare dată la o stare de echilibru cu mediul înconjurător, iar Aurel Stodola (1898) a adus metoda de analiză a proceselor în un flux dincolo de limitele teoriei pure și a aplicat conceptul de entalpie tehnică liberă introdus de el pentru calculele de inginerie termică. Teorema Guy-Stodola afirmă că pierderea de energie dintr-un sistem din cauza neechilibrului proceselor care au loc în acesta este egală cu produsul dintre temperatura ambiantă și modificarea entropiei sistemului [24] . Termenul de „exergie” a fost propus în 1955 de Zoran Rant (1904–1972) [61] .