<<
>>

Методы оценки потенциала тепловых выбросов на основе первого и второго законов термодинамики

Современные технологии перерабатывающих отраслей отличаются большой энергоемкостью. Они потребляют очень широкий спектр энергоресурсов: электроэнергия, пар различных параметров, горячая вода, природный газ, мазут, уголь.

Наряду с большими объемами потребления различных энергоресурсов, они характеризуются большими и разнообразными сбросами тепловой энергии в окружающую среду.

Так, по данным ряда исследований [4, 21] коэффициент полезного использования энергии в среднем по предприятиям химической промышленности составляет 42 %.

Современные тенденции и состояние экономики заставляют искать пути сокращения тепловых потерь, их термоэкономической оценки, разработки и создания малоотходных энерготехнологических схем, создания и внедрения современных методов анализа таких схем.

Все существующие современные методики оценки потенциала тепловых выбросов основаны на использовании понятий, вытекающих из I и II законов термодинамики.

Наиболее распространенная на практике и простая формула для оценки потенциала тепла сбросного потока вытекает из I закона термодинамики:

Q = m(in - io) = mc(tn -to),              (4.1)

где Q - количество сбрасываемой в окружающую среду теплоты;

m - масса потока;

in - энтальпия потока вещества при температуре сброса tn;

i0 - энтальпия потока вещества при температуре окружающей среды t0;

с - средняя теплоемкость вещества в интервале температур tn - t0.

Простота расчета по данной формуле приводит зачастую к завышенной оценке, и, соответственно, выбору неоптимального технического пути уменьшения величины сброса тепла в окружающую среду.

Объективная и всесторонняя термоэкономическая оценка потенциала тепловых загрязнителей, первоисточников их возникновения позволяет на практике определить наиболее оптимальные и приемлемые пути сокращения потребления энергоносителей в основной технологии и, соответственно, уменьшения теплового загрязнения окружающей среды.

В отечественной теории и практике существует довольно широкий диапазон поправочных коэффициентов оценки потенциала тепловых сбросных потоков, рассчитанных по формуле (4.1) - от 0,4 до 1,0 [1, 4].

Наличие таких противоречивых оценок объясняется тем, что до недавнего времени оценка эффективности энергетических потоков, и соответственно, исследование совершенства энергетических процессов проводилось в основном посредством составления энергетического баланса на основе I закона термодинамики, т. е. при составлении энергобаланса все виды энергии рассматриваются без учета их качества и практической пригодности. Например, в энергетическом балансе ТЭС химическая энергия топлива рассматривается наравне с теплотой, отдаваемой конденсатом в окружающую среду. Известно, однако, что практическая пригодность и воздействие теплоты различны и имеют тем меньшую величину, чем ближе температура источника теплоты к температуре окружающей среды. Окружающая среда могла бы давать практически неограниченное количество тепловой энергии, но ценность его, определяющаяся практической пригодностью, равна нулю.

Несмотря на вышесказанное, анализ с использованием I закона термодинамики по-прежнему широко распространен и дает на практике для решения ряда инженерных задач вполне приемлемые результаты.

В современной исследовательской практике применяются два подхода к исследованию энергетических превращений в технических системах.

Первый подход связан с различными методами анализа прямых и обратных циклов. Эти методы детально разработаны и широко используются. Они позволяют на базе I и II законов термодинамики найти связи между внешними энергетическими потоками (количество теплоты и работы) и параметрами системы, а также между некоторыми внутренними параметрами. Посредством анализа энергетического баланса системы, в которой совершается анализируемый цикл, можно вычислить характеризующие его коэффициенты (термический КПД, холодильный или тепловой коэффициенты, коэффициент трансформации и т.

д.) и сопоставить их с коэффициентами соответствующих идеальных циклов или цикла Карно. Поскольку реальные циклы большей частью связаны с подводом и отводом теплоты при переменной температуре, разработаны приемы сведения различных сложных круговых процессов к циклу Карно или другим идеальным циклам.

Такой подход к задаче позволяет определить в данной системе суммарную потерю производимой или затрачиваемой работы вследствие необратимости процессов. Эта сумма потерь может быть разделена на внутренние (связанные с несовершенством процессов самого цикла) и внешние (связанные с характером взаимодействия термодинамической системы с внешними приемниками и источниками энергии). Такое разделение впервые было введено профессором Одесского технологического института холодильной промышленности B.C. Мартыновским [5, 6]. В резуль-

тате удалось весьма наглядно не только изложить ряд запутанных вопросов, но и выявить полезные для инженерной практики зависимости. Довольно часто для инженерного анализа этих данных бывает недостаточно. В этом случае анализ циклов дополняется подсчетом возрастания энтропии в отдельных частях процесса. Произведение прироста энтропии на температуру окружающей среды дает в соответствии с формулой Гюи - Стодолы величину потери работы от необратимости в каждом элементе процесса. Такой подход лежит в основе энтропийного метода, основоположником которого является Д.П. Гохштейн. Автор занимается в основном анализом энергоэнтропийных превращений в тепловых машинах [7, 8].

Второй подход опирается на использование термодинамических потенциалов для анализа процессов превращения энергии в различных системах. Надлежащим образом выбранные и рассчитанные термодинамические потенциалы обладают чрезвычайно важным свойством - давать значение работы в любых условиях. Применяя это фундаментальное свойство потенциалов, можно оценить работоспособность потоков вещества и энергии в любой точке рассматриваемой системы, независимо от ее вида, структуры, сложности.

Это же свойство потенциалов позволяет определить все необходимые для последующего анализа термодинамические характеристики системы и любой ее части на основе общей, логически последовательной методики. Следует отметить еще два важных достоинства метода термодинамических потенциалов. Прежде всего, это универсальность: характер процессов в анализируемой системе (круговой или разомкнутый процесс, формы энергии и т. д.) не имеет принципиального значения - подход к задаче и методы ее решения не изменяются. Во-вторых, ряд задач, в частности технико-экономические, без применения потенциалов вообще достаточно обоснованно не решаются. Эти преимущества по мере усложнения объектов анализа выступают все явственнее.

Для решения задачи использования потенциалов при анализе технических систем необходимо располагать термодинамическими функциями, которые бы однозначно характеризовали работоспособность, энергетическую ценность потоков вещества и энергии при заданных внешних условиях. В технических приложениях термодинамики важны не только параметры процессов внутри системы, но и анализ всех возможных видов взаимодействия потоков энергии и рабочих тел, связанных с рассматриваемой системой вне ее границ. Только при этих условиях можно дать инженерную оценку пригодности, полезности потока энергии или вещества при данных параметрах.

Такие требования к анализу означают, что общее представление об окружающей среде как обо «всем том, что находится за пределами системы», недостаточно и должно быть развито. В большинстве случаев принимают, что окружающая среда обладает следующими признаками: отсутствие разностей потенциалов; размеры ее настолько велики, что любое воздействие исследуемого объекта не может изменить ее параметров и она не может служить источником работы любого вида.

При анализе химико-технологических систем был введен дополнительно еще один признак: окружающая среда - это продукт химических реакций компонентов системы, при переходе к которым свободная энергия уменьшается до минимума [9].

Как правило, при анализе принимают, что окружающая среда имеет атмосферное давление 0,1 МПа и температуру 293 или 273 К. На выбор состава окружающей среды единой точки зрения не существует. Так, например, в [10] разработана система точек отсчета, по которой необходимо рассчитывать энергии «девальвации», т. е. экзотермической реакции до некоторого простого вещества, широко распространенного в природе. Ряд исследователей [11] используют в качестве точек отсчета для каждого из компонентов смеси давление 0,1 МПа. А. Денбиг при анализе получения азотной кислоты за точку отсчета принимал вещество, обладающее наименьшей свободной энергией из всех реагирующих в этой системе [12]. В работе [9] проведена классификация химико-технологических систем и для различных групп процессов предложена методика выбора уровней отсчета.

Интересный подход был использован при анализе процессов разделения нефти [13]. Здесь в качестве «окружающей среды» принимался идеальный газ, т. е. гипотетическое вещество, лишенное молекулярных связей. Из вышеперечисленных подходов к определению «окружающей среды» наиболее фундаментальным является подход Я. Шаргута, основывающийся на принципе выделения ее равновесной части. Такая модель окружающей среды в наибольшей степени соответствует реальным условиям работы технических систем.

В этом случае и термодинамические функции, предназначенные для проведения анализа в описанных условиях, должны включать в себя наряду с параметрами рабочего тела или потока энергии еще и параметры равновесной окружающей среды. Тогда эти функции смогут выполнять роль потенциалов, позволяющих в любом случае определить энергетические ресурсы системы, пригодные для получения работы в данных условиях окружающей среды. Мера этих ресурсов, определяющих работоспособность вещества и энергии, была названа эксергией. Я. Шаргут и Р. Петела дают следующее определение эксергии: «Эксергия материи является максимальной работой, которую эта материя может совершить в обратимом процессе с окружающей средой в качестве источника даровых тепла и вещества, если в конце этого процесса все участвующие в нем виды материи приходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды» [10].

Метод анализа, использующий понятие эксергии, принято называть эксергетическим методом анализа технических систем. Сегодня он считается наиболее перспективным методом.

Вкратце коснемся истории создания этого метода.

Разработка основ эксергетического метода была начата во второй половине XIX в. профессором университета в г. Лионе Ж. Гюи, первая работа которого на эту тему вышла в 1889 г. Несколько раньше (1876 г.) Дж.В. Гиббс впервые ввел определение функций, позволяющих найти максимальную работу системы и окружающей среды. Позже - в 1898 г. - А. Стодола пришел к тем же выводам, что и Ж. Гюи. Сегодня при анализе широко используется закон, носящий их имя: «потеря эксергии в результате необратимости процессов равна произведению температуры окружающей среды на сумму приращений энтропии всех тел, участвующих в исследуемых процессах». Дальнейшее развитие метода связано с именами Д. Кинана, В. Кизома и Ф. Бошняковича, работы которых относятся к 1930-м гг.

Д. Кинан построил первую диаграмму для водяного пара с эксергией в качестве ординаты. Основываясь на эксергетическом методе, он провел анализ цикла конденсационной электростанции.

В. Кизом впервые применил эксергетические функции для анализа низкотемпературных процессов на примере каскадного процесса сжижения азота.

Ф. Бошнякович подробно исследовал ряд свойств эксергетической функции i - Tq-S, названной им «технической работоспособностью». Он же разработал графические методы термодинамического анализа процессов сжижения воздуха. Работы Ф. Бошняковича и его школы дали существенный толчок развитию этого направления термодинамики. Рант в 1955 г. ввел вместо термина «работоспособность» термин «эксергия». Он же построил эксергетические диаграммы в координатах «эксергия - энтальпия» для водяного пара и продуктов сгорания, предложил методы расчета эксергии топлива.

Теорию расчета эксергии химических процессов разработал Я. Шаргут.

Книга Я. Шаргута и Р. Петелы [10] подытоживает работы по эксер- гии, проведенные Я. Шаргутом и его сотрудниками в Политехническом институте г. Гливице. Для облегчения расчетов Шаргутом созданы таблицы так называемой нормальной эксергии однородных химических соединений и таблицы для приближенного расчета химической эксергии сырья и продуктов металлургических заводов.

Вопросами эксергетического анализа в низкотемпературной области занимался В.М. Бродянский. Он совместно с И.П. Ишкиным впервые предложил термодинамическую диаграмму состояния в координатах «эк- сергия - энтальпия». В.М. Бродянский разработал диаграмму «эксергия - энтальпия» для бинарной смеси и исследовал ее свойства. Им построена эксергетическая диаграмма для смеси «кислород - азот». Ему же принадлежит и первое в отечественной литературе систематизированное издание по эксергетическому методу термодинамического анализа [14], в котором рассмотрены как теоретические основы, так и его практическое приложение в различных областях техники и технологии.

Кроме вышеперечисленных исследователей, необходимо отметить еще довольно большой ряд ученых, внесших существенный вклад в развитие и применение для различных областей техники эксергетического метода.

В теплотехнике - В. Фратцшер, А.И. Андрющенко [11, 15], Д.Д. Кала- фати, Н. Эльснер, Т. Умеда, К. Сероко, Г.И. Фукс; в холодильной и криогенной технике - Г.Д. Баер, П. Грассман, К. Нессельман, П.Л. Капица; в химических процессах - Б. Лингоф; в области теплообмена - Г.Н. Костенко; в технико-экономических расчетах - Р. Эванс, М. Трайбус.

Отдельно следует остановиться на работах Эванса - Трайбуса, Кафа- рова и Лингофа.

Эксергетический анализ позволяет решить целый ряд практически важных задач, возникающих в различных отраслях техники. Вместе с тем, следует учитывать, что для окончательной оценки того или иного технического решения необходим учет целого комплекса затрат и потерь различного вида. Для этой цели необходим технико-экономический анализ, который в конечном счете опирается на расчет общественно необходимых затрат и должен вести к экономии человеческого труда.

В последние десятилетия работы по технико-экономическому анализу на основе термодинамики появились в Польше, России, США. По предложению американских исследователей Р. Эванса и М. Трайбуса это направление экономических исследований названо «термоэкономикой». В основу термоэкономического анализа положено введение и расчет цены (стоимости) эксергии в денежных единицах [16]. Это в свою очередь позволяет вычислить с учетом эксергетического потенциала удельные приведенные затраты и с помощью их выполнить оптимизацию технической системы.

Очень существенную роль при термоэкономическом анализе играют концепции теории информации. При развитии термодинамики на основе теории информации необходимо рассматривать все термодинамические процессы в тесной взаимосвязи с информацией о состоянии систем. Среди

отечественных исследователей в этом направлении работает школа академика В.В. Кафарова [13, 18].

В настоящее время ряд исследователей пытаются упростить как методику расчета эксергетических потенциалов, так и процесс толкования результатов. Поэтому большой интерес представляют работы Б. Лингофа [17]. Первое существенное нововведение, сделанное им, касается расчета эксергетических потенциалов. По его методике эксергетические потенциалы рассчитываются на основе обычного материального и теплового балансов. Дополнительные данные не требуются.

Согласно его методике, изменение энтропии и эксергии может быть подсчитано по формулам:

где AS - изменение энтропии всего потока вещества;

AI - изменение энтальпии всего потока вещества;

Ti, Т2 - абсолютные температуры начала и конца процесса;

Т0 - абсолютная температура окружающей среды;

аЕ - изменение эксергии всего потока вещества.

Точность расчетов по этим уравнениям согласно оценкам, имеет погрешность не более 1 %. Принимая во внимание неточности, присущие данным по значениям энтальпии и энтропии, такая погрешность становится вполне приемлемой.

Второе нововведение касается деления неэффективностей системы на «устранимые» и «неизбежные». Это делает интерпретацию результатов анализа более ясной. Концепция «неизбежной» неэффективности позволяет предсказать необходимое количество внешней энергии. Уменьшение затрат энергии до этой величины и является конечной целью. Следует отметить, что последнее нововведение Лингофа можно рассматривать и как дальнейшую интерпретацию концепции Мартыновского, связанной с внутренними и внешними потерями энергии в циклах тепловых машин.

Используя первое нововведение Лингофа, можно довольно просто и объективно определить пути по совершенствованию энерготехнологических схем различных производств, а также крупных промышленных конгломератов. Это, как правило, приводит и к уменьшению теплового загрязнения окружающей среды. Для применения эксергетического метода необходимо знание значений энтропии для исследуемых веществ в заданном диапазоне температур. При оценке общей энергетической ситуации

на предприятии мы имеем дело с интегральной характеристикой, составленной из энергопотоков десятков веществ. Для ряда этих веществ отсутствуют объективные данные по энтропии, т. е. вычислить энтропию интегрального потока производства, предприятия невозможно. Целесообразно воспользоваться первым нововведением Лингофа, позволяющим вычислить эксергию на основе теплового баланса. Известно, что:

aQ = m(ii - h ) = h - I2 = a1 ,              (4.4)

где aQ - изменение потока теплоты; m - масса потока вещества; hi, h2 - удельные энтальпии вещества. Из выражений (4.2) и (4.3) вытекает:

Поскольку для большинства потоков, составляющих интегральную характеристику, T2 близко или равно T0, то получим следующее выражение для изменения эксергии интегрального потока:

Оценка погрешности данной формулы, проведенная для отдельных жидкостных и газообразных потоков с известными энтальпиями и энтропиями, показала следующее. Для жидкостных потоков она действует в широком температурном диапазоне с погрешностью, не превышающей 5 %. Это вполне приемлемо для инженерных расчетов и оценок. Для газообразных потоков формула дает несколько заниженные значения эксергии, но с учетом того, что реальный КПД технических систем на газовых потоках существенно ниже, чем на жидкостных, такое занижение позволяет выйти на практически достижимую работоспособность газовых потоков. Для упрощения расчетов и их интерпретации может быть использован коэффициент соответствия потока теплоты потоку эксергии [1]:

K—E=Ta—Tl= t

Q Tx + T 546 +1

<< | >>
Источник: В.М. Малахов, А.Г. Гриценко, С.В. Дружинин. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ МОНОГРАФИЯ В трех томах Том 1. 2012

Еще по теме Методы оценки потенциала тепловых выбросов на основе первого и второго законов термодинамики:

  1. Г л а в а 21 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОГРАФИЯ И ГЕОЭКОЛОГИЯ
  2. Методы оценки потенциала тепловых выбросов на основе первого и второго законов термодинамики