ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС СИСТЕМЫ И ЕЕ ЧАСТЕЙ

А) ПОТЕРИ ЭКСЕРГИИ

Анализ технических систем посредством эксергетического баланса во всех случаях сводится к тому, что рассматриваемая система (или ее часть) мысленно отделяется посредством некоторой замкнутой контрольной поверхности от других объектов; эксергии всех проходящих через эту поверхность потоков вещества и энергии включаются в эксергетический баланс в соответствии с уравнениями (3-3) или (3-3а).

Если в системе или каком-либо ее элементе неравенство (3-3) меняется на обратное, то это означает либо ошибку в измерениях или расчетах, либо (при проектировании системы) указывает на невозможность ее осуществления на практике. Всякое устройство, в котором выходящая эксергия больше входящей, представляло бы собой вечный двигатель второго рода (Perpetuum mobile или сокращенно РРМ-II).

Действительно, в этом случае «лишняя» эксергия могла бы использоваться в двигателе, а «остаток» мог быть снова возвращен в систему.

Потери эксергии в различных системах могут быть разделены на две группы с точки зрения их распределения.

Внутренние потери связаны с необратимостью процессов, протекающих внутри системы (потери, связанные с дросселированием, гидравлическими сопротивлениями, трением в машинах, тепломассообменом при конечных температурных напорах и др.). Эти потери обозначаются D_i.

Внешние потери связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой и находящимися в ней источниками и приемниками энергии (потери, которые связаны, например, с отличием температур нагреваемого или охлаждаемого тела от температуры рабочего тела, потери через тепловую изоляцию, потери с продуктами, выходящими из установки, эксергия которых не используется). Эти потери обозначаются D_e.

Разделение внутренних и внешних потерь легко произвести посредством той же формулы (3-3), поскольку

(3-24)

Сравнивая уравнения для обоих случаев, можно найти внешние потери D_e.

Практическое значение такого разделения потерь связано с тем, что пути уменьшения внешних и внутренних потерь существенно различаются.

Распределение внутренних потерь по частям установки получается, если применить уравнение (3-24) к любой выбранной ее части, проведя в нужном месте контрольную поверхность. Сумма внутренних потерь D_i по всем элементам процесса дает общую величину внутренних потерь . Точно также могут быть дифференцированы и внешние потери; их сумма составляет . Окончательно уравнение (3-3а) для стационарного процесса примет вид:

(3.25)

Таким образом, может быть получена полная количественная характеристика потерь в установке и ее отдельных частях, связанная как с внутренними, так и с внешними факторами.

Потери в разных частях системы, качественно равноценные с формальной точки зрения, при более глубоком рассмотрении оказывают (даже при одном и том же численном значении) различное влияние на эффективность системы в целом. Поэтому, как будет показано ниже, важную роль играет место, которое занимает в системе рассматриваемый элемент или группа элементов.

При анализе потерь важно характеризовать их не только с точки зрения распределения, но и с точки зрения причин, их вызывающих.

Часть величины D связана с необратимыми явлениями, зависящими от несовершенства оборудования. В пределе такие потери могут быть сведены к нулю без изменения схемы процесса. Эти потери называются техническими. Примерами технических потерь D _T могут служить потери от несовершенства тепловой изоляции, от трения в машинах, от теплообмена при конечной разности температур, обусловленной ограниченными размерами поверхности и коэффициента теплопередачи, и др.

Другая часть D связана с необратимыми явлениями, органически свойственными данному процессу; эти потери не могут быть устранены или снижены без радикального изменения самого процесса пли замены его на другой. Такие потери D_c называются собственными.

Собственными потерями являются, например, потери в дроссельных устройствах, потери при теплообмене, связанные с неодинаковой разностью температур по длине аппарата вследствие различия теплоемкости потоков, и др. В ряде случаев разделение потерь на технические и собственные необходимо, так как показывает, какую их часть можно устранить путем совершенствования элементов данного технического процесса [5].

В некоторых случаях при анализе технических систем применяют разбивку потерь D не по месту, где они происходят, а по причинам, их вызывающим. Тогда потери, независимо от того, в каком элементе системы или в каком процессе они возникают, суммируются по группам, каждая из которых связана с определенной причиной. Сумма потерь, естественно, будет той же, что и при других методах классификации. Выбор способа (или способов) классификации потерь определяется конкретными условиями задачи.

При исследованиях различных систем преобразования энергии, в том числе криогенных, используются модели, отражающие действительный объект с различным уровнем абстрагирования от его реальных характеристик.

Наиболее абстрактной моделью служит идеальный процесс. Такая предельно идеализированная модель соответствует обратимому процессу, дающему тот же эффект, что и анализируемая система, но все потери в которой − как D _с, так и D _T − отсутствуют (D_c =0, D _T=0).

Наиболее близка к объекту модель с реальными процессами, где, напротив, все основные потери учтены (исключены только второстепенные или вспомогательные процессы, не имеющие существенного значения).

Разделение потерь на собственные и технические дает возможность четко классифицировать модели во всем интервале от идеальных до реальных.

Здесь может существовать целая гамма моделей с идеализированными процессами. Наиболее распространенная модель такого рода − это идеализированный процесс, в котором учтены только D c, a D _T=0. Такая модель позволяет определить предел технического совершенствования системы без внесения в нее принципиальных изменений.

В дальнейшем будут использоваться модели всех трех видов − реальные, идеализированные и идеальные¹.