Возможность оценивать потоки всех видов энергии, входящих в энергетический баланс любой технической системы (машины, установки или агрегата), посредством единого критерия − эксергии, обладающей свойством аддитивности, позволяет получить их обобщенные термодинамические характеристики.
Такой обобщенной характеристикой может служить производительность (мощность) рассматриваемой технической системы, выраженная в единицах эксергии 1.Она в одинаковой степени применима к любому виду продукции, выдаваемой в виде холода, работы или в виде потока рабочего тела при заданных параметрах (температуре, давлении, агрегатном состоянии и составе).
Сопоставление производительности как открытых, так и закрытых стационарных техническихсистем может производиться непосредственно по величине 
, без всяких дополнительных построений и пересчетов.
Величина (сумма эффективных Е) представляет собой алгебраическую сумму потоков эксергии, которая определяет полученный эффект, даваемый системой. В частном случае, когда в входят все отводимые потоки, она равна 
из формулы (3-3а). Величина , отнесенная к единице времени, характеризует мощность системы.
Таким образом, эксергетическая производительность (мощность) определяется по формуле
(3-26)
где t − время (в секундах, минутах или часах).
Для установок, выдающих одновременно несколько видов продукции, производительность определяется суммированием эксергии всех получаемых продуктов.
Производительность установки, выраженная через зксергию, обладает и тем важным свойством, что, будучи отнесенной к затраченной эксергии (в форме тепла или электрической энергии), всегда дает непосредственно к. п. д. установки ηе соответственно формуле (3-4).
|
|
Рассмотрим для примера величины эксергетической производительности (мощности) применительно к некоторым холодильным и криогенным установкам, а также компрессорам.
1 Поскольку производительность при таком методе измеряется в единицах энергии, отнесенных к единице времени, можно пользоваться термином «мощность».
Компрессор. Производительность компрессора оценивается по возрастанию эксергии D ep газа в процессе сжатия 1:
(3-27)
где 
− количество сжимаемого газа.
В частном случае, если тепло сжатия используется, его эксергию также необходимо учесть. Тогда
(3-28)
где 
− возрастание эксергии охлаждающей воды (или воздуха) в холодильниках; 
− расход охлаждающей среды.
Холодильные и криогенные (класса R) установки. Этот вид установок характеризуется тем, что выдает свою продукцию в виде холода заданных параметров при заданной температуре.
Мощность установки измеряют эксергетической холодопроизводительностью 
, равной эксергии производимого холода, отнесенной к единице времени.
Таким образом, эксергетическая холодопроизводительность (ЭХП) 
− это эксергия теплового потока (или потоков), который данная система отводит от охлаждаемого или криостатируемого объекта в единицу времени (Вт, ккал/ч).
Подвод теплового потока к установке всегда при T< 
обусловливает две существенные особенности холодопроизводительности .
Во-первых, направление потока эксергетической холодопроизводительности противоположно направлению теплового потока; следовательно, он направлен от установки к охлаждаемому объекту.
|
|
Во-вторых, абсолютная величина эксергетической холодопроизводительности может быть как больше, так и меньше потока холода, подводимого к низкотемпературному объекту, поскольку 
при T < . При криотемпературах абсолютное значение эксергетической холодопроизводительности во много раз больше теплового потока.
Эксергетическая холодопроизводительность может быть найдена на основе формулы (3-19) через изменение эксергии рабочего тела при подводе к нему тепла (отводе холода).
Например,
(3-29)
1 В компрессорам и других устройствах, работающих от электрического или теплового двигателя, часто под мощностью понимают мощность привода. Такой подход в принципе неверен, поскольку любое техническое устройство должно оцениваться, прежде всего, по тому, что оно дает, т. е. по результату его работы, а не по тому, что оно потребляет (т. е. по выходу, а не по входу). Вторая величина, в отличие от первой, должна быть возможно меньшей.
где G − расход рабочего тела; е 2− эксергия на выходе из теплообменного аппарата; е 1− эксергия на входе в него.
Если температура Т подвода тепла постоянна, то может быть определено как произведение 
.
ЭХП − частный случай эксергетической производительности (мощности) Ne,поэтому она отражает не только количественную, но и качественную характеристику потока холода. В связи с этим следует отметить два практически важных момента.
1. Эксергетическая холодоироизводитсльность обладает свойством аддитивности; ее величины можно суммировать независимо от температурного уровня.
|
|
Если, например, рефрижератор производит холод Q 01 на уровне T 01 и Q 02 на уровне T 02, то суммарная ЭХП будет равна:
где 
и 
− экссргетическис температуры, соответствующие T 01 и Т 02.
Если холод производится в некотором интервале температур, то подсчет Qe удобнее делать не по 
, которая переменна, а по 
потока рабочего тела в соответствии с формулой (3-19).
Независимо от способа подсчета – по или через , результат − величина Qe будет в каждом случае одна и та же, поскольку 
. В суммарной величине 
большую долю может определятьи меньшая холодопроизводительность Q 0, поскольку ценность каждой из них определяется соответствующей температурой. Естественно, что значения холодопроизводительности Q 01 и Q 02 складывать непосредственно нельзя, так как они качественно несопоставимы.
2. Вследствие конечной разности температур при передаче холода от системы к объекту часть приведенной холодопроизводительности (как и эксергии любого теплового потока) теряется. Эта внешняя потеря определяется общими закономерностями, которые иллюстрирует график на рис. 3-12. Чем больше D T и чем ниже температура, тем потеря D больше, поскольку 
. Если, например, уровень подвода холода к криостатируемому объекту 100 К, а производится холод на уровне 95 К, то потеря D на каждые 1000 Вт составит:
= 1000(2,48 − 2)= 180 Вт.
Следовательно, чтобы отдать объекту 1000 Вт ЭХП нужно в этих условиях произвести 
=1000+180=1180 Вт или 
= 472 Вт.
На уровне 25 и 20 К 
= 1000(14− 11) = 3000 Вт.
Это означает, что нужно произвести при 20 К =4000 Вт (или 
= 286 Вт), чтобы объект получил 
= 1000 Вт.
Таким образом, ЭХП дает информацию не только о количестве холода, но и о его качестве и потерях, связанных с его передачей. Это позволяет в полном объеме анализировать внешний теплообмен криогенной системы, поскольку он всегда связан только с подводом, отводом и потерями холода.
Установки, выдающие охлажденное или сконденсированное рабочее тело (в частности, криогенные системы класса L). Эксергетическая производительность (мощность) здесь определяется возрастанием эксергии выводимого холодного продукта (или продуктов) по сравнению с эксергией продукта или сырья, поступающего в установку:
(3-30)
где Ji − выход продукта; 
− возрастание эксергии продукта в установке.
Для ожижителя гелия, например, равна разности эксергии гелия при 0,1 МПа и температурах 293 и 4,2 К.
Установка разделения газовых смесей (в частности, криогенные системы класса D). В таких установках эксергетическая мощность соответствует сумме эксергии получаемых продуктов разделения при параметрах выхода из установки за вычетом эксергии исходной смеси:
, (3-31)
где J iи 
− соответственно расходы получаемых продуктов и исходной смеси; ei и е см− соответственно эксергии получаемых продуктов и исходной смеси.
При разделении воздуха второй член уравнения (3-31) равен нулю, так как е см= е 0=0. ^