Эксергетический анализ

Т. обр., эксергетич. кпд носит обобщенныйхарактер. Конкретное выражение длязависит от назначения и особенностей анализируемого процесса и видов взаимод.потоков. Напр., с использованием понятия "транзитной" эксергий Eтр(количественнов системе не изменяется) ур-ние дляпринимает форму: 
 
 

где ниж. индексы  обозначают:i -все виды эксергии, кроме  химической; х - хим. эксергия; j - компонентыв-ва, одновременно присутствующие во входном и выходном потоках; l -новые в-ва, образующиеся в системе; f - в-ва, полностью превращающиесяв др. в-ва.

Объем, качество и ценность информации,получаемой на основе эксергетич. баланса ХТС, проиллюстрируем  двумя примерамииз опыта использования Э. а. в хим. технологии.

I. Анализ узла  синтеза NH3в технол. схеме его  произ-ва показал, что макс. потери  эксергий происходятв колонне  синтеза и уменьшить их можно: 1) на 15-18% без значит. изменениятехнол.  процесса; 2) с принципиальным изменением  режима синтеза NH3(напр., повышением т-ры в одной из зон колонны), что позволило бы квалифицированнееиспользовать теплоту р-ции и выдавать на сторону пар более высоких параметров.

II. Для оценки  эффективности работы типовойпневматич. сушилки (трубы-сушилки) применительно к сушке конкретного продуктанаряду с обычным анализом на основе материального и теплового балансовустановки (рис. 3) проведен ее Э. а. В соответствии со схемой материальных(G), тепловых (Q) и эксергетич. (Е)потоков был составленэксергетич. баланс: 
 
 

где N - мощность двигателя вентилятора;Еп- эксергия пара; Ек - эксергия образующегося в  калорифереконденсата;- эксергия влажного материала на входе в установку  и высушенного материала;-эксергия сушильного агента на выходе из установки; Евл- эксергия испаренной влаги; Еп -суммарныепотери эксергии в установке. Остальные обозначения эксергетич. потоковна схеме: Ев - эксергия воздуха, поступающегов вентилятор и калорифер;-эксергия сушильного агента на входе в сушилку; Епод -эксергия подсасываемого наружного воздуха;-потери эксергии в окружающую среду с отработанным сушильным агентом. 
 
 
 

Рис. 3. Схема  потоков в сушильнойустановке: 1 - вентилятор; 2 - калорифер; 3 - сушилка. 

Эксергии материальных потоков в составеэксергетич. баланса  рассчитаны по представленным ранее ф-лам. Потери эксергиивыражены суммой потерь в отдельных аппаратах и вычислены по ф-ле Гюи-Стодоли(определение возможно также по разности эксергии материальных и энергетич.потоков на входе и выходе из соответствующих аппаратов, если нет необходимостив детализации этих потерь). Результаты расчетов показали, что полезныезатраты эксергии на испарение влаги из материала незначительны по сравнениюс располагаемой эксергией греющего пара; основные потери эксергии выявленыв калорифере.

Сопоставлением  эксергетич. баланса с тепловымбалансом этой установки найдено, что в последнем уд. вес аналогичных статейрасхода существенно отличается от полученных при эксергетич. расчете значений.Так, потери в окружающую среду в тепловом балансе составили 60,4%, а вэксергетическом - 15,9% (суммарные потери в калорифере и сушилке, из к-рыхотработанный сушильный агент выбрасывается в атмосферу). Это объясняетсянизким энергетич. потенциалом уходящих газов, что, естественно, сказалосьна численном значении их эксергии. Что касается таких статей расхода, какпотери в калорифере, при смешении паров влаги с сушильным агентом, от гидравлич.сопротивления установки и от необратимости тепло- и массообмена, то онивообще не нашли отражения в тепловом балансе. Т. обр., в сопоставлениис ним эксергетич. баланс полнее и объективнее отразил все энергетич. затратына реализацию сушильного процесса и позволил выявить "узкие" места в нем.В данном случае повышение эффективности работы установки в первую очередьбыло связано с совершенствованием функционирования калорифера (измененыконструкция и параметры работы, в частности, снижено давление греющегопара). 

Структурные коэффициенты.При  Э.а. ХТС существенна связь их общих показателей с характеристиками отдельныхэлементов (аппаратов). Меру влияния отдельного элемента на эффективностьработы системы в целом принято оценивать с помощью т. наз. структурногокоэф.Он представляет собой отношение изменения к.-л. эксергетич. параметра всейсистемы (кпд, потери, входные и выходные потоки) к его изменению в одномиз элементов; при этом все остальные параметры системы считаются неизменными.

Оптим. оценки функционирования ХТС полученыпри вычислениичерез  эксергетич. кпд. Расчетные соотношения  для этого коэф. зависят отструктурных  связей в системе, т. е. от наличия  последовательно, параллельноили смешанно соединенных между собой ее элементов. Анализ показывает, чтов ХТС с последоват. соединением аппаратов одинаковые измененияк.-л. элемента в равной степени отражаются на величине данного коэф. длявсей системы независимо от места расположения в ней аппарата. В то же времяизменение потерь эксергии зависит от размещения элемента: чем дальше отвхода в систему он находится, тем сильнее влияние указанных потерь на работусистемы. Поэтому необходимо обращать особое внимание на уменьшение эксергетич.потерь на заключит. стадиях процесса, протекающего в ХТС с таким соединениемэлементов.

В системах с  параллельным соединениемэлементов изменение  потерь эксергии в любом аппарате вызывает эквивалентныеизменения потерь во всей ХТС. Э. а. с помощью структурных коэф. реальныхпром. систем требует их предварит. преобразования в схемы, состоящие изпараллельно соединенных участков, в к-рых аппараты связаны последовательно. 

Оптимизация работы ХТС на основеЭ. а. осуществляется с  помощью целевых ф-ций (см. Оптимизация);обычноприменяютприведенные денежные затраты на единицу эксергии продукта, сумму уд. затратэксергии. На практике широко используют вторую из перечисленных ф-ций.В общем виде показатель, служащий для нахождения оптим. параметров ХТСна основе данной целевой ф-ции, имеет вид: 
 
 

где Се,i иСпр- стоимость  единицы эксергии сырья и продукции; EiиEпрj- их эксергии; К - капитальные  затраты; {т} -совокупностьпараметров, по к-рым оптимизируется работа системы. Выражение (16) конкретизируетсяв зависимости от особенностей структуры ХТС и условий ее функционирования.

Весьма нагляден и эффективен графич. методпредставления изменений оптимальных затрат на работу ХТС с помощью термоэкономич.диаграмм материальных и энергетич. потоков. На рис. 4 изображены такиедиаграммы для выпарной установки, включающей ряд последовательно соединенныхаппаратов (1,2, ..., N). При построении диаграмм затраты делятсяна энергетические и неэнергетические. Энергетич. составляющие (потоки эксергиина входе в каждый аппарат и выходе из него; рис. 4, а)вычисляютсячерез термодинамич. характеристики системы. По мере движения от ее входак выходу из-за потерь эксергии в аппаратах общий эксергетич. поток уменьшается.Стоимость энергетич. затрат, полученную умножением "ширины" потока (рис.4, а) на стоимость единицы эксергии, откладывают в выбранноммасштабе на "стоимостной" диаграмме (рис. 4, б)ниже оси О-О'(..., 
 
 

Рис. 4. Термоэкономические диаграммыдля системы из последовательно  соединенных аппаратов. 

На той же диаграмме выше линии О-О'откладываютстоимость неэнергетич. затрат, складывающихся из отчислений капиталовложенийи трудовых затрат (на эксплуатацию аппаратов); эти затраты косвенно (черезразмеры аппаратов) также связаны с термодинамич. характеристиками системы.

В каждом аппарате неэнергетич. затратырастут скачком (h1 h2, ...,hN)из-за дополнит. трудовых затрат.

Диаграмма на рис. 4, в- результирующая;она получается делением ширины потока на рис. 4,б на соответствующуюширину потока на диаграмме 4, а. Из рис. 4, в следует, чтопо мере движения потоков от входа системы к ее выходу неэнергетич. затратыувеличиваются быстрее, чем энергетические. Подобные ХТС довольно широкораспространены в пром-сти.

В более общем  случае энергетич. затраты,обусловленные  промежут. вводами материальных или  энергетич. потоков, приводятк количеств, изменению уд. затрат. Однако преимущественное возрастаниенеэнергетич. затрат типично и для таких ХТС, поскольку любые преобразованиятребуют создания соответствующего оборудования и одновременно не всегдасвязаны с дополнит. трудовыми затратами. Являясь целевой ф-цией при оптимизацииработы ХТС, уд. стоимостные затраты позволяют также получить информациюи о тех ее элементах, к-рые в наиб. степени способствуют увеличению указанныхзатрат. 

Лит.: Шаргут Я., Петела Р., Эксергия,пер. с польск., М., 1968; Сажин Б. С., Основы техники сушки, М., 1984,с. 283-309; Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К., Эксергетический методи его приложения, М., 1988; Кутепов А. М., Бондарева Т. И., БеренгартенМ.Г., Общая химическая технология, 2 изд., М., 1990, с. 27-45; Сажин Б.С., Булеков А. П., Эксергетический анализ в химической технологии, М.,1992.