Страница 1
Введение в энергетический анализ и КПД
Энергетический анализ является одним из ключевых инструментов для оценки эффективности использования энергии в различных системах и процессах. Он позволяет не только определить, сколько энергии было затрачено, но и насколько эффективно она была преобразована в полезную работу или тепло. Одним из важнейших показателей эффективности является коэффициент полезного действия (КПД). КПД — это безразмерная величина, которая показывает отношение полезно использованной энергии к общему количеству затраченной энергии. Чем выше КПД, тем эффективнее работает система. Однако важно понимать, что КПД может быть рассчитан по-разному в зависимости от того, какой аспект эффективности мы хотим оценить. Например, можно говорить о КПД теплового двигателя, КПД электрического генератора или КПД передачи энергии. В контексте энергетического анализа, особенно при рассмотрении сложных систем, таких как тепловые сети или теплообменники, важно учитывать не только количество энергии, но и её качество. Это приводит нас к концепции эксергетического анализа, который является более глубоким подходом к оценке эффективности, учитывающим не только первый закон термодинамики (закон сохранения энергии), но и второй закон термодинамики (закон возрастания энтропии). Эксергия представляет собой максимальную полезную работу, которую можно получить от системы при её взаимодействии с окружающей средой. В данной задаче мы рассмотрим критерии, получаемые на основе энергетического анализа, для различных систем, а также связанные с ними понятия, такие как адиабатное расширение, закон Гюи-Стодолы и вторичные энергоресурсы. ***Страница 2
7. Критерии, получаемые на основе энергетического анализа. КПД передачи теплоты по тепловой сети.
Адиабатное расширение рабочего тела.
Адиабатное расширение — это термодинамический процесс, при котором рабочее тело (например, газ или пар) расширяется без теплообмена с окружающей средой. Это означает, что система изолирована от внешних источников тепла или холода. В процессе адиабатного расширения рабочее тело совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, что приводит к снижению его температуры и давления.
В контексте энергетического анализа и КПД передачи теплоты по тепловой сети, адиабатное расширение может быть важным фактором при рассмотрении потерь энергии. Например, при транспортировке пара или горячей воды по трубопроводам, если не обеспечена достаточная теплоизоляция, происходит теплообмен с окружающей средой. Однако, если представить идеализированный случай или рассмотреть процессы внутри турбин, где расширение пара происходит очень быстро, можно приближенно считать процесс адиабатным. Понимание адиабатных процессов помогает инженерам проектировать более эффективные системы, минимизируя потери энергии и максимизируя полезную работу.
Вторичные энергоресурсы. ВЭР избыточного давления.
Вторичные энергоресурсы (ВЭР) — это энергетические ресурсы, которые образуются в процессе основной производственной деятельности и могут быть использованы для получения дополнительной энергии. Использование ВЭР является важным направлением в повышении энергоэффективности и снижении воздействия на окружающую среду, так как позволяет сократить потребление первичных энергоресурсов.
ВЭР избыточного давления — это энергия, заключенная в газах или жидкостях, которые находятся под давлением выше атмосферного и сбрасываются в атмосферу или в другие системы без полезного использования их потенциальной энергии. Примерами таких ВЭР могут быть отходящие газы промышленных предприятий, пар избыточного давления, образующийся в технологических процессах, или давление в трубопроводах, которое сбрасывается через редукционные клапаны. Вместо того чтобы просто сбрасывать это давление, его можно использовать для привода турбин, компрессоров или для других целей, тем самым генерируя электроэнергию или выполняя механическую работу. Это позволяет значительно повысить общий КПД системы и снизить эксплуатационные расходы.
***Страница 3
8. Критерии, получаемые на основе энергетического анализа. Энергетический КПД рекуперативного теплообменника.
Максимальная полезная работа. Закон Гюи-Стодолы.
Максимальная полезная работа, которую можно получить от системы, является ключевым понятием в эксергетическом анализе. Она представляет собой теоретический предел работы, которую система может совершить, переходя из заданного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эта концепция тесно связана со вторым законом термодинамики, который утверждает, что невозможно полностью преобразовать тепловую энергию в работу без потерь.
Закон Гюи-Стодолы (или теорема Гюи-Стодолы) является фундаментальным принципом эксергетического анализа. Он гласит, что потеря эксергии (или необратимость) в любом процессе пропорциональна произведению температуры окружающей среды на изменение энтропии системы. Математически это выражается как \(I = T_0 \cdot \Delta S_{gen}\), где \(I\) — потеря эксергии (необратимость), \(T_0\) — температура окружающей среды (абсолютная), а \(\Delta S_{gen}\) — энтропия, генерируемая в процессе из-за необратимости. Этот закон позволяет количественно оценить потери качества энергии в различных процессах и устройствах, таких как теплообменники. Понимание этого закона критически важно для оптимизации энергетических систем, поскольку оно указывает на то, где происходят наибольшие потери эксергии и, следовательно, где есть наибольший потенциал для улучшения эффективности.
Вторичные энергоресурсы. Тепловые ВЭР.
Как уже упоминалось, вторичные энергоресурсы (ВЭР) — это энергия, которая образуется в процессе основной производственной деятельности и может быть повторно использована. Тепловые ВЭР представляют собой значительную часть этих ресурсов и включают в себя тепло, которое выбрасывается в окружающую среду без полезного использования. Это может быть тепло отходящих газов промышленных печей, тепло охлаждающей воды различных агрегатов, тепло конденсата пара, а также тепло, выделяющееся в результате химических реакций.
Рекуперативные теплообменники являются одним из основных устройств для утилизации тепловых ВЭР. Они предназначены для передачи тепла от горячего потока (например, отходящих газов) к холодному потоку (например, воздуху или воде), который затем может быть использован для отопления, подогрева воды или в других технологических процессах. Использование рекуперативных теплообменников позволяет значительно повысить энергетический КПД системы, поскольку часть тепла, которое иначе было бы потеряно, возвращается в цикл. Это приводит к экономии топлива, снижению выбросов вредных веществ и уменьшению эксплуатационных затрат. Примером может служить использование тепла отходящих газов котельных для подогрева приточного воздуха или воды, что существенно повышает общую эффективность котельной установки.
***Страница 4
9. Критерии, получаемые на основе энергетического анализа. Коэффициент эффективности.
Функция работоспособности рабочего тела в непроточной системе.
Функция работоспособности, или эксергия, рабочего тела в непроточной (закрытой) системе представляет собой максимальную полезную работу, которую можно получить от этого рабочего тела, когда оно переходит из заданного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. В отличие от проточных систем, где рабочее тело постоянно движется, в непроточной системе рабочее тело находится в замкнутом объеме, и его состояние изменяется в результате взаимодействия с окружающей средой (например, нагрев, охлаждение, совершение работы).
Эксергия рабочего тела в непроточной системе учитывает не только его внутреннюю энергию, но и его способность совершать работу за счет разности температур и давлений с окружающей средой. Это позволяет более точно оценить "качество" энергии, содержащейся в рабочем теле. Например, горячий газ под высоким давлением обладает большей эксергией, чем тот же газ при низкой температуре и атмосферном давлении, даже если их внутренняя энергия может быть сопоставима. Понимание функции работоспособности помогает инженерам оптимизировать процессы в закрытых системах, таких как аккумуляторы энергии или реакторы, чтобы максимально эффективно использовать потенциал рабочего тела.
Вторичные энергоресурсы. Горючие ВЭР.
Горючие вторичные энергоресурсы (ВЭР) — это отходы производства или побочные продукты, которые обладают способностью гореть и выделять тепловую энергию. Их использование позволяет заменить часть первичного топлива, такого как природный газ, уголь или мазут, что приводит к значительной экономии и снижению воздействия на окружающую среду.
Примеры горючих ВЭР включают:
- Отходы деревообработки: опилки, стружка, кора, щепа. Эти материалы могут быть использованы в котельных для производства тепла и электроэнергии.
- Сельскохозяйственные отходы: солома, шелуха, жмых. Они также могут быть использованы в качестве биотоплива.
- Промышленные газы: доменный газ, коксовый газ, ферросплавный газ. Эти газы образуются в металлургической и химической промышленности и могут быть сожжены для получения тепла или электроэнергии.
- Твердые бытовые отходы (ТБО): после соответствующей переработки и сортировки, горючая фракция ТБО может быть использована для производства энергии на мусоросжигательных заводах.
Использование горючих ВЭР является важным элементом стратегии устойчивого развития, так как оно способствует сокращению объемов отходов, уменьшению зависимости от ископаемого топлива и снижению выбросов парниковых газов. Коэффициент эффективности в данном контексте будет отражать, насколько полно и рационально используется энергетический потенциал этих отходов для получения полезной энергии.