Промышленные печи и газовое хозяйство заводов - Щукин А.А.
Скачать (прямая ссылка):
11—1393
161
8-5. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЕ БАЛАНСЫ
Тепловые балансы агрегатов выражают первый закон термодинамики и позволяют судить о тепловой экономичности этих агрегатов, характеризуемой их к. п. д. или удельными расходами тепла. Однако в тепловых балансах не учитывается качество энергии, т. е. ее ценность с точки зрения дальнейшего использования. Так, например, 1 Мдж тепла в продуктах горения при 2 000°С только количественно равен 1 Мдж тепла при 200 °С, качество же его намного выше. При работе мартеновской печи выплавка стали происходит за счет передачи тепла шихте, причем количество тепла в процессе не меняется, а происходит снижение качества (деградация) тепла, выражающаяся в уменьшении его температурного потенциала.
Механическая и электрическая энергии взаимно превращаются друг в друга, и поэтому качественно равноценны, но тепло, как известно из второго закона термодинамики, превращается в работу не полностью. Термодинамическое совершенство установки может характеризоваться величиной эксергии Е, т. е. той максимальной работы, которая может быть получена из заданного количества тепла Q при обратимом переходе из начального состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Из соотношения, справедливого для обратимого цикла Карно, имеем:
где Т—абсолютная температура теплоносителя, отдающего тепло Q; То—абсолютная температура окружающей среды, в которую отводится та часть тепла, которая не может быть превращена в работу.
Коэффициент (1—То/Т), на который нужно умножить тепло Q, чтобы получить величину эксергии Е, можно назвать коэффициентом качества тепла, так как он показывает, что чем выше температура теплоносителя Т, тем ценнее тепло Q, так как тем больше эксергия. Точно так же потери тепла при более высокой температуре соответствуют боль-, шим потерям эксергии, чем при более низкой температуре. Если даже тепло полностью передается от тела А с температурой ТА к телу В с более низкой температурой Тв, то и тогда имеет место потеря эксергии в количестве
Это означает, что до передачи тепла от тела А к телу В в работу в идеальном процессе могла бы быть превращена часть тепла равная
меньшее количество тепла, равное Q (1 — TJTB).
Удельная эксергия потока рабочего тела, приходящаяся на 1 кг этого тела, определяется на основании первого и второго законов термодинамики по формуле, пригодной для твердых, жидких и газообразных тел:
здесь io и «о — энтальпия и энтропия рабочего тела при давлении и температуре окружающей среды.
Для иллюстрации на рис. 8-6 показана величина e/i, т. е. отношение удельной эксергии к удельной энтальпии для воздуха (и приблизительно-для дымовых газов).
Из графика видно, что при перепаде температуры ДО=1 000°С это отношение равно 0,57, а при Д'&=^100оС оно равно 0,15, т. е. в работу 162
(8-3)
(8-4)
после передачи тепла в работу может быть превращена
e—i—io—To(s-so);
(8-5)
можно превратить соответственно от 57 до 15% располагаемой энталь-лии.
Для термодинамически обратимых химических, реакций соединения углерода, водорода и углеводородов с кислородом отношение e/i близко к единице, следовательно, эти топлива являются очень ценными источниками энергии. При сжигании
«г
8
If
же этих топлив их химическая энергия превращается в менее ценную тепловую энергию, поэтому при горении имеет место потеря эксергии1.
Для характеристики термодинамической эффективности работы печей составляются эксергети-ческие балансы и определяются эксергетические к. п. д., представляющие отношение полезно усвоенной эксергии к эксергии затраченной. Потери эксергии делятся на внешние и внутренние.
Внешние потери—это потери с отходящими газами, потери в окружающую среду и пр.; внутренними потерями являются невозвратимые потери, обусловленные необ?атимостью процессов горения, теплопередачи, смешения, присосов воздуха и др.
Из уравнения эксергического баланса
2?подв = 2? ОТВ + 2?вн.п.
можно получить равенство
2?вн.п"
-Vi
Щ
р=с V. n$t
.УЖ,
— Зо
1 t-t0
Рис. 8-6. Отношение eji для воздуха разных значениях t—t0.
при
¦¦НЕ,
ПОДВ
-2?о
(8-6)
где 2?подв — сумма подведенных эксергий; НЕ0тв — сумма отведенных эксергий; НЕвнл— сумма внутренних потерь эксергии.
В отличие от теплового баланса в эксергетическом балансе сумма отведенных эксергий всегда меньше суммы подведенных эксергий на величину внутренних потерь эксергии.
Анализ изменения эксергии в процессе позволяет оценить тепловую эффективность установки, выявить узлы установки, где имеют место потери эксергии, вскрыть причины этих потерь и наметить мероприятия по их уменьшению.
Особенно большими потерями эксергии сопровождается процесс горения, который всегда связан с теплоотдачей факела (продуктов горения), являющегося также необратимым процессом. Диссоциация газов увеличивает потерю эксергии. Эксергия увеличивается при нагреве исходных компонентов горения — топлива и воздуха (подогревается, как известно, только газообразное и иногда жидкое топливо, твердое топливо не подогревается). Если подогревается только воздух и не учитывается диссоциация газов, то коэффициент уменьшения необратимости по Шаргуту будет:
