«Энергосбережение, экономия энергии, производство энергии» — как часто мы слышим и читаем эти слова. Но позвольте, может сказать любой старшеклассник, нам вчера в школе говорили, что энергия всегда сохраняется, есть даже закон такой — основной закон природы. Зачем же беречь энергию, если сама природа так хорошо это делает?
Упоминание об этой новой важной функции — эксергии впервые появилось в 1873 г. в трудах классика естествознания Дж. Гиббса, а затем почти столетие спустя она была введена советскими физиками JI. Д. Ландау и Е. М. Лившицем.
Введенную, следуя Гиббсу, функцию авторы никак не назвали. Во многих работах, где она использовалась, именовали «техническая работоспособность» или просто «работоспособность», а с 1956 г. за ней установилось название «эксергия», ставшее уже общепринятым. Написанная только для замкнутой системы с непроницаемыми границами («тело во внешней среде»), она затем была обобщена и на проточные системы, в том числе и с химическими реакциями; ее аналитическое выражение для проточных систем несколько отличается от приведенного. Функция стала единой универсальной мерой полезности энергии в последние десятилетия ей посвящена обширная литература. Особо отметим работу М. М. Хазена, в которой эксергетические расчеты проведены для транспортных двигателей, в частности газотурбинного наддува тепловозного дизеля и двухвальной турбины.
В настоящее время, алгоритм работы счетчика тепловой энергии таков: необходимо измерить расход теплоносителя на входе, то есть в подающем трубопроводе, а также температуру и давление на входе и выходе. Далее определяются плотности и энтальпии, являющиеся табличными функциями температур и давлений, а затем по формуле вычисляется величина потребленной тепловой энергии:
Q = G1 (h1 — h2)=G1Ch(Tвх-Tвых) (1)
где G1 — масса теплоносителя, поступившего потребителю по подающему трубопроводу; h1 и h2 — энтальпии теплоносителя, соответственно, в подающем и обратном трубопроводах. Сh-удельная теплоемкость, Tвх и Tвых — температура теплоносителя, соответственно, в подающем и обратном трубопроводах.
Ниже приведены две системы, во обоих случаях расход энергоносителя одинаковый. По формуле (1) количество теплоты будет одинаково во обоих случаях, но здесь не учтен потенциал тепловой энергии — эксергия.
Предположим в обоих случаях G1 =10 кг/с, Ch=4,196 кДж/(кг·К), тогда для первого случая:
Q 1= G1Ch (T1-T2)= 10·4,196· (90–70)=839,2 кДж/с
Для второго:
Q 2= G1Ch (T1-T2)= 10·4,196· (50–30)=839,2 кДж/с
По формуле (1) количество теплоты будет одинаково во обоих случаях, но здесь не учтен потенциал тепловой энергии — эксергия.
Эксергия системы — это максимальная работа, которую может совершить система при переходе в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергетический анализ работы теплоэнергетических и технологических установок учитывает не только количественные, но и качественные характеристики энергоресурсов в различных элементах установок
Предлагаем рассчитывать количество теплоты по формуле:
(2)
где G1 — масса теплоносителя, поступившего потребителю по подающему трубопроводу; h1 и h2 — энтальпии теплоносителя, соответственно, в подающем и обратном трубопроводах, Сh-удельная теплоемкость, Tвх и Tвых — температура теплоносителя, соответственно, в подающем и обратном трубопроводах, ∆S — изменение энтропии, Т0- температура окружающей среды.
Теперь рассчитаем количество теплоты по формуле (2) для двух предыдущих систем. Первую систему (90°C -70°C) будем называть высокопотенциальной, вторую (50°C -30°C) — низкопотенциальной.
- Высокопотенциальное тепло
Начальные параметры:
Т0 = 20 °C=293 К
Твх = 90 °C=363К
Твых = 70 °C=343К
G1 =10 кг/с
Ch=4,196 кДж/(кг·К)
- Низкопотенциальное тепло
Начальные параметры:
Т0 = 20 °C=293 К
Твх = 50 °C=323К
Твых = 30 °C=303К
G1 =10 кг/с
Ch=4,196 кДж/(кг·К)
Очевидно, что в первой системе потенциал энергии будет больше.
Проанализируем результаты работы системы в реальных промышленных условиях. Ниже предоставлен временной график в тепловой магистрали «Город-4» в декабре 2010 г. в г. Тольяте.
Из графика видно, что температура в подающем трубопроводе изменяется в пределе от 79°C до 110°C, в обратном трубопроводе от 50°C до 65°C. При одинаковой разности температур мы получаем больше тепла, когда температура в подающем трубопроводе 110°C, чем при 79°C.
Предлагаю вести учет тепловой энергии экзегетическим методом.
Пред Вами схема широкодиапазонного расходомера переменного перепада давления с автоматической калибровкой нулевой точки градуировочной характеристики «системой с автокалибровкой» или сокращенно АКС (Шутиков В. И., ЗАО «Форус»). Если к данной схеме добавить датчик температуры окружающей среды ТТ2, то можно не только существенно уменьшить относительную погрешность измерения расхода, но и вычислить количество теплоты с учетом эксергии. Также необходимо внести изменения в контроллер.
Рис. 2. Функциональная схема АКС
Согласно современной трактовке эксергией термодинамической системы называется максимальная работа, которую система производит при обратимом переходе в состояние полного равновесия с окружающей средой.
В настоящее время идеи эксергетического подхода получили определенной развитие в отечественной и зарубежной инжиниринговой практике. На базе теплового (энтальпийного) и эксергетический анализа разработаны методики, основанные на определении энергии или эксергии потоков в исследуемой тепловой системе. Они используются также для построения энергетического или эксергетического баланса объектов, соединяемых этими потоками и позволяющих производить мониторинг этих объектов с точки зрения энергоэффективности, выявлять участки технологических процессов, где имеется потенциал энергосбережения. За рубежом, например, в Нидерландах этот подход используется инженерными подразделениями таких крупных компаний, как Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM, AKZO NOBEL и т. д., а также некоторыми крупными инженерными компаниями. По отзывам специалистов эксергетический анализ позволяет компаниям получить ценную информацию, но требует много времени; кроме того, существует немного доступных данных, с которыми можно было бы сравнивать полученные результаты.
Литература:
1. Лебедев, В. А. Эксергетический метод оценки энергоэффективности оборудования систем энергообеспечения предприятий минерально- сырьевого комплекса, Записки Горного института, т. 219; СПб, 2016, с. 435–443
2. Данилов Н. И. Основы энергосбережения: учеб. — 2-е изд., доп. и перераб. / Н. И. Данилов, Я. М. Щелоков. — под общ. ред. Н. И. Данилова. — Екатеринбург: Издательский дом «Автограф», 2010. — 528 с.
3. Казаков В. Г. Эксергетические методы оценки эффективности теплотехнологических установок/В. Г. Казаков, П. В. Луканин, О. С. Смирнова//: учебное пособие. СПб: — СПб ГТУРП. — 2013.- 93 с.
4. Кириллин В. А. Техническая термодинамика: учебник для вузов / В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин. -5-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд. дом МЭИ, 2008. — 495 с.
5. Лебедев, В. А. Оценка эффективности основных элементов оборудования паросилового цикла тепловой электростанции эксергетическим методом/ В. А. Лебедев, B. C. Дресвянкин, B. C. Карабута//Молодой ученый. — 2016.- № 1 (105), часть II — с. 179–183.
6. Шутиков В. И. «Опыт промышленной эксплуатации дифференциально-интегрирующей системы на тепломагистрали Ду-900», ЗАО «Форус», СПб.
