Эффективность эксергии

редактировать

Эксергетическая эффективность (также известная как вторичная эффективность или рациональная эффективность ) вычисляет эффективность системы относительно ее производительности в обратимых условиях. Он определяется как отношение теплового КПД реальной системы к идеализированной или реверсивной версии системы для тепловых двигателей. Его также можно описать как отношение полезной выходной работы системы к обратимой выходной работе систем, потребляющих труд. Для холодильников и тепловых насосов это соотношение фактического COP и реверсивного COP.

Содержание

1 Мотивация
2 Определение
3 Применение
4 Относительно теплового двигателя Карно
5 Эффективность второго закона при максимальной мощности
6 См. Также
7 Ссылки

Мотивация

Причина, по которой требуется эффективность второго закона, заключается в том, что эффективности первого закона не учитывают идеализированную версию системы для сравнения. Использование только первого закона эффективности может привести к мысли, что система более эффективна, чем она есть на самом деле. Таким образом, эффективность второго закона необходима для получения более реалистичной картины эффективности системы. Из второго закона термодинамики можно продемонстрировать, что ни одна система не может быть эффективной на 100%.

Определение

эксергия B-баланс процесса дает:

B in = B out + B потерян + B уничтожен (1) {\ displaystyle B_ { in} = B_ {out} + B_ {lost} + B_ {destroy} \ qquad {\ t_dv {(1)}}}

B_ {in} = B_ {out} + B_ {потеряно} + B_ {уничтожено} \ qquad \ t_dv {(1)}

с эксергетической эффективностью, определяемой как:

η B = B out B in = 1 - (B потеряно + B уничтожено) B в (2) {\ displaystyle \ eta _ {B} = {\ frac {B_ {out}} {B_ {in}}} = 1 - {\ frac {(B_ {lost } + B_ {уничтожено})} {B_ {in}}} \ qquad {\ t_dv {(2)}}}

\ eta_B = \ frac {B_ {out}} {B_ {in}} = 1 - \ frac {(B_ {lost} + B_ {destroy})} {B_ {in}} \ qquad \ t_dv {(2)}

Для многих инженерных систем это можно перефразировать как:

η B = W ˙ netm ˙ топливо Δ GT 0 (3) {\ displaystyle \ eta _ {B} = {\ frac {{\ dot {W}} _ {net}} {{\ dot {m}} _ {fuel} \ Delta G_ {T } ^ {0}}} \ qquad {\ t_dv {(3)}}}

\ eta_ {B} = \ frac {\ dot {W} _ {net}} {\ dot {m} _ {fuel} \ Delta G ^ {0} _ {T}} \ qquad \ t_dv {(3)}

Где $Δ GT 0 {\ displaystyle \ Delta G_ {T} ^ {0}}$ $\ Delta G ^ {0} _ {T}$ - стандартная энергия Гиббса (свободная) реакции при температуре $T {\ displaystyle T}$ $T$ и давлении $p 0 = 1 бар {\ displaystyle p_ {0} = 1 \ mathrm {bar} }$ $p_ {0} = 1 \ mathrm {bar}$ (также известная как стандартная функция Гиббса изменение), $W ˙ net {\ displaystyle {\ dot {W}} _ {net}}$ $\ dot {W} _ {net}$ это т Чистый объем работы, а $m ˙ f u e l {\ displaystyle {\ dot {m}} _ {fuel}}$ $\ dot {m} _ {топливо}$ - массовый расход топлива.

Таким же образом энергоэффективность может быть определена как:

η E = W ˙ netm ˙ топливо Δ HT 0 (4) {\ displaystyle \ eta _ {E} = {\ frac {{{ \ dot {W}} _ {net}} {{\ dot {m}} _ {fuel} \ Delta H_ {T} ^ {0}}} \ qquad {\ t_dv {(4)}}}

\ eta_ {E} = \ frac {\ dot {W} _ {net}} {\ dot {m} _ {fuel} \ Delta H ^ {0} _ {T }} \ qquad \ t_dv {(4)}

Где $Δ HT 0 {\ displaystyle \ Delta H_ {T} ^ {0}}$ $\ Delta H ^ {0} _ {T}$ - стандартная энтальпия реакции при температуре $T {\ displaystyle T}$ $T$ и давление $p 0 = 1 бар {\ displaystyle p_ {0} = 1 \ mathrm {bar}}$ $p_ {0} = 1 \ mathrm {bar}$ для всех видов топлива $Δ GT 0 < Δ H T 0 {\displaystyle \Delta G_{T}^{0}<\Delta H_{T}^{0}}$ $\ Delta G ^ {0} _ {T} <\ Delta H ^ {0} _ {T}$ , поэтому эксергия КПД всегда должен быть выше энергоэффективности.

Применение

Разрушение эксергии тесно связано с созданием энтропии, и поэтому любая система, содержащая крайне необратимые процессы, будет иметь низкую энергоэффективность. Например, процесс сгорания внутри газовой турбины электростанции является в высшей степени необратимым, и здесь будет уничтожено примерно 25% входящей эксергии.

Для ископаемого топлива свободная энтальпия реакции обычно лишь немного меньше энтальпии реакции, поэтому из уравнений (3) и (4) мы можем видеть, что эффективность использования энергии будет соответственно больше, чем эффективность закона энергии. Например, типичная электростанция с комбинированным циклом, сжигающая метан, может иметь энергоэффективность 55%, а ее эксергетическая эффективность - 57%. Электростанция, работающая на метане со 100% эксергетической эффективностью, будет соответствовать 98% энергоэффективности.

Это означает, что для многих видов топлива, который мы используем, максимальная эффективность, которая может быть достигнута, составляет>90%, однако мы ограничены эффективностью Карно во многих ситуациях, когда используется тепловой двигатель.

Относительно теплового двигателя Карно

Распространенное заблуждение состоит в том, что эксергетический КПД сравнивается с данным циклом теплового двигателя Карно. Это неверно, потому что двигатель Карно является наиболее эффективным тепловым двигателем, но не самым эффективным устройством для создания работы. Топливные элементы, например, теоретически могут достичь гораздо более высокого КПД, чем двигатель Карно.

Эффективность второго закона при максимальной мощности

Ни первый, ни второй закон термодинамики включает меру скорости преобразования энергии. Когда показатель максимальной скорости преобразования энергии включается в показатель эффективности второго закона, он известен как эффективность второго закона при максимальной мощности и напрямую связан с принципом максимальной мощности (Gilliland 1978, стр. 101).

См. Также

Литература

М.Вт. Гиллиланд (1978) Энергетический анализ: новый инструмент государственной политики, Westview Press.
Юнас А. Ценгел, Майкл А. Болес (2015) Термодинамика: инженерный подход, McGraw-Hill Education.