EKSERGIA.

Teema esitlus: "EKSERGIA."— Esitluse väljavõte:

1 EKSERGIA

2 Sissejuhatuseks Termodünaamika esimesel seadusel põhinev soojusjõuseadme kasutegur näitab seda osa ringprotsessi suunatud soojusest, mis soojusjõuseadmes toimuvate protsesside vahendusel muundub kasulikuks tööks. Soojusjõuseadme kasutegur kätkeb endas nii termodünaamika teisest seadusest tulenevat vältimatult ringprotsessist lahkuva soojuse kui ka protsesside tagastamatusest põhjustatud kadusid.

3 Soojusjõuseadme kasulik väljund on tema poolt sooritatav töö
Soojusjõuseadme kasulik väljund on tema poolt sooritatav töö. Teatavasti tõestab termodünaamika teine seadus, et saamaks soojusjõuseadmes kasulikku tööd, tuleb paratamatult osa soojust loovutada madala temperatuuriga kehale ehk jahutile.

4 Eksergia mõiste Eksergeetiline meetod, erinevalt eelmisest, ei käsitse soojusjõuseadme ringprotsessis jahutile ülekantavat soojushulka kaona, vaid termodünaamika teisest seadusest ilmnevat paratamatut nähtust, mille tingivad ümbruskeskkonna meist sõltumatud parameetrid. Kaona käsitatakse vaid protsesside tagastamatusest lähtuvaid nähtusi.

5 Millal saame tööd? Soojuslikult isoleeritud (adiabaatses) termodünaamilises süsteemis tehakse tööd ainult juhul, kui süsteem ei ole tasakaalu seisundis. Selleks on vaja, et süsteemi kuuluvatel kehadel ei oleks võrdne temperatuur ja rõhk või üks nendest. Süsteemis, milles on erineva rõhuga kehi ei ole mehaaniliselt tasakaalus. Samuti, kui süsteemis olevatel kehadel on temperatuur erinev, siis süsteemi termiline (soojuslik) tasakaal on rikutud. Isoleeritud süsteemist on võimalik saada tööd ainult süsteemi üleminekul mittetasakaalulisest olekust tasakaaluoleku suunas.

6 Millal on kasutegur maksimaalne
Isoleeritud termodünaamilisest süsteemist saadav töö on maksimaalne siis, kui energia muundusprotsess on tagastatav ning termodünaamilise keha rõhk ja temperatuur protsessi lõpul on needsamad, mis ümbruskeskkonnalgi. Süsteemist saadav töö sõltub seal toimuva termodünaamilise protsessi tagastamatuse määrast. Tuginedes termodünaamika teisele seadusele on võimalik määrata tööde erinevus, mida saaks süsteemist antud algoleku puhul tagastataval ja tagastamatul üleminekul.

7 Töö (II) Süsteemis toimuvate tagastamatute protsesside korral:
kus s‘10 ja s’20 on keskkonna entroopia termodünaamilise protsessi algul ja lõpul Keskkond koos termodünaamilise kehaga moodustab ühise soojuslikult isoleeritud süsteemi, mille entroopia s* koosneb keskkonna entroopia s' ja keha entroopia s summast. Seega keskkonna entroopia muutus

8 saime Gouy-Stodola seaduse, mille kohaselt soojuslikult isoleeritud süsteemis tehtav tehniline töö on maksimaalsest tööst väiksem positiivse suuruse T0Δs* võrra. Süsteemi töö on seda suurem, mida madalam on keskkonna temperatuur ja mida väiksem süsteemi entroopia juurdekasv protsesside tagastamatusest

9 Eksergia Energia kui mateeria üldise liikumisvormi abil ei osutu mitte alati küllaldaseks ammendama süsteemi koguenergia tööks muundumise probleemi. Nimelt ei ole koguenergia täiel määral kasutatav (muundatav kasulikuks tööks), vaid see sõltub ümbruskeskkonna olekust. Seetõttu on vajalik termodünaamilise süsteemi energeetilise ressurssi hindamisel arvesse võtta ka ümbruskeskkonna parameetreid. Näiteks, veekogudesse akumuleerunud tohutut siseenergiat on praktiliselt võimatu muundada tööks, sest nende temperatuur on ligilähedaselt võrdne ümbruskeskkonna temperatuuriga. Järelikult puudub veekogudes peituval energial tehniline väärtus. Sellest tuleneb vajadus energiaressursside hindamisel võtta kasutusele selline suurus, mis toob esile ainult selle osa energiast, mis ümbruskeskkonna antud tingimustel võib muunduda kasulikuks tööks. Selleks, et olemasolev energia muunduks maksimaalsel määral kasulikuks tööks, peab energiamuundusprotsessis osalev keha omandama väliskeskkonna parameetritele vastava tasakaaluoleku. Sellist süsteemi muundumisvõimelist energiaressurssi nimetatakse eksergiaks.

10 Definitsioon Süsteemi eksergia all mõistetakse maksimaalselt võimalikku tehnilist tööd, mida on võimalik saada süsteemi üleminekul antud olekust ümbruskeskkonna suhtes tasakaaluolekusse. Eksergia mõiste võttis kasutusse Z. Rant a. Termodünaamilise keha Eksergia tähistatakse tähega e ja antakse sagedamini keha massiühiku kohta. Seetõttu sõltub soojuslikult isoleeritud süsteemis termodünaamilise keha poolt sooritatav maksimaalne töö mitte ainult keha algolekust, vaid ka keskkonna parameetritest.

11 Valem Kuna adiabaatilises süsteemis esinevate tagastavate protsesside korral süsteemi entroopia ei muutu, Δs* = 0, siis vastavalt definitsioonile, keha eksergia avaldub: h ja s on süsteemi algolek ja indeksid 0 tähistavad keskkonna parameetreid

12 Tehniline töö ja pv ja h-s diagramm
kus Δs* – entroopia muutus soojuslikult isoleeritud termodünaamilises süsteemis seal toimuvate tagastamatute protsesside tagajärjel.

13 Soojusvoo eksergia Soojusvoo eksergia all mõistetakse termodünaamilisest süsteemist saadavat maksimaalset kasulikku tööd keskkonnavälise soojusvoo protsessi suundumisel ja süsteemi üleminekul keskkonnaga tasakaaluseisundisse. Mida kõrgemal temperatuuril soojus protsessi siirdub, seda suurem osa sellest muutub protsessis tehniliseks tööks.

14 Valemid graafikud

15 Seletus Kuna suhe (T1 – T0) / T1 on võrdne Carnot’ ringprotsessi termilise kasuteguriga, siis soojusvoo eksergia temperatuurivahemikus (T1 – T0) on võrdne sama soojushulgast q saadava tööga tagastavas Carnot’ ringprotsessis. Soojuse töövõime on seda suurem, mida väiksem on suhe T0/T1. Kui soojusallika temperatuur on võrdne keskkonna temperatuuriga, võrdub soojushulga eksergia nulliga.

16 Eksergeetiline kasutegur
Eksergeetiline kasutegur on soojusjõuseadmest saadava kasuliku töö suhe maksimaalselt võimalikku töösse keha üleminekul algolekust lõppolekusse. Vastavalt öeldule, avaldub soojusjõuseadme eksergeetiline kasutegur valemiga kus l – soojusjõuseadmest saadav kasulik töö, e1 ja e2 – termodünaamilise keha eksergia vastavalt soojusjõuseadmesse sisenemisel ja sealt väljumisel, eq – soojushulga eksergia.

17 Millal on eksergiline kasutegur =1
Kui kõik protsessid soojusjõumasinas kulgevad tagastatavalt, eeldusel, et eq = 0 siis l = lt, max ja ηex = 1. Eksergeetilise kasuteguri mõistet kasutatakse ka nende seadmete iseloomustamiseks, mis kasulikku tööd ei tee. Sellisel juhul:

18 Lõpetuseks Viimase valemiga määratud eksergeetiline kasutegur väljendab termodünaamiliste protsesside tagastamatuse määra, näidates, millisel määral väheneb seadmes toimuvate protsesside tulemusel keha töövõime Näide soojusvahetite kohta: Soojuse ülekandumisel kehalt temperatuuriga T1 kehale temperatuuriga T2 (soojuskaod ümbruskeskkonda puuduvad), võrdub esimeselt kehalt saadav soojushulk teisele kehale üleantava soojushulgaga. Kuid sama soojushulk ei ole temperatuuril T2 enam töövõime poolest samaväärne sellega, mis tal oli temperatuuril T1. Viimati esitatud kasutegur hõlmabki soojuse töövõime vähenemist siirdumisel kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale.

19 Eksegiline-majanduslik mõtteviis
Energia säästmine pinch tehnoloogia rakendamisega Pinch tehnoloogia on meetod, mille puhul protsessi summaarset soojusbilanssi kasutatakse teoreetiliselt minimaalselt vajaliku energiatarbimise prognoosimiseks, soojust taaskasutava süsteemiga tehase ehitusmaksumuse hindamiseks ja muude andmete saamiseks. Prognoosi tulemusi kasutatakse kui sihtväärtusi protsessi kavandamiseks või täiustamiseks. Pinch tehnoloogia võimaldab analüüsida ettevõtete ja ettevõtete grupi energiakasutustingimusi ning optimeerida soojusenergia kasutust tootmisprotsessides. Näiteks saab taaskasutada jääksoojusenergiat, tõstes auru rõhku ja temperatuuri. Tulemuseks on eksergiakasutuse vähenemine. Reovee temperatuuri on keskkonnaprobleem, sest reovesi suunatakse lähedalasuvasse merre. Soe vesi on küll puhas, kuid põhjustab talvehooajal niiskust ja udu. Ettevõtte lähedal asuvad suured elumajad. Majadel on veeküttesüsteem, mis on mõeldud kasutamiseks temperatuuril 60 oC. Kui need majad saaksid vähendada eksergiat ja kütta 40 oC temperatuuriga veega, võiks reovett ära kasutada

20 Back –up slide