Upload
dangcong
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
2.11.2011
1
Thermodynamics: An Engineering Approach, 7th EditionYunus A. Cengel, Michael A. Boles
McGraw-Hill, 2011©
Luku 8EXERGIA:
TYÖPOTENTIAALIN MITTA
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Tavoitteet• Tutkia koneiden ja laitteiden suorituskykyä toisen
pääsäännön hengessä.
• Määritellään suure exergia, joka vastaa suurinta hyödyllistä työtä joka voidaan saada systeemistä joka on tietyssätyötä joka voidaan saada systeemistä, joka on tietyssä tilassa tietyssä ympäristössä.
• Määeitellään palautuva työ, joka on suurin mahdollinen työ, joka on saatavissa prosessista, joka tapahtuu kahden tunnetun tilan välillä.
• Määritellään exergian tuhoutuminen, joka on palautumattomuuksien aiheuttama työpotentiaalin tuhlaus
2
palautumattomuuksien aiheuttama työpotentiaalin tuhlaus.
• Määritellään toisen pääsäännön mukainen hyötysuhde.
• Johdetaan exergiatase.
• Sovelletaan exergia tasetta suljettuihin systeemeihin ja kontrollitilavuuksiin.
2.11.2011
2
EXERGIA: ENERGIAN TYÖPOTENTIAALITunnetun tietyssä tilassa olevan energiamäärän hyödyllisen työn potentiaalia (varantoa) kutsutaanexergiaksi, josta käytetään anglosaksisissa maissa myös termiä availability tai available energy.Systeemi on lepotilassa kun se on termodynaamisessa tasapainossa ympäristönsä kanssa.ympäristönsä kanssa.
3
Systeemi, joka on ympäristönsä kanssa tasapainossa on lepotilassa.
Lepotilassa, systeemin työpotentiaali (exergia) on nolla.
Systeemi tuottaa suurimman mahdollisen työn, kun se tapahtuu palautuvassa prosessissa tunnetusta alkutilasta ympäristönsä tilaan, eli lepotilaan. Tämä on samalla systeemin hyödyllisen työn potentiaali kyseisessä prosessin tilassa ja sitä kutsutaan exergiaksi.Exergia kuvaa suurimman mahdollisen työn yläräjaa, jonka kone voi tuottaa olematta termodynamiikan lakien vastaisia.
4
Kuuman perunan välitön ympäristö on vain ilman lämpötilagradienttialue perunan ympärillä.
Ilmakehä sisältää suunnattoman määrän energiaa, mutta ei exergiaa.
2.11.2011
3
Kineettisen ja potentiaalienergian exergia (työpotentiaali)
Potentiaalienergian
työpotentiaali taii
Kineettisen energian exergia :
Potentiaalienergian exergia: exergia on yhtäsuuri kuin
potentiaali energia itse.
Potentiaalienergian exergia:
Kineettisen ja potentiaali energioiden exergiat ovat itsensä suuruisia
5
ja ne ovat täysin muunnettavissa työksi .
Ei-käytettävissä oleva energia on energian
se osuus, jota ei voida muuntaa työksi
edes palautuvallä lämpövoimakoneella.
PALAUTUVA TYÖ JA PALAUTUMATTOMUUS
Kun suljettu
Palautuva työ Wrev: Maksimi määrä työtä, joka voidaan tuottaa (tai minimi työ, joka täytyy
tehdä) kun prosessi tapahtuu tunnetun alkutilan lopputilan välillä .
Kun suljettu systeemi paisuu on työtä tehtävä ilmanpainetta vastaan (Wsurr).
Palautuvan ja todellisen työn väliset erot ovat
6
Vakiotilavuussysteemeissä, todellinen ja hyödyllinen työ ovat samat (Wu = W).
työn väliset erot ovat palautumattomuudet.
2.11.2011
4
TOISEN PÄÄSÄÄNNÖN MUKAINEN HYÖTYSUHDE, ηII
7
Näillä kahdella koneella on sama terminen hyötysuhde, mutta eri termiset maksimihyötysuhteet.
Hyötysuhde toisen pääsäännön mukaan on koneen tai laitteen suhteellinen suorituskyky verrattuna palautuvan koneen suorituskykyyn.
Exergiahyötysuhteen määritelmä
8
Palautuvien koneiden ja laitteiden toisen pääsäännön mukainen hyötysuhde on 100%.
Luonnollisesti esiintyvien prosessien toisen pääsäännön mukainen hyötysuhde on nolla, jos työpotentiaalista ei saada yhtään takaisin.
2.11.2011
5
SYSTEEMIN EXERGIAN MUUTOSTunnetun massan exergia: suljetun systeemin exergia
9
Tunnetussa tilassa olevan tunnetun massan exergia on se hyödyllinen työ, joka voidaan tehdä kun massa käy läpi palautuvan prosessin ympäristön tilaan.
Suljetun systeemin exergia
Suljetun systeemin exergia massayksikköä kohden
Suljetun systeemin
iexergian muutos
Jos systeemin ominaisuudet eivät ole vakioita , niin systeemin exergia on
10
Kylmän väliaineen exergia on myös positiivinen
suure, koska työtä voidaan tehdä siirtämällä
lämpöä siihen.
2.11.2011
6
Virtauksen exergia
Virtauksen energian exergia
Virtaus-exergia
Virtauksen energiaan liittyvä exergia on
Virtauksen exergian muutos
11
liittyvä exergia on se hyödyllinen työ joka voidaan tuottaa virtauksessa olevan kuvitteellisen männän avulla .
Energia ja exergia sisältö(a) Tunnetun massan(b) Virtaavan ( )nesteen.
12
2.11.2011
7
EXERGIAN SIIRTYMINEN LÄMMÖN, TYÖN JA MASSAN AVULLA
Lämmönsiirron Q exergiaLämmön aikaansaama
i ii texergian siirto Kun lämpötila ei ole vakio
Exergian siirtyminen ja väheneminen äärellisen
lämpötilaeron yli h
13
Carnot-hyötysuhde ηc=1−T0 /T esittää sitä osuutta energiasta, joka siirtyy lämmönlähteestä lämpötilassa T, joka voidaan muuntaa työksi ympäristön lämpötilassa T0.
tapahtuvassa lämmönsiirtoprosessissa
Exergian siirtyminen työnä, W
Tilavuuden muutostyöhön ei liity hyödyllistä työtä jos systeemin paine pidetään vakiona ympäristön paineessa.
Exergian siirtyminen massana, m
14
Massa sisältää energiaa, entropiaa ja exergiaa ja siksi massavirtaukseen systeemiin sisään tai ulos liittyy energian, entropian ja exergian siirtyminen.
2.11.2011
8
EXERGIAN VÄHENEMISEN PERIAATE JA EXERGIAN VÄHENEMINEN
Exergian vähenemisen periaatteen j ht i kä t tt
15
johtamiseen käytetty eristetty systeemi
Prosessissa eristetyn systeemin exergia aina vähenee, palautuvan prosessin rajatapauksessa , se pysyy vakiona. Toisin sanoen, se ei koskaan kasva ja exergia vähenee todellisessa prosessissa. Tämä tunnetaan exergian vähenemisen periaatteena.
Exergian väheneminen
Exergian väheneminen on positiivinen suure todelliselle prosessille ja on nolla palautuvalle prosessille. Exergian väheneminen edustaa hävittyä työpotentiaalia ja sitä kutsutaan myös palautumattomuudeksi tai hävityksi työksi.
16
Systeemin exergian muutos voi olla negatiivinen, mutta exergian väheneminen ei voi.
Voiko systeemin exergia muutos prosessissa olla negatiivinen?Tarkastellaan lämmön siitymistä systeemistä ympäristöön. Miten vertailet systeemin ja sen ympäristön exergian muutoksia?
2.11.2011
9
EXERGIAN TASE: SULJETTU SYSTEEMISysteemin exergian muutos prosessissa on yhtäsuuri kuin netto exergian siirto systeemin rajojen yli ja exergianexergian väheneminen systeemin sisällä palautumattomuuksien vuoksi.
17
Exergian siirtymisen
mekanismit.
Lämmönsiirtymistä systeemiin ja systeemin tekemää työtä pidetään positiivisina suureina.
Qk on lämmönsiirtyminen reunan yli lämpötilassa Tk kohdassa k.
Exergian väheneminen
systeemin rajojen
ulkopuolella voidaan ottaa
huomioon
Exergian tase suljetulle systeemille kun lämmönsiirto on systeemiin
18
kirjoittamalla exergiatase
laajennetulle systeemille, joka
sisältää systeemin ja sen
välittömän ympäristön.
on systeemiin ja työ tehdään systeemistä ulos.
2.11.2011
10
ESIMERKKEJÄExergia tase lämmön johtumiselle
Exergia tase vesihöyryn paisunnalle
Laajennetun systeemin (systeemi + välitön ympäristö) exergiatase, jonka reuna on ympäristön lämpötilassa T0 , antaa
19
Ilmasäiliön exergiatase54°C20°C
Wpw,in=∆U=20.6 kJ
Wrev,in = 1 kJ
= 1 kJ
20°C
1 kg
1 kJ
20.6 kJ
19.6 kJ
20
Sama teho lämpöeristettyyn säiliöön voidaan tuottaa
palautuvalla lämpöpumpulla, joka kuluttaa vain 1 kJ työtä.
20°C140 kPa
g
20°C
2.11.2011
11
EXERGIA TASE: KONTROLLITILAVUUS
Prosessin exergian muutosnopeus kontrollitilavuudessa on yhtäsuuri kuin netto exergian siirtonopeus kontrollitilavuuden reunan läpi lämpönä työnä ja massana miinus
21
lämpönä, työnä ja massana miinus exergian väheneminen kontrollitilavuuden sisällä.
Exergia siirtyy kontrollitilavuudesta sisään ja ulos
massan mukana yhtähyvin kuin lämmön ja työn siirtona.
Ajasta riippumattoman virtaussysteemin exergiatase Useimmat käytännössä esiintyvät kontrollitilavuudet, kuten turbiinit, kompressorit, suuttimet, diffuusorit, lämmön siirtimet, putket ja kanavat toimivat ajasta riippumattomina ja siten niiden massa-, energia-, entropia- ja exergiasisältö eivät muutu, kuten ei myöskään niiden tilavuudet. Siksi, dVCV/dt = 0 ja dXCV/dt = 0 näille systeemeille.
Ajasta riippumattomissa
22
Ajasta riippumattomissa systeemeissä exergian siirtyminen systeemiin on yhtäsuuri kuin exergian poistuminen siitä lisättynä exergian vähenemisellä systeemin sisällä.
2.11.2011
12
Palautuva työ, WrevEdellä esitettyjä exergian taseiden riippuvuuksia voidaan käyttää palautuvan työn Wrev määrittämiseen asettamalla exergian väheneminen nollaksi. Tässä tapauksessa työ W on palautuvaa työtä.
Exergian väheneminen on nolla vain palautuville prosesseille ja
23
palautuva työ on maksimi työ työtä tuottaville koneille ja laitteille kuten turbiineille ja minimi työn tarve työtä kuluttaville koneille ja laitteille kuten kompressoreille.
Toisen pääsäännön mukainen hyötysuhde vakiovirtaamalaitteille, ηII
Eri vakiovirtaamalaitteiden toisen pääsäännön mukainen hyötysuhde voidaan määritellä sen yleisestä määritelmästä, ηII = (Talteen otettu exergia)/(Toimitettu exergia), kun kineettisen ja potentiaalienergian muutokset ovat mitättömiä ja laitteet ovat adiabaattisia:
Turbiini
Lämmön-siirrin
Kompressori
24
Sekoitus-säiliö Lämmönsiirrin, jossa on kaksi
sekoittumatonta virtaa.
2.11.2011
13
ESIMERKKEJÄHöyryturbiinin exergia-analyysi
Paineistusprosessin exergia tase
25
Yhteenveto• Exergia: Energian työpotentiaali
Exergia (työpotentiaaliliittyy kineettiseen ja potentiaali-energiaan
• Palautuva työ ja palautumattomuus• Toisen pääsäännön mukainen hyötysuhde• Toisen pääsäännön mukainen hyötysuhde• Systeemin exergian muutos
Tunnetun massan exergia: Virtaamaton (tai suljetun systeemin) exergiaVirtaavan väliaineen exergia: Virtaus (tai virtauksen) exergia
• Exergian siirtyminen lämpöna, työnä ja massana• Exergian vähenemisen periaate ja exergian väheneminen
Exergia tase: Suljettu systeemi
26
• Exergia tase: Suljettu systeemi• Exergia tase: Kontrollitilavuudet
Ajasta riippumattomien systeemien exergia tasePalautuva työAjasta riippumattomien laitteiden toisen pääsäännön mukainen hyötysuhde