Эксергетическая эффективность - Exergy efficiency

Эксергетическая эффективность (также известный как вторичная эффективность или же рациональная эффективность) вычисляет эффективность системы по отношению к ее характеристикам 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 работу. Для холодильников и тепловых насосов это соотношение фактического COP и реверсивного COP.

Мотивация

Причина, по которой необходим второй закон эффективности, 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. От второй закон термодинамики можно продемонстрировать, что ни одна система не может быть эффективной на 100%.

Определение

В эксергия B баланс процесса дает:

${displaystyle B_ {in} = B_ {out} + B_ {lost} + B_ {уничтожено} qquad {mbox {(1)}}}$

с эксергетической эффективностью, определяемой как:

${displaystyle eta _ {B} = {frac {B_ {out}} {B_ {in}}} = 1- {frac {(B_ {lost} + B_ {destroy})} {B_ {in}}} qquad { mbox {(2)}}}$

Для многих инженерных систем это можно перефразировать так:

${displaystyle eta _ {B} = {frac {{dot {W}} _ {net}} {{dot {m}} _ {fuel} Delta G_ {T} ^ {0}}} qquad {mbox {(3 )}}}$

Где ${displaystyle Delta G_ {T} ^ {0}}$ - стандартная (свободная) энергия Гиббса реакции при температуре ${displaystyle T}$ и давление ${displaystyle p_ {0} = 1mathrm {bar}}$ (также известный как стандартный Функция Гиббса изменять), ${displaystyle {точка {W}} _ {net}}$ чистый выход работы и ${displaystyle {dot {m}} _ {fuel}}$ - массовый расход топлива.

Таким же образом можно определить энергоэффективность как:

${displaystyle eta _ {E} = {frac {{dot {W}} _ {net}} {{dot {m}} _ {fuel} Delta H_ {T} ^ {0}}} qquad {mbox {(4 )}}}$

Где ${displaystyle Delta H_ {T} ^ {0}}$ стандартная энтальпия реакции при температуре ${displaystyle T}$ и давление ${displaystyle p_ {0} = 1mathrm {bar}}$, для всех видов топлива ${displaystyle Delta G_ {T} ^ {0}$ поэтому эксергетическая эффективность всегда должна быть больше, чем энергоэффективность.

Заявление

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

Для ископаемых видов 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%, в то время как ее эксергетическая эффективность будет 57%. Электростанция, работающая на метане, со 100% эксергетической эффективностью будет соответствовать 98% энергоэффективности.

Это означает, что для многих видов топлива, который мы используем, максимальный КПД, который может быть достигнут, составляет> 90%, однако мы ограничены КПД Карно во многих ситуациях, поскольку используется тепловой двигатель.

О тепловом двигателе Карно

Распространенное заблуждение состоит в том, что эффективность эксергии сравнивает данный цикл с Тепловой двигатель Карно. Это неверно, потому что двигатель Карно является наиболее эффективным тепловым двигателем, но не самым эффективным устройством для создания работы. Топливные элементы, например, теоретически может достичь гораздо более высокого КПД, чем двигатель Карно.^[1][2]

Второй закон эффективности при максимальной мощности

Ни первый, ни второй закон термодинамики не включают меры 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 принцип максимальной мощности (Гиллиланд 1978, стр.101).

Смотрите также

• Производство энтропии
• Энергия
• Эффективность преобразования энергии
• Принцип максимальной мощности

Рекомендации

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