Основы эксергетического анализа топливоиспользующих установок

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
А.А. ФРАНЦЕВА 
О.К. ГРИГОРЬЕВА 
 
 
 
ОСНОВЫ  
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА  
ТОПЛИВОИСПОЛЬЗУЮЩИХ 
УСТАНОВОК 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.182.3(075.8) 
Ф 841 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Ю.В. Овчинников 
канд. техн. наук, доцент М.А. Купарев 
 
 
Работа подготовлена на кафедре тепловых электрических станций 
по дисциплине «Термодинамические основы работы  
теплоэнергетических установок» 
для студентов III курса ФЭН всех форм обучения 
(направление 13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника) 
 
 
Францева А.А. 
Ф 841  
Основы эксергетического анализа топливоиспользующих 
установок: учебное пособие / А.А. Францева, О.К. Григорьева. – 
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 88 с. 

ISBN 978-5-7782-3849-7 

Представлены основные определения и классификации видов эксергии, видов потерь эксергии, подробно рассмотрены основы эксергетического анализа некоторых теплоэнергетических установок. Изложены основы расчета эксергетического баланса парового котлоагрегата на основе материального и энергетического балансов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.182.3(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3849-7 
© Францева А.А., Григорьева О.К., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2019 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В современной теплоэнергетике, связанной с преобразованием 
природных запасов топлива и кислорода атмосферы в электрическую и 
тепловую энергию, важное место занимает усовершенствование термодинамической эффективности установок. Классический аппарат 
технической термодинамики оказался недостаточным для решения 
этих вопросов. Поэтому был разработан эксергетический метод анализа эффективности теплоэнергетических установок. Он основан на введении понятия «эксергия».  
Эксергия характеризует энергию любого вида не только по ее количеству; она дает возможность количественно оценить и качественную ее сторону. Эксергия определяет превратимость, пригодность 
энергии для технического использования в любых заданных условиях. 
Таким образом, эксергия представляет собой некоторую универсальную меру энергетических ресурсов. На необходимость и возможность 
такой меры указывал еще в 1928 г. академик В.И. Вернадский. 
Существуют различные классификации эксергии, разделяющие ее 
как максимально возможную работу системы от начального ее состояния до полного равновесия с окружающей средой на различные виды. 
В теплоэнергетических установках, где происходит преобразование 
химической энергии топлива в теплоту, а затем – в механическую и 
электрическую, достаточно использовать три вида эксергии: химическую, эксергию вещества в потоке и эксергию теплоты. 
Для полного расчета и анализа теплоэнергетических установок 
необходимо использовать уравнения трех балансов, основанных на 
законе сохранения массы (материальный баланс), законе сохранения 
энергии (тепловой баланс) и на втором законе термодинамики (баланс 
эксергии и ее потерь).  
В основу учебного пособия положены результаты исследований, 
приведенных в книгах, монографиях, статьях ученых: Я. Шаргута, 
Р. Петела, 
Ф. Бошняковича, 
В.М. Бродянского, 
В.А. Кириллина  

и других [1–18], внесших значительный вклад в развитие и практическое применение эксергетического метода для анализа и оптимизации 
различных технических систем. 
Учебное пособие написано в соответствии с образовательной программой дисциплины «Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок» и предназначено для бакалавров, обучающихся 
по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника», а также может 
быть использовано при обучении магистрантов по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника». 

Г Л А В А  1  

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ  
ВИДОВ ЭКСЕРГИИ 
 
Различные виды энергии и формы ее проявления неодинаково ценны с точки зрения их практического использования. Так, тепловой поток имеет тем меньшую практическую ценность, чем меньше разница 
между температурой источника тепла и температурой окружающей 
среды. При этом следует учитывать, что, например, при изотермическом сжатии воздуха не изменяется его внутренняя энергия, но увеличивается энергетическая ценность. 
Наибольшая энергетическая ценность энергоносителя характеризует также механическую работу, поскольку в обратимом процессе она 
может перейти в любой вид энергии в эквивалентном количестве. Поэтому способность к совершению работы принята за показатель качества энергии различных видов. 
Практическая энергетическая пригодность вещества различна и 
имеет тем меньшую величину, чем ближе температура источника вещества к температуре окружающей среды.  
Окружающая среда могла бы давать неограниченное количество 
теплоты, но качество, определяемое практической пригодностью этой 
теплоты, равна нулю. Поэтому при расчете практической пригодности 
состояние термодинамического равновесия вещества с окружающей 
средой может служить нулевым уровнем. 
Полное использование практической пригодности вещества для совершения работы невозможно без взаимодействия с окружающей средой. Как правило, окружающая среда служит источником даровых веществ и теплоты. Например, для использования угля в качестве источника теплоты необходимо задействовать определенное количество 
кислорода из окружающей среды. 
 

Максимальная работа, совершаемая системой при ее взаимодействии с окружающей средой, получила название эксергии. Термин «эксергия» ввел югославский ученый З. Рант и образован он из греческих 
корней «экс» – внешний и «эрг» – работа, действие. 
Подробнее понятие «эксергия» можно сформулировать следующим 
образом: «Эксергия – это максимальная работа, которая может быть 
получена при обратимом процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей 
средой» [1]. 
В процессах преобразования энергии, определяющих работу технических систем, может участвовать энергия различных видов. Несмотря на их общность, отражаемую первым законом термодинамики, 
существуют ограничения превращаемости одного вида энергии в другой. Все виды энергии подразделяются на две группы по признаку их 
превращаемости. К первой относятся виды, полностью без ограничений превращаемые в любые другие виды энергии, ко второй – те, которые не могут полностью быть преобразованы в любой другой вид 
энергии.  
Виды энергии первой группы имеют общий признак: они не характеризуются энтропией (т. е. энтропия этих энергий равна нулю), подвод или отвод теплоты к рабочему телу никак не сказывается на энергиях этого вида. Энергию таких видов иногда называют «организованной». Ко второй группе относятся такие виды энергии, которые не могут быть полностью преобразованы в любой другой вид энергии. Они 
всегда характеризуются энтропией, отличной от нуля, и носят название 
«неорганизованной» или энтропийной. 
Любая безэнтропийная, «организованная» энергия, обладающая 
неограниченной превращаемостью, с технической точки зрения ценнее, качественнее, чем энтропийная, «неорганизованная». Из энергии 
первой группы всегда можно получить любую энергию второй группы, 
но не наоборот. 
В табл. 1 представлена шкала форм энергии по степени превращаемости [2]. Первое место в этой таблице занимают неограниченно преобразуемые виды энергии: полезная работа, кинетическая, потенциальная и электрическая энергия. За ними следуют ограниченно преобразуемые формы энергии: внутренняя энергия и теплота. Химическая 
энергия относится к ограниченно преобразуемым формам энергии, хотя степень превращаемости ее в полезную работу очень велика. Замыкают таблицу формы энергии, которые полностью потеряли способ

ность превращения: внутренняя энергия окружающей среды и накопленная в системах энергия, которая находится в состоянии равновесия 
с окружающей средой, а также тепло при температуре окружающей 
среды и работа по преодолению давления окружающей среды. 
При сравнении видов энергии с позиции их превращаемости следует учесть влияние параметров окружающей среды на энергетические 
преобразования. Виды энергии, относящиеся к первой группе, при взаимных преобразованиях остаются полностью превращаемыми независимо от параметров окружающей среды. Как только в результате преобразований энергии появляется любой вид энергии второй группы, 
условия преобразования энергии становятся зависимыми не только от 
ее параметров, но и от параметров окружающей среды. Чем меньше 
разность параметров среды и рабочего тела технической системы, тем 
меньшая часть энергии может быть преобразована. В пределе при равенстве параметров рабочего тела в системе и в окружающей среде 
техническая ценность энергии любого вида, относящегося ко второй 
группе, равна нулю. 

Т а б л и ц а  1 

Формы энергии по степени их превращаемости 

Номер 
группы 
Степень превращаемости 
Формы энергии 

1 
Неограниченно преобразуемые виды энергии 
Полезная работа, кинетическая, потенциальная, электрическая энергия 

2 
Ограниченно преобразуемые виды энергии 
Внутренняя энергия систем, которые не находятся в состоянии равновесия с окружающей средой, теплота при T ≠ T0, химическая энергия 

3 
Непреобразуемые 
виды 
энергии 
Внутренняя энергия окружающей 
среды и таких систем, которые 
находятся в состоянии равновесия  
с окружающей средой, тепло при 
температуре окружающей среды, 
работа по преодолению атмосферного давления 

 

Для безэнтропийных энергий (механической, электрической, ядерной и др.), а также для энергий, передаваемых в виде работы, эксергия 
равна самой работе [3]: 

 
E = Э;     E = L, 
(1.1) 

где Е – эксергия, Э – электроэнергия, L – механическая работа. 
Эксергия энергий, характеризуемых энтропией, подразделяется на 
следующие виды: 
 эксергия вещества в замкнутом объеме 
v
E , Дж; ve , Дж/кг; 
 эксергия потока вещества E, Вт; e, Дж/кг; 
 эксергия потока теплоты 
q
E , Дж или Вт; q
e , Дж/кг; 

 эксергия потока излучения 
и
E , Дж или Вт; и
e , Дж/м2. 
Расчет эксергии удобнее вести в удельных величинах. В общем 
случае эксергия является функцией параметров состояния: температуры, давления и состава среды. 
Эксергия вещества в замкнутом объеме и в потоке состоит из следующих составляющих:  
 термической тe  (зависящей от температуры); 
 механической, или деформационной 
p
e  (зависящей от давления); 

 реакционной 
re  (обусловленной возможностью химических реакций между веществами системы и окружающей среды); 
 концентрационной сe  (зависящей от разности концентраций веществ в системе и в окружающей среде). 
Термическую и механическую составляющую обычно объединяют 
и называют термомеханической, термодеформационной, или физической. Реакционную и концентрационную эксергию часто объединяют в 
химическую эксергию 
хим
e
, называемую также нулевой. Все виды и 
составляющие эксергии можно суммировать, т. е. определять суммарное влияние отличий температуры, давления, состава термодинамической системы от окружающей среды на работоспособность системы,  
а следовательно, и КПД происходящих в ней процессов. 
В табл. 2 [4] приведены различия между фундаментальным понятием «энергия» и частным понятием «эксергия», отражающим одну из 
ее сторон – превращаемость в определенных условиях среды. 
 

Т а б л и ц а  2 

Сопоставление особенностей энергии и эксергии 

№  
п/п 
Энергия 
Эксергия 

1 
Зависит только от параметров вещества или потока энергии и не 
зависит от параметров окружающей среды 

Зависит от параметров как системы, так и окружающей среды 

2 
Всегда имеет значение, отличное 
от нуля 
Может иметь значение, равное 
нулю (в нулевом состоянии  
при полном равновесии с окружающей средой) 

3 
Подчиняется закону сохранения 
энергии в любых процессах 
Подчиняется закону сохранения при обратимых процессах; 
в реальных, необратимых процессах частично или полностью уничтожается 

4 
Превращаемость одних видов в другие ограничена по условиям второго начала термодинамики для всех 
процессов, в том числе обратимых 

Превращаемость одних составляющих в другие не ограничена для обратимых процессов  
по условиям второго начала 
термодинамики 

1.1. ЭКСЕРГИЯ ВЕЩЕСТВА В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ 

Задача определения эксергии вещества в замкнутом объеме сводится к определению максимальной работы, которую может произвести система при переходе ее от заданного состояния в состояние термодинамического равновесия с окружающей средой. Если рассматривать закрытую систему (т. е. исключить обмен веществом через границы системы), то энергетическое взаимодействие системы и среды  
может проходить только в двух формах: теплоты q, кДж/кг (термическое взаимодействие) и работы l, кДж/кг (деформационное взаимодействие). 
Максимальная полезная работа, которую может совершить вещество в замкнутом объеме, равно работе, производимой непосредственно при изменении объема  v  единицы массы в системе, за вычетом  

работы, затрачиваемой на преодоление сопротивления окружающей 
среды с давлением 
о.с
p
, т. е. 

 
о.с
v
de
l
p
dv
  
. 
(1.2) 

Если учесть, что по первому закону термодинамики 

 
q
du
l
 
  , 
(1.3) 

и по второму закону термодинамики для обратимых процессов 

 
о.с
dq
T
ds

, 
(1.4) 

то 

 
о.с
о.с
v
de
T
ds
du
p
dv



. 
(1.5) 

Для процесса, конечным состоянием которого является состояние 
равновесия с окружающей средой, получим 

 
о.с
о.с
о.с
о.с
о.с
(
)
(
)
(
)
ve
T
s
s
u
u
p
v
v






, 
(1.6) 

или 

 
о.с
о.с
о.с
о.с
о.с
(
)
(
)
(
)
ve
u
u
T
s
s
p
v
v






. 
(1.7) 

При расчетах, связанных с определением разности величин ve  при 
переходе системы из состояния 1 в состояние 2: 

 
2
1
2
1
о.с
2
1
о.с
2
1
(
)
(
)
(
)
v
v
e
e
u
u
T
s
s
p
v
v







. 
(1.8) 

Для всей массы вещества, находящегося в замкнутом объеме: 

 
v
v
E
me

. 
(1.9) 

Диаграмма (рис. 1) показывает зависимость величины 
ve  от пара
метров рабочего тела и окружающей среды в координатах 

о.с

T
T
 и 

о.с

p

p
.