Эксергетическая эффективность

Эксергетическая эффективность (также известная как эффективность второго закона 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 работу. Для холодильников и тепловых насосов это соотношение фактического COP и реверсивного COP.

Мотивация [ править ]

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, чтобы получить более реалистичную картину эффективности системы. Из второго закона термодинамики можно показать, что ни одна система не может быть эффективной на 100%.

Определение [ править ]

Эксергии 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 - стандартная энергия Гиббса (свободная) реакции при температуре и давлении (также известная как изменение стандартной функции Гиббса ), - чистый выход работы и - массовый расход топлива. ${\ displaystyle \ Delta G_ {T} ^ {0}}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle p_ {0} = 1 \ mathrm {bar}}$ ${\ displaystyle {\ dot {W}} _ {net}}$ ${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {топливо}}$

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

Заявление [ править ]

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 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%, а ее эксергетическая эффективность - 57%. Электростанция, работающая на метане со 100% эксергетической эффективностью, будет соответствовать 98% энергоэффективности.

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

Относительно теплового двигателя Карно [ править ]

Распространенное заблуждение состоит в том, что эксергетическая эффективность сравнивает данный цикл с тепловым двигателем 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. ^[1]^[2]

Эффективность второго закона при максимальной мощности [ править ]

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 принципом максимальной мощности (Gilliland 1978, p. 101).

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Аткинс, Питер (2002). Физическая химия (7-е изд.). Издательство Оксфордского университета. С. 96, 262, 1038 . ISBN 0-7167-3539-3.
Перейти ↑ Hamann, Carl (2007). Электрохимия (2-е изд.). Wiley-VCH. п. 486. ISBN. 978-3-527-31069-2.

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

[1] Аткинс, Питер (2002). Физическая химия (7-е изд.). Издательство Оксфордского университета. С. 96, 262, 1038 . ISBN 0-7167-3539-3.

[2] Перейти ↑ Hamann, Carl (2007). Электрохимия (2-е изд.). Wiley-VCH. п. 486. ISBN. 978-3-527-31069-2.

[1]