9.4.2.1. Определение эксергии источников работы, имеющих термическую неравновесность

Первоначально рассмотрим источник работы с постоянной температурой (бесконечной теплоемкостью), имеющей большее значение, чем температура внешней среды. Примером такого источника работы являются тепловыделяющие элементы в кипящем ядерном реакторе, вырабатывающем насыщенный водяной пар при постоянном давлении.

Для определения эксергии этого источника работы (теплоты) необходимо рассмотреть термодинамическую систему, которая должна включать в себя: горячий источник теплоты с постоянной температурой Т₁ (источник работы), внешнюю среду с постоянной температурой Т_ОС (холодный источник теплоты) и рабочее тело (рис. 9.26).

В рассматриваемой системе, при использовании количества теплоты Q₁, передаваемого от горячего источника теплоты рабочему телу, максимально полезная работа, или эксергия, может быть получена только при неизменной энтропии системы (ΔS_С = 0), т.е. при прохождении в ней только обратимых процессов. Выполнение этого условия возможно только при осуществлении в нашей системе обратимого цикла Карно (рис. 9.26) в интервале температур Т₁ и Т_ОС. Только в этом случае в нашей системе не будет протекать никаких необратимых процессов, не будет возрастания энтропии системы и не будет потерь возможной работы.

Следовательно, максимально полезная работа – эксергия, получаемая в этом случае, будет соответствовать работе обратимого цикла Карно 1234:

(9.38)

Множитель (T₁-T_ОС)/T₁ в выражении 9.38 представляет термический КПД данного цикла Карно, он называется эксергетической температурой. Всегда целесообразно иметь большее значение эксергетической температуры, поскольку в этом случае эксергия источника работы также будет иметь большее значение.

В случае если источник работы имеет конечную теплоемкость и температуру выше, чем температура окружающей среды, и находится в механическом равновесии с внешней средой (Р=Р_ОС), он может перейти в состояние термического равновесия с внешней средой при его охлаждении по изобаре Р=const.

На практике существует множество источников работы такого типа: продукты сгорания органического топлива, горячие газы, пары, жидкости и т.п.

Рассмотрим определение эксергии таких источников работы на примере продуктов сгорания топлива, охлаждающихся от температуры Т₁ до температуры окружающей среды Т_ОС при постоянном атмосферном давлении Р_ОС=const (рис.9.27). Для получения работы в этом случае, как и в первом, необходимо, чтобы кроме источника работы система включала внешнюю среду с постоянной температурой Т_ОС и рабочее тело.

Получение максимально полезной работы в этой системе также возможно только при протекании в ней обратимых процессов, т.е. при отсутствии увеличения энтропии системы (ΔS_С = 0). В соответствии с этим условием рабочее тело должно совершать цикл 1231, поскольку только в этом случае изменение энтропии продуктов сгорания (процесс 12) будет равно изменению энтропии внешней среды (процесс 23) с обратным знаком. Максимально полезная работа, или эксергия, источника работы в этом случае будет равна площади 1231. Любой другой цикл рабочего тела не будет полностью обратимым и даст меньшую работу.