2. Методи термодинамічного аналізу і оптимізація технологічних процесів

Термодинамічні методи все частіше застосовують для аналізу технологічних процесів.

Велика кількість публікацій присвячена ексергетичному підходу. Порівняно недавно почав розвиватись новий напрям термодинаміки, який має назву – термодинаміка за кінцевого часу і який дозволяє знайти режим процесу заданої інтенсивності, при якому мінімізується ентропія утворення. Тому цікавим є виявити подібність і відмінність цих підходів, що допоможе інженерам та проектувальникам правильно вибирати той чи інший метод термодинамічного дослідження відповідного технологічного процесу.

Подібність в підходах

Основою обох зазначених підходів є визначення і мінімізація втрат енергії, обумовлених незворотністю процесів. При ексергетичному підході вони характеризуються втратами ексергії. Нагадаємо, що ексергією називається максимальна кількість енергії системи, яка може бути перетворена в роботу за фіксованих параметрів оточуючого середовища. Ця максимальна робота виконується в оборотному процесі переходу системи з даного стану в стан рівноваги з середовищем. Необоротність процесу приводить до зменшення виконаної роботи і втратам ексергії , яка дорівнює різниці ексергії вхідних і вихідних потоків:

(256)

або з врахуванням того, що ексергія потоку:

(257)

для процесів, які не супроводжуються хімічними чи масообмінними перетвореннями:

, (258)

де I – ентальпія; Т₀ – температура оточуючого середовища; S – ен-тропія; С – константа.

В рівнянні (258) величина в перших дужках є різницею енергій вхідних і вихідних потоків, а величина в других дужках – кількість ентропії ∆S, яка виконується внаслідок нерівноважності процесу.

За відсутності теплообміну з оточуючим середовищем (тепловтрат) і фіксованому об’ємі установки величина в перших дужках перетворюється на нуль і ∆E=T₀∆S або для процесу, який встановився, ∆E = T₀σ, де ∆E – втрати ексергії за одиницю часу, σ = ∆S/∆t – середня швидкість зростання або продукування ентропії, t – час.

При використанні першого (ексергетичного) підходу втрати енергії характеризуються втратами ексергії, при застосуванні другого підходу – продукуванням ентропії. В обох зазначених підходах ці втрати служать для оцінки ефективності процесу. Відомо (і це підтверджується дослідженням балансових співвідношень для речовини енергії і ентропії), що між виробничою ентропією і традиційними показниками ефективності існують монотонні залежності. У випадку зменшення ентропії знижуються потрібні енергетичні витрати, збільшується продуктивність, покращується якість продукції, тому продукована ентропія може бути універсальним критерієм ефективності при обмежених енергетичних затратах.

Обидва підходи дозволяють (хоча і по-різному) вирішувати такі задачі як визначення граничних можливостей процесу, оцінка ступеня термодинамічної досконалості, встановлення принципової можливості здійснення процесу (виділення відповідної області значень параметрів вхідних і вихідних потоків, в якій процес є нереалізованим), обрахування і аналіз втрат від незворотності для процесу в цілому і його стадій, виявлення перспективних направлень покращення процесу в цілому.