Использование термодинамических пределов в энергетических исследованиях

В статье рассмотрены возможности использования термодинамических показателей идеальных (подобных идеальной машине Карно) и идеализированных аналогов для исследования реальных процессов в различных отраслях экономики. К таким показателям относятся идеальные и идеализированные коэффициенты полезного действия, теоретические и минимально необходимые затраты энергии (эксергии) на реализацию процесса. Приведена методика их определения, а также показано, как они могут быть использованы для оценки термодинамической эффективности процесса, теоретического потенциала и резервов энергосбережения при его совершенствовании, для прогнозирования энергетических затрат на долгосрочную перспективу (более 20 лет). Разработанные методы проиллюстрированы примерами исследования производств металлов и некоторых неорганических и органических веществ. Выполнен анализ тенденций в изменении удельных затрат энергии на производство алюминия методом Холла-Эру за весь период его освоения и использования. Приведенные графики подтверждают, что энергетические затраты процесса в настоящее время асимптотически приближаются к затратам его идеального аналога (реальный коэффициент полезного действия - к коэффициенту полезного действия идеального процесса). Это означает, что процессу следует искать замену, т.е. переходить к новой технологии получения алюминия. Процедура расчета минимально необходимых и предельных (максимальная степень идеализации процесса) затрат энергии (эксергии) на продукт показана на примере производства металлов по разным технологиям ряда химических веществ. Последующая экстраполяция коэффициента полезного действия этих процессов дает возможность прогнозировать объем и структуру их энергопотребления на долгосрочную перспективу без наличия достоверных статистических данных. Такие прогнозы дают достаточно точные результаты, поскольку базируются на фундаментальных законах термодинамики. Привлечение второго начала термодинамики с использованием понятия «эксергия» в эти исследования еще более повышает уровень достоверности и значимости полученных результатов.

термодинамические методы, эксергетический анализ, идеальные и идеализированные коэффициенты полезного действия, металлургические процессы, переход к новым технологиям, долгосрочное прогнозирование энергопотребления

1. Stepanov V.S. Analysis of energy efficiency of industrial processes. Heidelberg: Springer-Verlag, 1992. 187 p.

2. Степанов В.С., Степанова Т.Б., Старикова Н.В. Эксергетический анализ систем генерирования, транспорта и потребления энергии. Иркутск: Изд-во Иркутского государственного технического университета, 2016. 276 с.

3. Stepanov V.S., Stepanov S.V. Energy use efficiency of metallurgical processes // Energy Conversion & Management. 1998. Vol. 39. No. 16-18. P. 1803-1809.

4. Степанов В.С., Степанова Т.Б., Старикова Н.В. Химическая энергия и эксергия веществ: методы расчета, область применения, справочные данные. Иркутск: Изд-во Иркутского государственного технического университета, 2017. 217 с.

5. Степанов В.С., Степанов С.В. Термодинамические исследования металлургических процессов: энергетические балансы, эксергетический анализ. Иркутск: Изд-во Иркутского государственного технического университета, 2013. 380 с.

6. Szargut J., Morris D.R., Steward F.R. Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical processes. New York: Hemisphere, 1988.

7. Rant Z. Exergie, ein neues Wort für “technische Arbeitsfähigkeit” // Forsch. Ing. Wes. 1956. Vol. 22, Nо. 1. Р. 36-37.

8. Бродянский В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. 296 с.

9. Groscurth H.M., Kümmel R., Van Gool Thermodynamic limits to energy optimization // Energy. 1989. Vol. 14. No. 5. P. 241-258.

10. Багров О.Н., Клешко Б.М., Михайлов В.В. Энергетика основных производств цветной металлургии. М.: Металлургия, 1979. 376 с.

11. Бялковская В.С. Перспективное планирование направлений технического прогресса. М.: Экономика, 1973. 191 с.

12. Янч Э. Прогнозирование научно-технического прогресса. М.: Прогресс, 1974. 586 с.

13. Belyaev L.S., Marchenko O.V., Filippov S.P., Stepanova T.B. World energy and transmission to sustainable development. Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers. 2002. 264 p.

14. Баймачев Е.Э. Определение минимальных затрат эксергии на отопление и естественную вентиляцию жилых зданий // Известия вузов. Строительство. 2014. № 7. С. 67-73.