книги / Эксергетические расчеты технических систем

ввести объективные количественные характеристики отходов, сбрасывае­

мых в окружение; оценить степень глубины переработки природных ресурсов;

количественно сопоставить качественно неравноценные природные ресур­ сы, конечные и побочные продукты.

В данном случае под ПС понимается предприятие, перерабатывающее как природные ресурсы, так и конечные или промежуточные полезные продукты произведенные другими ПС. Основными структурными элементами, входящим*! в ПС, являются: подсистема основного производства конечных и побочных по лезных продуктов (I); подсистема по переработке вторичных ресурсов основ ного производства (II); склад готовой продукции (III) [22].

Взаимодействие в общем случае осуществляется посредством потребления ПС на входе потоков эксергии (прямых и косвенных) природных ресурсов и сброса на выходе эксергии отходов в окружение. Интенсивность взаимодейст­ вия ПС с окружением определяется эксергией как потребляемых природных ресурсов, так и сбрасываемых отходов. Процесс девальвации этих отходов про­ должителен и при переходе определенных уровней входит в противоречие с об­ щими принципами равновесного существования экологических систем.

Схема, представленная на рис. 9.27, позволяет получить общее представ­ ление о взаимодействии с окружением. Как видно из диаграммы, непосредст­

венно в ПС поступают природные ресурсы Евх в сыром виде Ерес и в виде ко­ нечных или побочных продуктов, выработанных в других ПС. Пусть некоторый полезный продукт предварительно проходит через N процессов переработки, транспорта в других ПС, каждый из которых характеризуется эксергетическим КПД r\ei. В этом случае эксергия полезного продукта, произведенного в ПреД-

£^ол потоков конечных продуктов и соответствующих потоков £сбр> £?бр> пред­ назначенных для сброса в окружение:

■^ВЫХ --- ^пол + Е п о л -f- £*сбр “Ь £сбр.

В некоторых случаях потребительная стоимость полезных продуктов

определяется не полной их эксергией £пол, ЕэпоЛу а некоторой ее частью, необ­ ходимой для дальнейшего использования. В частности, эксергия, обусловлен­

В результате деятельности этой подсистемы увеличивается объем или номенк­ латура полезных продуктов за счет эксергии используемых вторичных ресурсов

£вт, £ Вт и уменьшается эксергия потоков, сбрасываемых непосредственно в окружение, £ Сбр. Кроме того, в каждом из потоков присутствует транзитная

эксергия £ тр, которую следует также учитывать [39].^Показатель глубины

Вычисление ущерба как оценки воздействия производственной системы на окружающую среду

Один из этапов оптимизации ПС — экологическая оцен­ ка ее функционирования (расчет экономического ущерба), которую следует проводить после оценки термодинамических и технико-экономических возмож­ ностей ПС. Необходимость этого этапа обусловлена требованием органичного размещения ПС в биосфере.

Экологическое воздействие в единицах эксергии имеет совершенно опреде­ ленный физический смысл — работа, которая будет совершена над окружением (последствия). Этот показатель практически не зависит от времени, поскольку изменением (эволюцией) окружения можно пренебречь. В нем вполне обосно­ ванно могут быть просуммированы различные виды воздействия на окружение в одинаковых единицах измерения. Показатель не зависит от факторов восприя­ тия, количества и характера объектов, попадающих в зону воздействия ПС на окружение, численности населения, природных ресурсов этой зоны. В то же время вредность сбрасываемых отходов и материальный ущерб одной только эксергией определить нельзя. Эксергию отходов можно рассматривать лишь как первое приближение в оценке ущерба окружению.

Отличие ущерба от воздействия заключается в том, что он измеряется не в натуральной, а в стоимостной форме. Для его вычисления требуется установить связь между видами воздействия (достаточно многочисленными) ПС на окруже­ ние и его последствиями, выраженными в денежных единицах. Ущерб рассчи­ тывается на основе принятой ныне концепции государственной временной эко­ логической стандартизации окружающей среды (нормативный подход) [161.

В качестве примера, рассматриваемого в рамках этого подхода, вычислим оптимальный эксергетический КПД ПС с учетом использования природных ре­

сурсов [727]. Полагаем, что ущерб Урес наносимый природным ресурсам, про­ порционален потоку эксергии на входе в ПС:

У Г С = сцЕ рсс = щ Е ВХУ

где а; — ущерб, наносимый окружению, отнесенный к единице эксергии при­ родных ресурсов (коэффициент, связывающий воздействие ущербом) руб./Дж. С учетом эксергетического КПД для ПС х\е = Евых/Евх:

У Г = atE w x/i\t .

Считаем, что ущербы в окружении, пропорциональные потокам эксергии на выходе из ПС, описываются формулой

У / = b j E c c p — Сь Е хюлу

где bj — ущерб в окружении отнесенный к эксергии сбрасываемых отходов, руб./Дж; ск — прибыль, отнесенная к эксергии полезных продуктов, руб./Дж.

Затраты, связанные с использованием природных ресурсов,

а оощие затраты на основное производство за год

Здесь Ен — нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитало­ вложений; Коен — капиталовложения на основное оборудование; С0Сн — экс­ плуатационные расходы на основное оборудование; ЗВСп — вспомогательные расходы (считаются постоянными).

Принимаем, что капиталовложения состоят из постоянной части К0 и пере­ менной ДК, от которой зависит эксергетический КПД. Связь между переменной частью и эксергетическим КПД приближенно описывается гиперболой

Эксплуатационные расходы Сосн также состоят из постоянной части С0, составляющей стоимость ремонта, обслуживания и вспомогательных материа­

G учетом уравнений (9.117), (9.119) и (9.120) формула (9.118) принимает вид

Минимизируя общие годовые затраты по эксергетическому КПД rje, получим выражение для расчета его оптимального значения:

Согласно этому выражению его значения с учетом ущерба, наносимого окруже­ нию, больше значения, полученного без учета этих потерь. С помощью такого подхода совершенно определенно фиксируется зависимость ущерба не только от воздействия на окружение, но и от существующих цен на элементы факторов восприятия, находящихся в зоне сброса отходов. В этой связи можно предполо­ жить, что величина ущерба за пределами экономического горизонта (20—25 лет) практически ничего не отражает.

Масштабы вовлечения в производство исчерпаемых природных ресурсов, снижение удельного веса трудозатрат в себестоимости по всему производствен­ ному циклу от добычи сырья до выпуска полезного продукта приводят к необ­ ходимости введения в систему экономических показателей единого энергети­ ческого показателя. Таким показателем может служить эксергия.

Ситуацию, когда научно-технический прогресс приведет к повышению ро­ ли в общественном производстве факторов, не связанных напрямую с затратами общественно необходимого труда (энергозатрат), предсказал еще К. Маркс. «Создание действительного богатства становится менее зависимым от рабочего времени и от количества затраченного труда, чем от мощи тех агентов, которые приводятся в движение в течение рабочего времени и которые... зависят скорее

которой строится система энергетических затрат на выпуск конкретного вида полезного продукта. Этот показатель не подменяет стоимостные показатели, а дополняет их, объективно отражая важную статью расходов — природные ресурсы.

Вычисление ущерба на основе системы энергетических затрат — лишь одн© из многих приложений эксергии. Ущерб, наносимый окружающей среде и ее природным ресурсам, выражается через затраты этих же природных ресурсов и в энергетических единицах полностью определяется уровнем развития техно* логий. Поэтому в прогнозных исследованиях энергетическим оценкам стоит отдать предпочтение перед денежными.

Эксергетические затраты на добычу природных ресурсов и полезных про* дуктов, произведенных в ПС, можно вычислить следующим образом. Затраты

эксергии на производство /-го продукта et выражают кумулятивное потребле­ ние эксергии невозобновляемых природных ресурсов, накапливающееся в пос­ ледовательной цепи производственных процессов от добычи природных ресур­ сов до получения полезного продукта. Эти затраты всегда больше суммарной эксергии конечного продукта, поскольку на всех звеньях имеются потерн эксергии.

Затраты эксергии ei рассчитываются решением системы линейных уравне­ ний, учитывающей общее потребление природных ресурсов и полезных продук­ тов

где fij — отношение объема производства /-го побочного продукта к единице /-го конечного продукта; щ}- — отношение объема потребления /-го побочного продукта на единицу /-го конечного продукта; riik — отношение объема по­ требления 6-го природного ресурса на единицу /-го конечного продукта;

еГс — эксергия 6-го природного ресурса; I — общее количество конечных и\ побочных полезных продуктов [726].

Второе слагаемое левой части уравнений (9.121) представляет собой сум­ марную эксергию побочных продуктов производства /-го конечного продукта, первое слагаемое в правой части — общие затраты эксергии на производство /-го конечного продукта. Коэффициент — выражает потребление конечных и побочных продуктов. Второе слагаемое правой части имеет место только для тех продуктов, при производстве которых непосредственно потребляют­ ся природные ресурсы.

С развитием производства энергетические затраты существенно меняются, поэтому время от времени их следует уточнять. Балансовые уравнения (9.121) можно использовать для решения задач минимизации потребления природных ресурсов с учетом ущерба окружению, при выполнении обязательного объема конечного продукта, ограничений по оборудованию и рабочей силе [436]. Энер­ гетические затраты на некоторые производства в США и методики их вычисле­ ния приведены в [288, 303, 304].

Эксергия в эволюционном моделировании

Некоторые ученые утверждают, что биологическая эво­ люция — это процесс вынужденного развития под влиянием потока эксергии, называемой [134] «свободной энергией». В основе такого энергетического под­ хода к эволюции лежат термодинамическое обоснование энергетические прин­ ципов развития и понимание необходимости существования притока эксергии извне в рассматриваемую систему. Постоянное воздействие потока эксергииг' на систему, ограниченную по веществу и объему, ведет к возникновению собствен­ ного круговорота веществ в системе и потока эксергии из системы.

Предполагаются 1134] два пути биологической эволюции: экстенсивное и интенсивное развитие. Первый связан с захватом эксергии биологической сис­ темой, второй — с эффективностью использования эксергии. Согласно первому, поток эксергии, использованной системой, возрастает, достигая локального максимума, обусловленного конкретными условиями существования системы, согласно второму — биологическая система развивается таким образом, что возрастает потребление эксергии на единицу биологической структуры. В про­ цессе эволюции живые системы совершенствуются и производительность их на единицу структуры (массы, объема и т. п.) становится более высокой. Жизнен­ ные проявления биологических систем (численность объектов, скорость их раз­ вития и воспроизводства) зависят от количества эксергии, поступающей в со­ ответствующую систему, и скорости движения через нее вещества.

В исследованиях [472—474] использовалось понятие эксергии примени­ тельно к планктонным популяциям водорослевой биомассы. Эксергия рассмат­ ривалась как основной показатель, характеризующий степень развития эко­ систем. Особо следует отметить, что понятие экологической емкости (buffering capacity) — одно из важнейших в экологии, также связывается с эксергией 1557],

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

I. Аксельбанд A. Л., Бильдер 3. П., Ясинский А. С. Эксергетический КПД теплообменников «вода — пар» с учетом гидравлических сопротивлений // Изв. вузов. Энергетика.— 1970.— N° 7.— С. 107— 109.

[ 2. Алашкин В. М., Нестеров Б. П ., Коровин Н. В. Оптимизация гидразин-перекисьводо- родной кислородной электрохимической энергоустановки // Электрохимия.— 1978.— 14, N° 4.— С. 637—638.

2а. Анатычук Л. И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства.— Киев Наук, дум­ ка, 1979.— 768 с.

3.Андреев Л. П. Обобщенное уравнение связи КПД энергоиспользующей системы и КПД ее элементов // Изв. вузов. Энергетика.— 1982.— N° 3.— С. 77—82.

4.Андреев Л. П. Оценка термодинамической эффективности теплового хозяйства свеклоса­

ка // Хим. пром-сть.— 1987.— N° 8.— С. 457—459.

8 . Андрющенко А. И. Основы технической термодинамики реальных процессов.— М. : Высш. шк., 1968.— 223 с.

9.Андрющенко А . Л. Термодинамические расчеты оптимальных параметров тепловых элект­ ростанций.— М. : Высш. шк., 1963.— 230 с.

10.Андрющенко А. И. Техническая работоспособность термодинамических систем.— Сара­

тов : Изд-во Саратов, автодорож. ин-та, 1956.— 68 с.

II. Андрющенко А. И., Понятое В. А., Змачинский А. В. Оптимизация тепловых циклов и процессов ТЭС.— М. Высш. шк., 1974.— 280 с.

12.Андрющенко А . И., Понятое В. А., Хлебалин /О. М. Дифференциальные уравнения эн­ тальпии, эксергии и температуры, применяемые для оптимизации теплоэнергетических установок // Изв. вузов. Энергетика.— 1972.— N° 7.— С. 59—66.

13.Андрющенко А. И., Попов А. И. Основы проектирования энерготехнологических устано­ вок электростанций.— М. Высш. шк., 1980.— 240 с.

14.Андрющенко А. И., Хлебалин Ю. М. Применение метода работоспособности для расчета экономически наивыгоднейших начальных параметров пара // Теплоэнергетика.— 1964.—

N° 5.— С. 71—74.

15. Бадылькес И. С. Свойства холодильных агентов.— М. : Пищ. пром-сть, 1974.— 176 с.

16.Балацкий О. Ф., Мельник Л. Г.. Яковлев А. Ф. Экономика и качество окружающей при­ родной среды.— Л. : Гидрометеоиздат, 1984.— 182 с.