Реферат: Энергия: проблема качества

"Наука и Жизнь" 1982 №3

Наука на марше


ЭНЕРГИЯ: ПРОБЛЕМА КАЧЕСТВА


Выполнение планов, намеченных XXYI съездом партии по скорейшему переводу

народного хозяйства страны на интенсивный путь развития, в значительной мере связано с экономным расходованием энергетических и материальных ресурсов. Чтобы эффективно решать эту важнейшую задачу, необходимо учитывать и качество энергии, помнить, что не всякая энергия в одинаковой степени работоспособна. Без этого во многих случаях невозможно правильно оценить расходы энергии, экономичность технологических процессов, связанных с ее преобразованиями.

Осуществить на всех уровнях хозяйствования систему мероприятий, направленных на более полное использование всех видов ресурсов - труда, энергии, сырья и материалов, оборудования и производственных мощностей, сокращение различных потерь и отходов, ликвидацию непроизводительных расходов. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года.


О том, как определяют качество энергии, какую роль оно играет при анализе различных производств, рассказывает профессор Московского энергетического института Виктор Михайлович Бродянский.


Доктор технических наук В. БРОДЯНСКИЙ.


^ ЧУДЕСА С ЭНЕРГИЕЙ

Лет двадцать назад в Москве, во 2-м Бабьегородском переулке, произошло «чудо». Оно наделало много шума: о нем писали в газетах и журналах, обсуждали даже на заседании Президиума Академии наук СССР. Начало было вполне прозаическое. Заводу «Сантехника», расположенному в этом переулке, поручили производство полупроводниковых кондиционеров для жилых помещений. В жаркую погоду он отводит тепло из помещения и отдает его наружному воздуху; в холодную - подводит тепло в помещение. Такой трансформатор тепла (тепловой насос) давно известен. Единственная особенность кондиционера завода «Сантехника» заключалась в том, что вместо механического устройства с компрессором и циркулирующим рабочим телом, как в домашних холодильниках, в нем применили полупроводники. Использовался эффект Пельтье, который возникает, если пропускать постоянный ток через два спаянных полупроводника различного состава: в месте спая тепло выделяется, а на других концах полупроводников оно поглощается или, наоборот, в зависимости от направления тока. Если теплый конец такой пары омывать потоком воздуха, то он будет нагреваться; другой конец, соответственно, можно использовать для охлаждения второго потока воздуха.

Полупроводниковый кондиционер, хотя и потребляет больше электроэнергии, чем компрессионный, надежнее, так как не имеет движущихся частей. При испытаниях кондиционер работал нормально. Чудеса начались, когда заводские инженеры подсчитали его коэффициент полезного действия (кпд). Он оказался около 200%! Количество тепла, отводимого в помещение от кондиционера, было намного больше количества электроэнергии, затрачиваемой на питание установки. Откуда же взялась лишняя энергия? Это стало понятно, когда учли тепло, забираемое холодными спаями от наружного воздуха. Чудо было в другом. Ведь это тепло в отличие от электроэнергии ничего не стоило - оно отбиралось у окружающей среды. Казалось, что удалось создать установку, кпд которой больше 100%. Этот результат, полученный «грубо, зримо», вызвал у некоторых радужные надежды. Если энергию, рассеянную в окружающей среде, концентрировать и использовать для обогрева жилища или других потребностей, то можно обойтись не только без органического топлива (угля, нефти, газа), но и

атомного, а затем и термоядерного. Ведь запас энергии в окружающей среде практически неисчерпаем. Почему же никакого переворота в энергетике так и не произошло? Прежде чем ответить на этот вопрос, разберем простую задачку (на уровне школьного курса физики), помещенную в одном из научно-популярных журналов. «Чтобы принять ванну, нужно нагреть примерно 100 л воды до 25 - 30' С, на что расходуется около 3000 ккал. На какую высоту можно было бы поднять человека, используя такое количество тепла? Ответ: около 17 км». Проверим. Для этого переведем килокалории в единицы работы - килограммометры. Получим 1281000 кгм (3000 X 427). Затратив такую работу, человека массою, например, 75 кг можно поднять на высоту 17 км (1281000:75). Итак, вроде бы все верно. Однако, как будет показано дальше, поднять человека удалось бы в лучшем случае примерно на 0,5 км. Ошибка более чем в 30 раз!

В чем же дело? Опять «чудо»? Только в Бабьегородском переулке полезная энергия высасывалась из воздуха, а здесь, напротив, она куда-то исчезает, рассасывается в воздухе. Чудес, конечно, никаких нет. В обоих случаях расчеты формально сделаны правильно. Ошибка в другом. Она вызвана тем, что манипулировали лишь количествами энергии, не учитывая ее качество. Заметим, что игнорирование качественной стороны энергии приводит зачастую и к более серьезным последствиям (о некоторых из них речь пойдет дальше), вплоть до попыток создания вечного двигателя второго рода, который извлекает тепло из окружающей среды и превращает его в работу.


^ МЕРА КАЧЕСТВА


Когда речь идет, скажем, об обуви, автомобиле, хлебе, стали, тракторе, лыжах, кирпиче, то, несмотря на разнохарактерность всех этих материалов и изделий, их качество определяют, исходя из одного общего принципа: насколько свойства продукции соответствуют ее назначению, то есть требованиям потребителя. А как обстоит дело в случае с энергией, с ее различными формами - химической, механической, электрической, теплом? Применимо ли к ним такое же определение





качества? Ответ зависит от того, сможем ли мы для всех видов энергии указать один-единственный критерий, определяющий их пригодность в соответствии с назначением. Получение нужной потребителю энергии связано, как правило, с цепочкой процессов взаимных превращений разных видов энергии. Самый характерный пример - выработка электроэнергии на тепловой электростанции. Сначала химическая энергия топлива превращается в тепло, переходящее во внутреннюю энергию пара, которая затем трансформируется в механическую энергию, а последняя - в электрическую; в дальнейшем электроэнергия преобразуется уже в те формы, которые непосредственно нужны потребителям. В любых цепочках превращения энергии, составляющих основу энергетических и технологических процессов, только два вида энергии - механическая и электрическая - полностью взаимопревратимы и полностью могут переходить в любые другие виды энергии. Иначе говоря, электрическая и механическая энергии имеют стопроцентную работоспособность. Другие виды энергии, и прежде всего тепло, такой работоспособностью не отличаются. Например, тепло нельзя превратить в электричество полностью (а электричество в тепло - можно). Стопроцентная работоспособность электрической и механической энергии - следствие их высокой упорядоченности. Тепло же представляет собой неупорядоченную форму передачи внутренней энергии: хаотическое движение атомов и молекул нагретого тела. Поэтому при превращении ее, например, в электрическую энергию, часть тепла расходуется на упорядочение движения. Сколько тепла при превращении будет потеряно? Ответ неоднозначен. Это зависит от конкретных условий окружающей среды, в которых совершается переход, и от характеристик самой энергии или вещества-энергоносителя. Ясно, что общим критерием качества для всех форм энергии может служить степень их превратимости в заданных условиях в нужный вид энергии, то есть работоспособность.

Эта величина измеряется максимальным количеством механической или электрической энергии, в которые можно перевести данный вид энергии. Поясним это примерами. Так, одна калория тепла, отдаваемая, скажем, горячей водой, прн 80' С менее работоспособна, ниже по качеству, чем калория, отдаваемая на уровне 500' С жидкой серой, или тем более при 1400' С расплавленной сталью. Аналогично сжатый воздух с давлением, в 500 раз превышающим атмосферное, может произвести при расширении значительно большую работу, чем то же количество воздуха при давлении, например, в 50 атм. В первом случае работоспособность определяется температурой, во втором - давлением. Однако, чтобы определить работоспособность энергии любого вида и различных энергоносителей, одних этих характеристик еще недостаточно. В каждом случае надо учитывать также параметры окружающей среды, в которой используется энергия. Вернемся к нашим примерам. Если температура окружающей среды, скажем, 20'С, то иерархия ценностей не нарушится: единица тепла при 1400' С будет работоспособнее, чем при 500' С, и тем более, чем при 80' С. А теперь мысленно перенесемся на поверхность Венеры, где температура атмосферы около 500'С. Там калория тепла при 500С вообще потеряет ценность она в этих условиях «мертва»: никакой работы дать не сможет - кругом те же 500'С. Ценность калории при 1500'С останется, но сильно уменьшится: если кругом 500'С, то 1500'С - это уже не так горячо, как при 20'С. А





вот тепло при 80'С не только не потеряет здесь ценности, а станет еще работоспособнее, но уже не как тепло, а как холод. Для жителя Венеры (если бы он там был) горячая вода при 80'С могла бы сыграть ту же роль, что лед летним днем для человека в Каракумах. Ибо, чтобы получить в среде 500' С температуру 80'С, нужно затратить примерно столько же работы, как для получения льда при жаре 50' С. То же самое будет и с давлением. Если давление окружающей среды равно не 1 атм, а 100, как на Венере, то газ из баллона, где такое же давление, вытекать не будет и никакой механической работы произвести не сможет; его работоспособность будет равна нулю. Он энергетически мертв. Чтобы произвести работу, он должен иметь либо большее, либо меньшее давление. В первом случае он произведет работу, выходя из баллона, а во втором - даст возможность работать окружающей атмосфере, если впускать в него газ извне. На Земле вакуум имеет значительную энергетическую ценность, определяемую затратой работы на откачку воздуха в атмосферу, в то время как в космосе, где кругом вакуум, расходовать энергию на его создание не нужно: в любом открытом сосуде он установится сам. Зато сжатый газ, например, воздух даже при атмосферном давлении, имеет в космосе колоссальную работоспособность, хотя на Земле его энергетическая ценность равна нулю. Работоспособность вещества-энергоносителя определяется не только различием с окружающей средой в температуре или давлении. Не менее важна и разница в химическом составе. Прекрасное топливо метан (природный газ) имеет большую работоспособность в среде воздуха и еще большую - в среде кислорода; но поместим метан в метановую атмосферу - и его работоспособность исчезнет. Наоборот - в метановой атмосфере, где-нибудь на Юпитере, воздух был бы прекрасным топливом. Таким образом, работоспособность, качество энергии (или энергоносителя) определяется как состоянием их самих - температурой, давлением, составом, так и состоянием окружающей среды. Изучением понятия «работоспособность», то есть максимальной работы в заданных условиях среды, термодинамика - наука об энергетических превращениях - начала заниматься в 70-е годы прошлого века. Долгое время в разных странах для этого понятия существовали свои термины: например, «пригодность», «утилизируемая энергия», «техническая работоспособность». В 1956 году югославский ученый-теплотехник 3. Рант предложил ввести единый термин - эксергия (от греческих слов «экс» - внешний и «эргон» - работа, энергия). Сейчас он получил всеобщее признание и используется как международный. В современной термодинамике разработаны числовые и графические методы, позволяющие определять эксергию любого вида энергии в любых условиях. Весьма просто подсчитывается эксергия тепла. Для этого нужно знать только две температуры: источника тепла и окружающей среды. Тогда эксергию единицы тепла, например, 1кВт-ч, находят как отношение разности этих температур к температуре источника тепла. Так, если тепло от продуктов сгорания с температурой 1500' С, или по абсолютной шкале в кельвинах 1500 + 273 = 1773К, отводится при температуре окружающей среды 20'С (293К), то 1773 - 293 / 1773




С помощью энергии, отведенной от нагретой воды в виде тепла Q, можно, казалось бы, поднять человека на 17 нм. Фактически при ЗО'С работоспособность (энсергия Eq) этого тепла в 30 раз меньше. И поднять человека удастся только на 564 м.получим 1 кВт-ч 0,83 кВт-ч (как подсчитывают эксергию других видов энергии, объяснено в книге: В. М. Бродянский. Эксергетический метод термодинамического анализа. М. 1973 г.). Подчеркнем еще раз, что чем больше отличаются параметры среды и энергоносителя, тем его работоспособность, эксергия больше, и наоборот. Если в предельном случае такой разницы нет, то эксергия равна нулю: получить полезный эффект, работу, невозможно, как бы много энергии ни было. Уместно здесь вспомнить высказывание Гегеля: «Нечто есть благодаря своему качеству то, что оно есть и, теряя свое качество, оно перестает быть тем, что оно есть». Во всех энергетических превращениях, происходящих в технике, живой и неживой природе, эксергия, как и энергия, не может возрастать, возникая из ничего. Она может либо сохраниться в случае идеальных энергетических превращений и при этом менять только форму, либо уменьшаться в реальных процессах, частично или полностью исчезая, если энергия рассеивается бесполезно в окружающей среде. Процесс преобразования энергии тем лучше, чем меньше исчезает эксергии. Отсюда прямо следует и понятие эксергетической эффективности процесса. Она определяется отношением полученной, полезно использованной эксергии (Е") к затраченной (В' ). Эту величину, которая всегда меньше единицы (или меньше 100%), называют эксергетическим кпд Е"'= Е В этой дроби числитель и знаменатель выражены в единицах работы, и, таким образом, исключаются ошибки, связанные со сравнением качественно различных видов энергии. Зная величины эксергии, которые система получила перед превращением и отдала в результате преобразования, легко определить и их разность - абсолютную величину эксергетических потерь (D).


^ «ЧУДЕСА» ИСЧЕЗАЮТ


Какую же полезную для техники информацию может дать анализ энергетических превращений с учетом эксергии. Обратимся еще раз к примерам, которые приведены в начале статьи. Предположим, что кондиционер поддерживает в помещении температуру 20'С (293К), когда снаружи 5' С (278К). Для этого температура его теплых спаев должна быть около 40' С (313К). Будем исходить из того, что он отдает на нагрев помещения, скажем, 360 Вт при затрате 200 Вт электроэнергии. Остальные 160 Вт отбираются из окружающей среды (если подсчитать кпд, как это делалось на заводе «Сантехника», то он будет 360: 200 = 1,8, то есть 180%). А теперь определим для этого же кондиционера эксергетический кпд. Чтобы рассчитать его, надо знать величины эксергии, полученной и затраченной. Коэффициент работоспособности тепла, отдаваемого в помещении, будет 313 - 278 / 313 =0.11 Следовательно, эксергим 360 Вт тепла составит 360 х 0,11 = 40 Вт. Поскольку затрачено было 200 Вт эксергии (напомним, что электроэнергия - это стопроцентная эксергия), то кпд окажется равным 40: 200 = 0,2, или 20%. О чем это говорит? Прежде всего, о том, что для работы кондиционера в идеальных условиях, то есть без всяких внутренних потерь, хватило бы всего 40 Вт электроэнергии. Другими словами, вся подведенная электроэнергия в этом случае превратилась бы без потерь в эксергию тепла. В реальном же случае пришлось подвести больше - 200 Вт, так как 160 Вт обесценились в самой установке. Эти 160 Вт и есть тот резерв, за счет которого в принципе можно ее совершенствовать, стремясь в пределе к максимально достижимому кпд - 100%. Такая установка, расходующая 40 Вт электроэнергии, могла бы извлечь из окружающей среды уже не 160 Вт, а 320 Вт. Оценка по тепловому балансу (кпд 180%) ничего этого не показывает. Более того, создается не только иллюзия исключительной эффективности кондиционера, но и логически подкрепляется тезис о возможности чудес - концентрирования энергии, взятой из окружающей среды. В действительности ни о каком концентрировании речи и быть не может. Напротив, электроэнергия, затраченная на обогрев, была в кондиционере «разбавлена» неработоспособной энергией, взятой из окружающей среды. И в результате в общем потоке тепла, поступающего в помещение, слились воедино 160 Вт тепла из окружающей среды, еще 160 Вт из обесцененной электроэнергии и 40 Вт эксергии. Образно говоря, получился тепловой коктейль, крепость которого определяется долей содержащейся в нем эксергии. «Тепловой коктейль» для целей отопления вполне подходит - его качество соответствует требованию потребителя. Однако при этом существенно, чтобы разбавление, по возможности, шло за счет тепла окружающей среды, а не в результате обесценивания электроэнергии. В приведенном примере предел такого разбавления определяется минимумом расхода электроэнергии в 40 Вт (кпд 100%). Заметим, что даже при кпд 20% кондиционер экономичнее, чем непосредственное электрическое отопление, которое потребовало бы в этом случае всех 360 Вт, то есть почти в 2 раза больше электроэнергии. Причина ошибочности результата, полученного во втором примере - при определении, на какую высоту удастся поднять человека, та же: не учитывалось качество тепла, которое использовалось для этой цели. А оно очень невысокое при 30' С (303К). Коэффициент работоспособности такого тепла, если принять температуру окружающей 303 - 293 / 303 среды 20' С (293К), составит всего = 0,033. Таким образом, работоспособность 3000 ккал, затраченных на нагрев воды, будет фактически лишь 99 ккал. Следовательно, высота подъема на самом деле не может быть больше 564 м. Напомним - вместо 17 км, полученных без учета эксергии тепла. Анализ энергетических превращений становится особенно




наглядным, когда его результаты представлены в виде диаграмм потоков энергии и эксергии (для двух рассмотренных примеров диаграммы показаны на стр. 92 и 93). Эти два примера убедительно показывают, какие «чудеса» можно сотворить, если пренебрегать качеством энергии, не учитывать, что работать может только эксергия, а не энергия «вообще».


^ ПРОСВЕЧИВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ


Во всех процессах технической деятельности человека, начиная от добычи сырья и топлива и кончая использованием продуктов, идет непрерывная цепь энергетических превращений. Как бы они ни протекали, в итоге, в силу закона сохранения, неизбежно природе отдается ровно столько энергии, сколько ее забирают, но уже в другой, «переработанной» форме. Задача технического прогресса состоит, в частности, в том, чтобы прежде, чем отдать окружающей среде эту энергию, из нее нужно забрать, высосать всю содержащуюся в ней эксергию и использовать ее с наибольшей эффективностью, а следовательно, и с минимальными потерями. Безвозвратно ушли те времена, когда человек мог смотреть на природу как на неисчерпаемый склад, откуда дозволено брать все, что нужно, и в то же время как на огромную свалку, на которую можно выбрасывать все, что не нужно. Чем совершеннее технические процессы преобразования энергии, то есть чем лучше используется в них эксергия, тем меньше человечество будет и забирать у природы и выбрасывать на свалку. Чтобы достичь этого, необходимо прежде всего иметь четкое представление об энергетических превращениях в любой технической системе, ее частях, а также о внешних потоках вещества и энергии. Сделать своего рода рентгеновский снимок таких превращений, «просветить» их, позволяет эксергетический анализ. Подобный снимок должен показать все потери эксергии, разложив их по полочкам, с адресами мест, где они происходят, и установить для каждой ее причину. Как уже отмечалось, это целесообразно делать в виде эксергетической диаграммы. Потоки эксергии здесь представлены полосами, ширина которых показывает в определенном масштабе ее значение в каждом сечении. При этом и каждый этап процесса можно делить на любое нужное число элементов и изучать распределение в них потерь энергии. Значение рассмотренного метода анализа проиллюстрируем на примере работы такого важного для народного хозяйства объекта, как конденсационная тепловая электростанция (КЭС). Воспользуемся для этого диаграммой потоков энергии и эксергии (см. рис. на 2 - 3-й стр. цветной вкладки). Прежде всего отметим, что эксергия органического топлива близка к его теплотворной способности. Поэтому ups оценочных расчетах цепочек энергетических превращений, начинающихся со сжигания топлива, можно непосредственно использовать эту величину. По энергетической диаграмме получается, что основная потеря - это тепло, отдаваемое окружающей среде в конденсаторе; она составляет почти половину всего количества тепла, получаемого от сжигания топлива. Остальные потери - в котле, турбине и электрогенераторе - сравнительно не. велики. Из этого, естественно, следует вы вод, что «враг # !» - конденсатор. Поэтому нужно искать пути, как ликвидировать или хотя бы сократить громадные потери, связанные с выбросом тепла через конденсатор. Однако эксергетическая диаграмма показывает совсем другое. Потери эксергии, относящиеся к конденсатору, малы: около 3% . Это и понятно. Тепло из конденсатора отводится при температуре, близкой к температуре окружающей среды; поэтому эксергия такого тепла, определяющая его качество - работоспособность, очень мала. Зато потери эксергии при высокой температуре в котле колоссальны. А тепловой кпд, не учитывающий качества энергии, маскирует это важное обстоятельство. Из диаграммы потоков энергии получается, что «тепла вообще»' теряется всего 16% и кпд котла весьма высок - более 80%. Из эксергетической диаграммы следует совсем иное. Потери эксергии тепла в котле составляют болъше 50%, и, следовательно, его кпд ненамного выше 45%. Это определяется тем, что часть эксергии теряется в самом химическом процессе горения, и, кроме того, большые потери возникают в парогенераторе при передаче тепла от горячих продуктов сгорания к воде и пару, температура которых значительно ниже. Итак, главный «пожиратель» эксергиик отел. Традиционный путь снижения потерь в котле - повышение параметров пара: чем ближе его конечная температура к температуре продуктов сгорания, тем меньше потери эксергии. Однако на этом пути сделано уже почти все возможное. Предел здесь главным образом зависит от свойств конструкционных материалов. Аналогичная диаграмма для котельной, которая дает пар с температурой 120С, греющий воду для отопления, тоже изображена на цветной вкладке. Диаграмма показывает, что отопление теплом, полученным в котельной, неэкономично. Все потери, о которых говорилось, происходят внутри системы; это внутренние потери. Любое их снижение дает соответствующую экономию природных ресурсов. Однако задача повышения эффективности техники не ограничивается борьбой за снижение внутренних потерь. Всегда есть еще и внешние потери с выходящими потоками эксергии. В случае тепловой электростанции - это потери с теплом, отводимым из конденсатора, дымовыми газами и твердыми продуктами сгорания (золой). Каждая из таких потерь эксергии сравнительно невелика, но если учесть масштабы производства электроэнергии, то получится огромная цифра. Снижение этих ssemasz потерь, выбросов энергии, так же, как и внутренних, позволит меньше брать со «склада природы». Существенно уменьшить внешние потери усовершенствованиями внутри самой технической системы часто бывает трудно, а иногда и невозможно в силу особенностей технологии. Например, атомная электростанция не может работать, не сбрасывая часть тепла в окружающую среду; доменная печь - не сливая шлаков, и т. д. Масштабы современного производства, которое вовлекает все большие и большие количества материалов и энергии, настоятельно требуют максимального использования вторичных ресурсов. Без этого экономика не может стать экономной. Вторичные ресурсы по своим параметрам (температура, давление, химический состав) невероятно разнообразны - горячие дымовые газы и теплая вода, металлургические шлаки и отработанный пар, отходы химических производств и т. д. и т. п. Только определив эксергию таких ресурсов, можно правильно оценить их полезность и принять верное решение о рациональном использовании. Здесь очень важна и другая сторона этой проблемы: охрана окружающей среды. Очевидно, что, чем меньше эксергия выбросов, тем меньше тепловое и химическое загрязнение среды, тем легче природе «переварить» отходы и тем ниже затраты на ее восстановление. В идеале в окружающую среду должны выбрасываться потоки энергии и вещества с эксергией, близкой к нулю. Работы в этом направлении ведутся уже давно; но только в последние годы создание таких безотходных производств или технологических комплексов стало неотложной задачей. И здесь решающую роль должен сыграть учет и анализ вторичных эксергетических ресурсов.


^ КАК СУММИРОВАТЬ ПРОДУКТЫ И РАЗДЕЛЯТЬ ЗАТРАТЫ ?


Для технико-экономической оценки любого энергетического или химического производства необходимо, конечно, знать прежде всего такие его показатели, как расход энергии, материалов и денежных средств на единицу выпускаемой продукции, то есть величины удельных затрат. Когда выпускается один-единственный вид продукции, задача эта решается просто. Если, например, электростанция вырабатывает только электроэнергию, то, разделив затраты топлива на количество полученной энергии, определим удельные затраты в кг/кВт-ч, коп/кВт-ч и т. д. Так же будет и для завода, выпускающего, например, кислород (кВт-ч/м~ руб/м~). Однако в случае комплексного производства, когда одновременно выпускается несколько продуктов или даже один, но двух или трех сортов, задача усложняется. Как подойти к оценке продукции ТЭЦ электростанции, отпускающей потребителям электроэнергию, пар и горячую воду,? Или цеха разделения воздуха, одновременно выдающего кислород нескольких сортов, азот и инертные газы ? Как здесь найти обобщенную единицу конечного продукта, без чего нельзя определить различные удельные затраты ?

Складывать для этого в случае ТЭЦ количества тепла и электрической энергии, выраженные, например, в калориях или киловатт-часах, то есть тепловые эквиваленты, а для цеха разделения воздуха кубометры полученных газовА Это грубейшая ошибка. При таком подходе качественно совершенно различные величины рассматриваются как равноценные. Это то же самое, что суммировать, например, 20 коз и 30 коров, получая в итоге 50 голов рогатого скота. Ведь 1 кВт-ч электрической энергии - совсем не то, что 1 кВт-ч тепла; 1 м' кислорода, которого в воздухе около 21%, совсем не то, что 1 м~ криптона, концентрация которого в воздухе в 200 тысяч раз меньше. Выход из этой трудной ситуации дает эксергетический анализ. Он позволяет однозначно характеризовать каждый продукт независимо от его вида и сопоставлять его с электроэнергией. Эксергия воды, пара, кислорода или азота показывает их качество, энергетическую ценность, то есть ту минимальную работу, которую нужно затратить, чтобы получить каждый из них. Найдя по соответствующим таблицам, что эксергия кислорода при атмосферном давлении и температуре 20'С равна 170,6 кДж/м', азота - 27,2, криптона - 1481 и ксенона - 1765 кДж/м~, легко уже сделать нужный расчет.

Общая производительность установки, дающей в час, например, 12 500 м~ кислорода, 500 - азота, 20- криптона и 3 м' ксенона, составит: 12 500 Х 170,6 + 500 Х 27,2 + 20 Х 1481+ 3 Х 1765 = 2181015 кДж/час = 606 кВт. Это и есть тот самый конечный полезный эффект, к которому нужно относить все затраты, чтобы получить их удельные значения. Любое производство связано с двумя видами денежных затрат: энергетическими на энергию и энергоносители, поступающие в установки, и неэнергетическими - на оборудование, материалы, обслуживание, ремонт и т. д. Эти затраты в конечном счете определяют себестоимость продукции. Если получается один продукт, то все расходы относят на него. А как быть, «orда производство комплексное (что наиболее характерно для современной технологии)1 Здесь, чтобы определить себестоимость продуктов, надо распределить затраты между ними. Чаще всего эту задачу применительно к энергетическим затратам решают каким-либо «волевым» способом, исходя из более или менее логичных соображений. Распределяют либо пропорционально массе (объему) получаемых продуктов, либо для энергетической продукции по ее тепловому эквиваленту.. В этих случаях, как и при суммировании, качественные особенности продуктов игнорируются (опять коза приравнивается корове). Иногда какой-нибудь из продуктов объявляется главным или более важным, скажем, кислород при разделении воздуха, а остальные - побочными. В таком случае стоимость побочных продуктов (по ценам реализации) вычитают rrs общих затрат, а оставшиеся затраты относят на основной продукт. Если побочный продукт дефицитен, то он реализуется по высокой цене. В результате основной продукт, по затратам на котОрый судят об эффективности производства, о называется очень дешевым. Может получиться даже так, что выручка за побочный продукт будет больше, чем 94 все затраты на комплексное производство.

Тогда основной продукт ничего не будет стоить, более того, даже иметь отрицательную себестоимость. Такые экономические фокусы могут привести (и иногда приводят) к тому, что худшее предприятие, но выпускающее дорогостоящий побочный продукт и работающее по ряду объективных показателей плохо, окажется в передовых, а лучшее, у которого все налажено образцово, но без выпуска именно этого побочного продукта, попадает в отстающие. Кроме того, непомерыо высокие цены на побочные продукты, не соответствующие затратам общественно необходимого труда, могут задержать развитие новых направлений техники. Например, установленная таким путем высокая цена на криптон и ксенон сдерживает массовый выпуск экономычных электроламп. Другой пример. На ТЭЦ, вырабатывающей одновременно электроэнергию и горячую воду для теплоснабжения, при распределении затрат по «тепловому эквиваленту» 1 кВт-ч электроэнергии приравнивается 1 кВт-ч тепла, отдаваемому горячей водой, а ведь эксергия его раза в четыре ниже (см. 2 - 3-ю стр. цветной вкладки). В результате такой уравниловки удельный расход топлива на электроэнергию оказывается заниженным, а на тепло завышенным. Соответствующее соотношение в тарифах стимулирует потребителя расходовать для целей нагрева в большей степени электроэнергию, чем тепло, хотя очевидно, что для народного хозяйства выгоднее делать как раз наоборот.

Расчеты на основе эксергии исключают такие неверные оценки и связанный с ними ущерб для экономики. Эксергетический анализ позволяет также проследить изменение стоимостных показателей вдоль всей технологической цепочки. Таким путем можно получить данные для объективной оценки всех промежуточных продуктов на всех стадиях комплексного производства. При продвижении по технологической цепочке, от начала к ее концу, единица эксер гни становится дороже. Эта закономерность объясняется просто. Затраты, отиосящиеся к перерабатываемому продукту, а следовательно, и к его эксергии, все время растут. К первоначальным затратам на входе добавляются в каждом звене неэнергетические затраты: иа оборудование, обслуживание, ремонт и т. д. Напротив, эксергия постепенно уменьшается, так как сколь совершенным ни был бы процесс, потери эксергии в нем неизбежны. Поясним примером. Пусть технологическая цепочка состоит из трех последовательных звеньев и за час производит 2000 кг продукции с удельной эксергией 0,5 кВт-ч/кг, то есть 1000 кВт-ч. На входе в первое звено общие затраты на каждые 100 кВт-ч эксергии составляют, например, 10 рублей. В этом звене на каждые 100 кВт-ч теряется, предположим, 20 кВт-ч эксергии, следовательно, 1 кВт-ч оставшейся будет стоить 10:80 = 0,125 рубля. Во втором звене теряется еще, скажем, 30 кВт-ч, а дополнительные затраты здесь - 3 рубля. Тогда на выходе из второго звена стоимость каждого киловатт-часа эксергии оставшихся 50 кВт-ч составит (10 + 3): 50 = 0,385 рубля. Наконец, в третьем звене, где потери равны 15 кВт-ч, а затраты составляют 5 рублей, стоимость 1 кВт-ч эксергии вырастет до (10 -13 -15): 35 = 0,51 рубля. Таким образом, себестоимость выпускаемой продукции составит 1000/0,51= 510 рублей, или 2,55 рубля за 1 кг. Имея всю эту информацию, можно объективно оценить не только конечный продукт, но и тот, который отводится «по дороге». Становится ясно, что способствует его удорожанию, а что - удешевлению. Если в конце процесса получается несколько продуктов, то их себестоимость пропорциональна уносимой ими эксергии. Произвольное разделение на главные и побочные продукты при этом исчезает; единица продукта стоит тем больше, чем дороже в нем эксергия. Оценка приобретает объективный характер и отражает действительные издержки производства. Это стимулирует развитие комплексных производств, способствует рациональному планированию и в конечном счете экономии общественно необходимого труда. Важно отметить, что анализ стоимости эксергии дает еще одну полезную информацию. Она имеет существенное значение для тех, кто занимается повышением эффективности технологических процессов и их усовершенствованием. С чисто физических позиций эксергия универсалъна: 1 кВт-ч ее всегда может произвести в принципе 1 кВт-ч работы. С этих позиций, казалось бы, нужно одинаково бороться с потерями, возникающими в любой части технического устройства. Однако с экономических позиций это не так. Выиграть 1 кВт-ч эксергии в конце процесса, где он стоит, скажем, 5 рублей, важнее, чем уничтожить такой же 1 кВт-ч потерь где-нибудь в начале, где ему цена, например, 50 копеек. Это означает, что при прочих равных условиях более целесообразно совершенствовать заключительные этапы процессов, не пренебрегая, естественно, и другими.


Прогресс народно го хозяйства страны во многом зависит от рачительного расходования энергетических ресурсов, рационального использования их резервов. И чем ускореннее будет совершаться переход от экстенсивных промышленных технологий к интенсивным, тем острее будет проблема экономии энергии. Чтобы решать ее во всей полноте, необходимо обязательно учитывать качество энергии. Первые успешные ыопытки в этом направлении уже делаются на ряде предприятий страны.


ЛИТЕРАТУРА


БРОДЯНСКИЙ В. М

Эксергетический метод термодинамического анализа. «Энергия», М., 1973 г.

КИРИЛЛИН В. А. СЫЧЕВ В. В., ШЕИДЛИН А. Е. Техническая термодинамика.

«Эксергия», М., 1979 г.

СТЫРИКОВИЧ М. А., ШПИЛЬРАИН Э. Э. Энергетика - проблемы и перспективы. «Экергия», М.. 1981 г.

ШАРГУТ Я.. ПЕТЕЛА Р. Эксергия (перевод с польского). «Эксергия». М., 1968 г. 9S