Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp phân tích exergy để đánh giá hiệu quả của các hệ thống nhiệt – lạnh

Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu là hiệu suất nhiệt, hay là những đại lượng nào khác nữa, làm thế nào để tự động hóa tính toán và quản lý vận hành các hệ thống nhiệt lạnh một cách khoa h

MỤC LỤC

1.1 Các phương pháp phân tích chất lượng và đánh giá hiệu quả các

quá trình năng lượng 3

1.2 Những bất cập của bài toán phân tích chất lượng và đánh giá hiệu quả các hệ thống và quá trình biến đổi năng lượng 4

1.3 Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật 6

2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 10

2.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 10

2.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 12

2.2 Xác định đề tài luận án 13

2.2.1 Xác định đề tài nghiên cứu 13

2.2.2 Đối tượng nghiên cứu 13

2.2.3 Mục đích nghiên cứu 13

2.2.4 Nội dung nghiên cứu 13

2.2.5 Phạm vi nghiên cứu 14

3.1 Các dạng năng lượng và khả năng biến đổi của nó trong các quá trình năng lượng 15

3.1.1 Các dạng năng lượng 15

3.1.2 Khả năng biến đổi của năng lượng 16

3.2 Cân bằng số lượng năng lượng 18

3.3 Hiệu quả biến đổi năng lượng 21

3.4 Sự xuống cấp của năng lượng trong quá trình truyền và biến đổi 22

4.1 Sơ lược lịch sử phát triển của phương pháp exergy 26

4.2 Exergy và các dạng biểu hiện của nó trong các quá trình truyền và biến đổi năng lượng 28

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

CHƯƠNG 1 – HÀM MỤC TIÊU CỦA BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KINH TẾ - KỸ THUẬT 3

CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 10

CHƯƠNG 3 – NĂNG LƯỢNG VÀ KHẢ NĂNG BIẾN ĐỔI CỦA NĂNG LƯỢNG 15

CHƯƠNG 4 – LÝ THUYẾT VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP EXERGY 26

4.2.1 Exergy của hệ kín 28

4.2.2 Exergy của hệ thống hở 28

4.2.3 Exergy của môi chất 29

4.2.4 Exergy của nhiệt 31

4.3 Cân bằng exergy – cân bằng tổng hợp số lượng và chất lượng năng lượng 34

4.3.1 Cân bằng exergy 34

4.3.2 Hiệu suất exergy 39

4.3.3 Biểu diễn cân bằng exergy 39

4.4 Nhận xét chung về lý thuyết và phương pháp exergy 42

4.4.1 Khái niệm, thuật ngữ và ký hiệu 42

4.4.2 Ứng dụng phương pháp exergy 44

5.1 Một số quá trình biến đổi exergy thành nhiệt năng 45

5.1.1 Gia nhiệt bằng cơ năng và điện năng 45

5.1.2 Gia nhiệt và làm lạnh bằng nhiệt năng 49

5.2 Phân tích exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén 53

5.2.1 Phân tích năng lượng và exergy 55

5.2.2 Kết quả và thảo luận 58

5.3 Nhận xét chung chương 5 70

CHƯƠNG 5 – NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP EXERGY 45

CHƯƠNG 6 – KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo: GS.TS Phạm Văn Tùy

Để hoàn thành luận văn này, tôi đã sử dụng những tài liệu được ghi trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tại liệu tham khảo nào khác mà không được ghi Tôi xin cam đoan không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người khác

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định

Hà nội, ngày 13 tháng 06 năm 2014

Nguyễn Toàn Quyền

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Công biến đổi tinh, công suất biến đổi tinh Ew, Ew kW

Giá 1 đơn vị exergy nhận từ hệ thống Cn VNĐ/kW

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 5-1 Nghiên cứu so sánh năng lượng- exergy thiết bị gia nhiệt bằng cơ

Bảng 5-8 So sánh hiệu quả sưởi ấm của sưởi ấm bằng bơm nhiệt và trực

Bảng 5-9 Đặc tính năng lượng và exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén với

Bảng 5-10 Đặc tính năng lượng và exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 3-2 Sơ đồ bảo toàn chất lượng năng lượng trong các quá trình không

Hình 5-2 Hàm e=f(T1, T2), Ta=100C của thiết bị hình 5-1(a) 46

Hình 5-7 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tới hiệu quả bơm nhiệt =f(tk) 68 Hình 5-8 Ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi tới hiệu quả bơm nhiệt =f(t0) 70

MỞ ĐẦU

Như ta đã biết, theo quan điểm về khả năng biến đổi lý tưởng của năng lượng thành công cơ học, năng lượng có loại có khả năng biến đổi hoàn toàn, loại có khả năng biến đổi hạn chế và loại không có khả năng biến đổi So với điện năng, cơ năng và các dạng năng lượng khác thì nhiệt năng có đặc thù riêng với khả năng biến đổi thành các dạng năng lượng khác hạn chế hơn rất nhiều Đặc tính này làm cho các quá trình nhiệt – lạnh là những quá trình không thuận nghịch, luôn kèm theo sự giảm giá trị và sự xuống cấp của năng lượng Vì vậy phương pháp tính toán và công nghệ sử dụng nhiệt năng trong các quá trình nhiệt – lạnh cho đến nay vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề phải tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện

Trong lĩnh vực nhiệt độ thấp (Kỹ thuật lạnh và Điều hòa không khí) vấn đề lại càng bức xúc hơn, nhất là khi đánh giá so sánh hay phân tích hiệu quả các quá trình

và thiết bị Cách tính tổng nhiệt lượng ở các nhiệt độ khác nhau (nghĩa là năng lượng nhiệt có giá trị khác nhau) là không thể chấp nhận được; giá trị hệ số lạnh (COP) không phải luôn phản ánh hiệu quả thực của quá trình Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu là hiệu suất nhiệt, hay là những đại lượng nào khác nữa, làm thế nào để

tự động hóa tính toán và quản lý vận hành các hệ thống nhiệt lạnh một cách khoa học, chính xác, kịp thời là những yêu cầu cấp thiết đặt ra không chỉ cho các nhà quản lý chất lượng và tiết kiệm năng lượng, các nhà đầu tư mà còn cho các cán bộ khoa học và các kỹ thuật viên điều hành thực tế các công trình nhiệt – lạnh

Cũng vì lẽ đó, trong thời gian gần đây, những vấn đề về nhiệt động học ứng dụng và công nghệ năng lượng vẫn được các nhà khoa học trên thế giới tiếp tục

nghiên cứu và hoàn thiện, đặc biệt là phương pháp phân tích Exergy Trên thế giới,

tính trong năm 1970 có khoảng 50 bài viết về Exergy (sau đó được gọi là “Energy available” ở Mỹ, và “Arbeitsfähigkeit” hoặc “Exergie” ở Đức) đã được công bố trong các tạp chí hoặc trình bầy tại các hội thảo và các hội nghị khoa học Đến năm

2004, con số này đã vượt quá 500 Năm 2000, có một tạp chí quốc tế exergy ra đời,

thậm chí còn thu hút đông đảo độc giả và là đối thủ cạnh tranh của nhiều tạp chí khoa học uy tín khác

Ở nước ta, điển hình có thể kể tới nhóm nghiên cứu của giáo sư Phạm Văn Tùy

và các cộng sự ở trường đại học Bách Khoa Hà nội và Đà nẵng Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu và phát triển phương pháp này còn chưa phổ biến và việc tiếp cận của sinh viên, các cán bộ kỹ thuật, quản lý năng lượng, còn nhiều hạn chế Do vậy, tác giả thực hiện đề tài này, không tham vọng có những phát kiến mới quan trọng mà chỉ cố gắng và kỳ vọng qua luận văn này lý thuyết exergy sẽ được phân tích một cách khoa học, hệ thống, và một phần ứng dụng của nó trong thực tế sẽ giúp ích cho các đối tượng trên trong học tập, nghiên cứu và đặc biệt là trong công tác ứng dụng

kỹ thuật một cách khoa học trong thực tế

Trong suốt quá trình thực hiện, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của GS.TS.Phạm Văn Tùy, sự động viên, góp ý của các thầy và các bạn lớp thạc sỹ kỹ thuật KTN-11B.Tác giả xin bầy tỏ sự biết ơn chân thành về những hỗ trợ quý báu

đó Nội dung của đề tài, như đã nói ở trên, tuy không mới nhưng còn ít được nghiên cứu hoàn thiện ở nước ta, do vậy khó tránh khỏi sai sót Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, các thầy, các cô và các bạn để tác giả bổ sung, hoàn thiện và phát triển trong các nghiên cứu trong tương lai./

CHƯƠNG 1 – HÀM MỤC TIÊU CỦA BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KINH TẾ -

- Phương pháp cân bằng năng lượng:

Đây là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất để tính toán các quá trình và

thiết bị nói chung và hệ thống nhiệt lạnh nói riêng, dựa trên cơ sở của nguyên lý thứ

nhất nhiệt động học

Phương pháp này sử dụng hệ số lạnh (), hiệu suất nhiệt () để đánh giá hiệu quả của các quá trình Nhiệt – Lạnh, dựa trên cơ sở phân tích cân bằng năng lượng của hệ thống

- Phương pháp entropy:

Phương pháp nghiên cứu các quá trình truyền và biến đổi nhiệt năng trong các động cơ nhiệt và máy lạnh dựa trên cơ sở mức độ thay đổi của entropy trong quá trình có tên gọi là phương pháp entropy

Đây là phương pháp dành riêng cho những bài toán phân tích chất lượng và đánh giá hiệu quả của quá trình và là phương pháp dựa trên nguyên lý II nhiệt động học Ở đây, mặt chất lượng của quá trình được xem xét theo nguyên lý Gouy – Stodola thiết lập mối quan hệ giữa tổn thất năng lượng R với độ tăng entropy S và nhiệt độ môi trường xung quanh Ta trong các quá trình thực:

S T

R a. (0.1)

- Phương pháp exergy:

Phân tích sự làm việc của các hệ thống và thiết bị năng lượng (trong đó có các

hệ thống nhiệt lạnh) có kể đến sự khác nhau của các nguồn năng lượng và độ không

thuận nghịch của các quá trình làm việc thực trên cơ sở sử dụng đồng thời các nguyên lý 1 và 2 của Nhiệt động học có tên gọi là phương pháp phân tích exergy Nếu như có thể coi tồn tại cơ bản của nguyên lý 1 là không phân biệt chất lượng của những dạng năng lượng khác nhau tham gia vào quá trình và chưa chú ý tới những kết luận về khả năng thực tế cải thiện các quá trình thì khi xem xét tới cả những cơ sở của nguyên lý 2 của Nhiệt động học là ta đã đưa vào các thành phần cân bằng cả những khả năng biến đổi của các dòng năng lượng thành phần Đây rõ ràng là một giải pháp hợp lý hơn có thể áp dụng trong các lĩnh vực khoa học công nghệ lạnh mà đối tượng khảo sát là các hệ thống và máy có các dạng năng lượng và các dòng tổn thất khác nhau Thay cho hệ số lạnh, mức độ hiệu quả được đánh giá bằng hiệu suất exergy (e) Nó không những biểu thị mức độ thực của việc sử dụng năng lượng hữu ích thông qua việc phân tích các tổn thất exergy mà còn chỉ ra các phương hướng và tầm quan trọng của các biện pháp cần đạt được để cải thiện các điều kiện thực hiện và nâng cao hiệu quả của quá trình

So với điều kiện lý tưởng có các quá trình thuận nghịch, trong đó exergy có trị

số không đổi thì các lời giải kỹ thuật dựa trên cơ sở quá trình không thuận nghịch sẽ

có exergy giảm Như vậy phương pháp exergy cũng là phương pháp nghiên cứu có

xét tới sự xuống cấp của năng lượng trong quá trình biến đổi

1.2 Những bất cập của bài toán phân tích chất lượng và đánh giá hiệu quả

các hệ thống và quá trình biến đổi năng lượng

Phương pháp cân bằng năng lượng, là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất

để tính toán các quá trình và thiết bị nói chung và hệ thống nhiệt lạnh nói riêng Tuy nhiên trong các bài toán xác định hiệu quả, tính toán tối ưu và phân tích chất lượng thì nó bộc lộ những nhược điểm rất cơ bản, đặc biệt là trong lĩnh vực nhiệt năng lượng và kĩ thuật lạnh Sở dĩ như vậy vì phương pháp này lấy số lượng năng lượng, hiệu suất nhiệt hay hệ số lạnh làm chỉ tiêu đánh giá trong khi nhiệt năng lại có đặc thù riêng như đã nói ở trên, đó là khả năng biến đổi hạn chế và sự xuống cấp của năng lượng, nhất là trong các quá trình biến đổi năng lượng Sự xuống cấp của năng

lượng là sự giảm chất lượng truyền năng lượng hay sự giảm giá trị của năng lượng Chẳng hạn, trong kỹ thuật lạnh khi tính hiệu quả lạnh của chu trình, hiệu suất nhiệt cũng không được dùng trong tính toán, mà phải sử dụng hệ số lạnh  là đại lượng có

giá trị thường lớn hơn 1 hay 100% Nhưng  cũng chỉ là 1 ký hiệu và tên gọi khác

đi của hiệu suất nhiệt (), chúng đều là tỷ số giữa phần năng lượng hữu ích và năng lượng chi phí

Như vậy, trong một hệ thống năng lượng nói chung, phương pháp này còn thiếu một tiêu chuẩn chung để xem xét mức độ hiệu quả của quá trình và thiết bị hay nói cách khác là không thể xem các tính toán cân bằng năng lượng nhiệt là cơ sở chung cho các loại bài toán nhiệt khác nhau

Phương pháp entropy lại có nhược điểm là rất khó sử dụng và phức tạp vì chính

bản thân khái niệm entropy cũng rất trừu tượng Mặt khác, trong một hệ thống năng lượng có sự tham gia của các dòng năng lượng không đặc trưng bởi entropy như điện năng, công cơ học thì phương pháp này cũng không tiện dụng Do đó phương pháp này không phổ biến trong kĩ thuật lạnh

Từ những điều đã trình bày ở trên chúng ta thấy rằng không thể coi phương pháp năng lượng và hiệu suất là phương pháp chính xác khoa học và tiêu chuẩn so sánh hiệu quả của các quá trình nhiệt - lạnh được Để làm rõ hơn điều này ta có thể trở lại với các khái niệm cơ bản trong nhiệt động về hiệu suất nhiệt () của động cơ nhận vào từ nguồn nóng một lượng nhiệt Q+ để sinh công L- và thải cho nguồn lạnh nhiệt lượng Q- :

ở mẫu số của (1.2) có đại lượng A+ không thể nào biến thành công được, như vậy giá trị  bị ảnh hưởng (giảm) và như vậy, hiệu suất nhiệt không cho phép xác định mức độ thực mà quá trình đang xét có thể được thực hiện một cách tối ưu

Vì thế hiệu suất  của động cơ nhiệt hay hệ số  của máy lạnh không thể luôn

là mục tiêu tối ưu hóa kỹ thuật hay tham gia trong tổ hợp tối ưu hoá kinh tế - kỹ thuật các quá trình và hệ thống nhiệt - lạnh được

1.3 Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật

Hiệu quả của quá trình năng lượng nói chung (trong đó có các quá trình máy lạnh) sẽ được giải thích chính xác hơn khi so sánh các số lượng năng lượng có cùng khả năng biến đổi Điều này chỉ có thể thực hiện được khi sử dụng phương pháp exergy, khi đó hiệu quả kỹ thuật của quá trình được đánh giá bằng giá trị hiệu suất exergy e:

1

r e

V : Exergy cung cấp cho hệ thống (đầu vào)

E-r : Exergy hữu ích (đầu ra)

 : Tổn thất exergy ;  = E+V - E-r

Khác với hệ số lạnh, hiệu suất exergy đạt giá trị lớn nhất cũng chỉ là 1 hay 100% tương ứng với các quá trình lý tưởng khi môi chất biến đổi trạng thái hoàn toàn thuận nghịch Các quá trình thực đều có e < 100% Hiệu suất exergy biểu thị mức độ thực của việc sử dụng năng lượng hữu ích Phần năng lượng hữu ích hay exergy này sẽ không đổi trong các quá trình lý tưởng, thuận nghịch, còn trong các quá trình thực, không thuận thịch luôn có tổn thất exergy Tức là trong các quá trình thực như quá trình nén môi chất, quá trình truyền nhiệt ở thiết bị ngưng tụ, bay hơi, quá trình tiết lưu, thì năng lượng luôn bị “xuống cấp” hay giảm giá trị (giảm phần exergy trong tổng số năng lượng tham gia quá trình)

Tổn thất exergy có thể giảm tới trị số càng nhỏ (và hiệu suất exergy càng lớn) khi các điều kiện thực hiện quá trình càng gần với điều kiện lý tưởng Muốn vậy,

người ta phải đầu tư hoàn thiện thiết bị nhằm giảm độ không thuận nghịch của các quá trình và do đó giảm tổn thất, nhưng khi đó vốn đầu tư lại tăng Mặt khác thì do kết quả của những cải tiến kỹ thuật mà chi phí vận hành lại giảm (giảm tiêu hao năng lượng sơ cấp,…) Lời giải tối ưu cho hiệu quả kinh tế lớn nhất là lời giải trong

đó tổng chi phí đầu tư và chi phí vận hành là nhỏ nhất Từ đó cũng có thể xác định được giá trị hiệu suất exergy tương ứng Hình 1.1 biểu diễn sự thay đổi của chi phí đầu tư Cv (chi phí vốn) và chi phí vận hành Cvh phụ thuộc vào tổn thất exergy  Một hệ thống lạnh được thiết kế, trang bị và điều hành sao cho tổng chi phí vốn và chi phí vận hành là nhỏ nhất (Cmin) Mục tiêu tối ưu này sẽ có được khi tổn thất exergy có giá trị tương ứng là t (Hình 1-1).Đây rõ ràng là một chỉ tiêu tổng hợp, tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật

Hình 1-1: Quan hệ chi phí và tổn thất

Mặt kỹ thuật của bài toán tối ưu ở đây được thể hiện qua giá trị của hiệu suất exergy e, nó càng lớn càng tốt, nhưng nếu chi phí vốn và vận hành quá lớn thì đó cũng chưa phải là phương án tối ưu Tổn thất t cho Cmin chưa phải là tương ứng với emax Tuy nhiên nếu ta tách bài toán tối ưu thành 2 lời giải tối ưu kinh tế và tối

ưu kỹ thuật thì các hệ thống cho emax sẽ được ưu tiên khảo sát để tìm lời giải tối ưu

và xác định các giá trị t và e.t tương ứng

Đặc tính kinh tế - kỹ thuật tổng hợp của hệ thống có thể xác định thông qua hệ

số kinh tế - kỹ thuật  định nghĩa như sau:

 = C1 / Cn (1.4) Trong đó:

- C1 là giá của một đơn vị exergy đưa vào hệ thống

Ví dụ nếu hệ thống tiêu thụ năng lượng dưới dạng điện năng hay cơ năng thì C1 là giá 1 kW tương ứng Còn khi hệ thống tiêu thụ nhiệt năng thì C1 là giá 1 kW của exergy tương ứng (cách xác định này sẽ được trình bày ở mục sau)

- Cn là giá một đơn vị exergy nhận được từ hệ thống (đầu ra)

E

C C C E C

1 1 1

kỹ thuật lớn

 có giá trị nhỏ hơn 1

Lời giải hợp lý của bài toán kinh tế - kỹ thuật sẽ xuất hiện với giá trị  lớn nhất, trong đó đã xét tới cả mặt kỹ thuật (e càng lớn càng tốt) mà mặt kinh tế (tổng chi phí vốn đầu tư và chi phí vận hành) nhỏ nhất

Trong phân tích nhiệt động học, thường ta chỉ dừng lại ở bài toán tối ưu kỹ thuật: xác định lời giải kỹ thuật cho hệ số hiệu quả lớn nhất, lời giải tối ưu tổng hợp

sẽ xuất hiện theo hướng này, nhưng hệ số hiệu quả trong trường hợp các hệ thống lạnh không nên là  mà phải sử dụng e (hiệu suất exergy) mới cho kết quả chính xác khoa học và cho phép đánh giá so sánh các hệ thống lạnh khác nhau

Cũng có thể xác định hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tổng hợp của hệ thống thông qua giá thành năng lượng, xác định theo phương pháp exergy Theo phương pháp này công cơ học, điện năng và nhiệt năng được tính giá chung theo exergy tương ứng của nó, có nghĩa là sự khác nhau về mức độ nhiệt độ của nhiệt năng cũng được

kể tới

CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

2.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Vào cuối những năm 1960, lý thuyết exergy ít nhiều được hoàn thiện, nhưng chỉ một số ít các ứng dụng thực tế của nó được thảo luận (chủ yếu là được ứng dụng

trong các hệ thống hóa học và các nhà máy chuyển hóa năng lượng) Nhìn chung,

chúng ta có thể nói rằng các kết quả tri thức của lý thuyết exergy ứng dụng cho công nghiệp là nhỏ nếu không muốn nói là vắng mặt ở hầu hết

Một trong những chủ đề gây tranh cãi nhất dĩ nhiên là định nghĩa của tất cả các thành phần liên quan của exergy và các ứng dụng lý thuyết của nó Rất nhiều tác giả

mà các tác phẩm của họ đã tạo ra những tiến bộ cơ bản trong nhận thức về nhiệt động học và exergy, góp phần làm rõ ràng hơn định nghĩa của các thành phần liên quan, giải thích các lợi thế về lý thuyết của nó trong việc phân tích các biến đổi năng lượng, phân tích sự tương quan của nó với các tổn thất của các quá trình không thuận nghịch và với chất lượng năng lượng Có thể kể đến như : Reistad (1970), Ussar (1970), Vlnas (1970), Weingaertner (1970), Wissmann (1970), Thoernqvist (1971), Bojadzev (1972), Keller (1972, 1982 ), Szargut (1972), Zubarev (1973), Chernyshevskyi (1974), Fratzscher (1974), Haywood (1974, 1979), Kalz (1974, 1975, (1976), Medici (1974), Naylor (1974), Andryuschenko (1975), Mayer (1975), Sawada (1975), Tribus (1975), Yasnikov (1975), Roegener (1976), (1976) Vivarelli et al., Yasnikov & Belousov (1976), 1977a, b), Berchtold (1977), Soerensen (1977a, b), Wachter (1977), Brzustowsky & Golem (1978), Kestin (1978, 1979), Klenke (1978, 1991a, b), Muschik (1978), van Lier (1978), Voigt (1978), Andresen và Rubin (1979), Borel (1979c), Kameyana & Yoshida (1979, 1980), Martinowsky (1979), de Nevers & Seader (1979a, b), Sussmann (1979a, b, 1980), Wepfer (1979), Woollert (1979), Yamauchi (1979, 1981), Andrews (1980), Ahern (1980b), Gaggioli (1980,1983), Penner (1980), bạc (1981),

Zschernig & Dittmann (1981), Enchelmayer (1982), Sato (1982, 1983, 1985, 1986a,

b, c), Wall (1986), Gyftopoulos & Beretta (1987), Alefeld (1988b, c), Wang và Zhu (1988), Zilberberg (1988), Von Spakowsky & Evans (1989a, 1990a, b), O'Toole & McGovern (1990), Lucca (1991), Dunbar và các cộng sự (1992), và Moran & Sciubba (năm 1994) v.v

Sự phát triển lớn mạnh và mở rộng của lý thuyết exergy trong những năm 1970

và sự tăng trưởng theo cấp số nhân của các ứng dụng của nó là do hai nguyên nhân rất khác nhau nhưng có ảnh hưởng giống nhau: một là các cuộc thảo luận ngắn gọn,

rõ ràng và thú vị được cung cấp bởi một số các giáo trình năm 1960 (Baehr, Schmidt, Obert, Hatsoupoulos & Keenan), đã thúc đẩy các thế hệ sinh viên tốt nghiệp quan tâm vào lĩnh vực này, và hai là cái gọi là "cuộc khủng hoảng dầu mỏ" của năm 1973, buộc các cơ quan Chính phủ và các ngành công nghiệp của các nước công nghiệp tập trung vào "tiết kiệm năng lượng" Việc tăng "hiệu quả" của chuỗi các biến đổi dẫn từ các nguồn nguyên liệu tới các sản phẩm thương mại đòi hỏi phải

có một sự hiểu biết thấu đáo về vị trí và tầm quan trọng của các tổn thất trong các quá trình không thuận nghịch Và do vậy dẫn đến nhu cầu bức thiết cần đến việc phân tích exergy

Trong thực tế, hầu hết các ấn phẩm lý thuyết ra đời từ đầu những năm 1970 tới cuối những năm 1990, chủ yếu là giải quyết bài toán tối ưu hóa Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hóa trở thành đối tượng nghiên cứu, nhằm tối đa hóa năng suất exergy của một quá trình với nguồn đầu vào nhất định Vì vậy, vấn đề đặt ra là phải xác định một cách chính xác các chỉ số hiệu suất thích hợp cho mỗi chuyển đổi cơ bản hay của cả một quá trình được thảo luận trong một số lượng rất lớn các ấn phẩm trên toàn thế giới Trong giai đoạn này, các nhóm làm việc quốc tế đầu tiên được tổ chức để tạo điều kiện cho các trường khác nhau “phải” trao đổi thông tin và các kết quả cùng lúc trong một môi trường mở rộng đặc biệt và có chiều sâu của lĩnh vực này

Lý thuyết và phương pháp exergy tiếp tục được nghiên cứu trong suốt 20 năm qua Ngày càng có nhiều học giả đã tham gia vào việc phân tích Exergy, và cũng

chưa có quốc gia nào có thể được coi là quốc gia hàng đầu trong lĩnh vực này Mặc

dù đại đa số các công trình được liệt kê ở đây là các tác giả của Mỹ hay các nhà nghiên cứu của Đức, những đóng góp cơ bản đến từ Nga và nói chung từ các nước khối Đông Âu, Nhật Bản và Tây Âu

Trong những năm gần đây, cùng với sự tiến bộ của khoa học máy tính và công nghệ thông tin, các thuật toán đang dần được phát triển để được xử lý bằng máy tính Tuy nó chưa phát triển mạnh nhưng các ứng dụng phương pháp số đã cải thiện đáng kể chất lượng tính toán ở một phạm vị nhất định của lĩnh vực này

2.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, tình hình nghiên cứu lý thuyết và phương pháp exergy chưa được

“sôi động” như thế giới Ở cấp đại học, lý thuyết exergy vẫn chưa được đưa vào một cách chuyên biệt và sâu rộng, sinh viên chỉ được tiếp cận ở mức độ định nghĩa

cơ bản về exergy

Với bậc sau đại học, một số luận văn thạc sỹ có khai thác một số ứng dụng của phương pháp exergy, như: Trịnh Quốc Dũng (tính toán, phân tích hiệu quả làm việc của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh theo phương pháp exergy – Báo cáo hội nghi khoa học lần thứ 20 - ĐHBK Hà Nội – 10/2006) Các học viên cao học (chuyên ngành

Kỹ thuật nhiệt – ĐHBK Hà Nội) thời gian gần đây cũng được tiếp cận với lý thuyết exergy qua môn học “phương pháp phân tích hiệu quả các hệ thống nhiệt lạnh”, được cung cấp và giảng dạy bởi GS.TS Phạm Văn Tùy Giáo sư Phạm Văn Tùy cũng là một trong những người tiên phong ở nước ta nghiên cứu lý thuyết và phương pháp exergy Bài viết đăng trên Tạp chí Khoa học kỹ thuật số 3 + 4, năm

1987 (Phương pháp phân tích chất lượng và tính toán hiệu quả hệ thống lạnh) của ông và TS Võ Chí Chính cùng với giáo trình môn học “phương pháp phân tích hiệu quả các hệ thống nhiệt lạnh” của ông đã trình bầy tương đối rõ ràng về lý thuyết exergy, phân tích một số ứng dụng của nó trong việc tính toán hiệu quả các hệ thống nhiệt lạnh, bước đầu đưa lý thuyết exergy phát triển vào hệ thống khoa học

nước nhà và góp phần cho các học viên, các cán bộ kỹ thuật tiếp cận với các lý thuyết cơ bản trong lĩnh vực này

2.2 Xác định đề tài luận án

2.2.1 Xác định đề tài nghiên cứu

Qua phân tích và tìm hiểu tình hình nghiên cứu ở trên, tác giả nhận thấy vấn đề nghiên cứu và phát triển lý thuyết exergy và ứng dụng của nó trong việc đánh giá hiệu quả các hệ thống nhiệt lạnh vào thực tế ở Việt Nam và ngay cả trên thế giới còn chưa phổ biến và việc tiếp cận của sinh viên, các cán bộ kỹ thuật, quản lý năng

lượng, ở nước ta còn nhiều hạn chế Do vậy, tác giả mạnh dạn thực hiện đề tài “Cơ

sở lý thuyết và ứng dụng phương pháp exergy đánh giá hiệu quả các hệ thống nhiệt lạnh”

2.2.2 Đối tượng nghiên cứu

Các quá trình và hệ thống nhiệt – lạnh đặc trưng

2.2.3 Mục đích nghiên cứu

Làm rõ cơ sở lý thuyết và áp dụng đánh giá hiệu quả một số quá trình và thiết bị nhiệt – lạnh đặc trưng phục vụ bài toán nghiên cứu so sánh hiệu quả thực của quá trình và đề xuất phương án cải tiến, nâng cao hiệu quả

2.2.4 Nội dung nghiên cứu

Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề chính sau đây:

 Các phương pháp phân tích chất lượng và đánh giá hiệu quả các hệ thống

nhiệt lạnh

 Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật

 Năng lượng và khả năng biến đổi của năng lượng

 Lý thuyết và sự phát triển của phương pháp exergy

 Ứng dụng của phương pháp exergy đánh giá hiệu quả các hệ thống nhiệt

lạnh: Một số quá trình và hệ thống đặc trưng như quá trình gia nhiệt bằng năng lượng cao cấp (cơ năng và điện năng), quá trình sưởi ấm bằng nhiệt năng và sưởi ấm bằng bơm nhiệt

 Kết luận và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo

2.2.5 Phạm vi nghiên cứu

Do giới hạn về thời gian cũng như mức độ yêu cầu của chương trình đào tạo mà

phạm vi nghiên cứu của luận án này chỉ tập trung khảo sát làm rõ cở sở lý thuyết và

phương pháp nghiên cứu ứng dụng phân tích exergy vào một số quá trình và thiết

bị nhiệt - lạnh đặc trưng Đó là các quá trình mà nếu chỉ sử dụng phương pháp cân

bằng năng lượng truyền thống (sử dụng nguyên lý I nhiệt động học) sẽ không phản ánh đầy đủ và chính xác hiệu quả thực của quá trình truyền và biến đổi năng lượng

Do đó sẽ dẫn đến đánh giá sai lầm về hiệu quả của quá trình và đưa ra phương hướng cải tiến không chính xác, thỏa đáng

CHƯƠNG 3 – NĂNG LƯỢNG VÀ KHẢ NĂNG BIẾN ĐỔI CỦA NĂNG

LƯỢNG 3.1 Các dạng năng lượng và khả năng biến đổi của nó trong các quá trình

năng lượng

Để làm rõ cơ sở xác định, lựa chọn nội dung và phương pháp nghiên cứu đánh giá hiệu quả tổng hợp của quá trình dựa trên nguyên lý I và II nhiệt động học, chúng ta cần khảo sát, phân loại và đi sâu tìm hiểu các dạng năng lượng, khả năng

và hiệu quả biến đổi của nó

3.1.1 Các dạng năng lượng

Một trong các định nghĩa chung nhất là xem năng lượng như là mức độ chuyển động của vật chất Một trong những dạng phổ biến nhất của năng lượng là công cơ học, nó được định nghĩa như sau: “Năng lượng của một hệ thống là khả năng thực hiện công cơ học của nó khi chuyển từ trạng thái ban đầu tới một trạng thái chuẩn nào đó”

Các dạng năng lượng gồm: Cơ năng (động năng và thế năng), điện năng, năng lượng từ, nội năng, v.v

 Trên cơ sở đặc tính thể hiện mức độ chuyển động của vật chất của năng lượng,

có thể chia năng lượng thành các nhóm:

a Năng lượng có trật tự: Tất cả các phần tử tạo thành hệ thống dịch chuyển

cùng chiều với chiều chung của quá trình (Ví dụ: năng lượng điện: theo chiều dịch chuyển của các điện tử, động năng: theo chiều của vec tơ tốc độ, thế năng: theo chiều tác dụng của lực trọng trường)

b Năng lượng không có trật tự: ngoài chuyển động theo hướng và chiều của

quá trình, các phần tử của hệ thống còn chuyển động theo hướng và chiều khác (ví dụ: nội năng)

Nhiệt và công không phải là năng lượng mà chỉ là dạng biểu hiện của sự trao

đổi năng lượng Các đạị lượng này chỉ xuất hiện khi các hệ thống trao đổi năng lượng với nhau và với môi trường Sự trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt là sự

truyền năng lượng giữa các hệ thống do chuyển động phân tử (chuyển động nhiệt) trong đó nhiệt tạo thành còn có tên gọi là dòng nhiệt

 Trên cơ sở về sự truyền năng lượng, có thể phân loại năng lượng thành các

+ Công của máy: l

- Điện năng truyền trong dây dẫn

b Năng lượng tích lũy:

3.1.2 Khả năng biến đổi của năng lượng

Theo quan điểm khả năng biến đổi lý tưởng của năng lượng thành công cơ học, các dạng năng lượng khác nhau được chia thành 3 nhóm:

a Nhóm 1 - năng lượng có khả năng biến đổi hoàn toàn:

c Nhóm 3 - năng lượng không có khả năng biến đổi:

Gồm năng lượng tích lũy ở môi trường xung quanh dưới dạng chuyển động nhiệt

Mọi dạng năng lượng thuộc nhóm 1 được gọi là exergy: là số lượng năng lượng

lớn nhất mà trong trạng thái đã cho của môi trường xung quanh (trong những điều kiện của các quá trình hoàn toàn thuận nghịch) có thể biến đổi thành bất cứ dạng năng lượng nào

Mọi dạng năng lượng thuộc nhóm 3 được gọi là anergy: là năng lượng (mà

ngay cả trong điều kiện quá trình hoàn toàn thuận nghịch) cũng không thể biến đổi thành exergy - nó là năng lượng không có khả năng biến đổi Trong các quá trình

biến đổi: đó chính là tổn thất exergy

Như vậy xét trong một quá trình biến đổi, về mặt số lượng, năng lượng sẽ gồm exergy (E) và phần còn lại là anergy (A), tức là có thể biểu diễn:

Q = E + A = const (3.1)

Quan hệ (3.1) biểu thị nguyên lý thứ nhất của Nhiệt động học; điều đó có nghĩa

là cả (E) và (A) là các đại lượng không được bảo toàn

Theo quan điểm exergy và anergy như trên thì nguyên lý thứ hai của Nhiệt động

- Trong các quá trình không thuận nghịch: Exergy biến đổi một phần hay toàn

bộ thành anergy (E  A)

Xét một hệ thống bất kỳ có quá trình truyền nhiệt (Q), truyền công (E) và truyền chất (M) với bên ngoài, theo nguyên lý I nhiệt động học, phương trình cân bằng năng lượng viết dưới dạng công suất sẽ là:

i K

dN = Pa dV/d Trong kỹ thuật ta thường không quan tâm và tách riêng công suất dN này mà chỉ quan tâm tới công suất hiệu dụng Công suất hiệu dụng (có thêm ký hiệu chân là e)

sẽ là Ee, công suất này do hệ thống cung cấp ra nên có thêm dấu -:

E-e = E-  PadV/d, kW (3.3)

Chú ý rằng trong cân bằng (3.2) các đại lượng ra E- (hay Q-) cũng được biểu thị nhưng với dấu ““ đứng trước và quy ước là E-  +E+, như vậy (3.3) cũng có thể viết thành :

E+ = E+e PadV/d (3.4) Loại trừ E+ từ (3.2) và (3.4) phương trình cân bằng (3.2) viết lại thành:

E+e PadV/d + Q+ +  (htM+)  dUt/d = 0 hay :

E+e + Q+ +  (htM+)  d(Ut + PaV)/d= 0 (3.5)

Trong cân bằng (3.5) xuất hiện một đại lượng mới mà ta gọi là năng lượng hiệu

dụng Ue:

Ue = Ut + PaV = U + Wt + W0 + PaV (3.6) Khi đó (3.5) trở thành:

E+e + Q+ +  (htM+)  dUe / d = 0 (3.7) Như vậy năng lượng hiệu dụng Ue chính là năng lượng toàn phần Ut của hệ thống khi có kể tới cả công mà hệ trao đổi với môi trường ngoài

Nếu ta lập cân bằng năng lượng thì cân bằng (3.7) có dạng:

E+e + Q+ +  (htM+) Ue = 0 (3.8) Hai thành phần cuối của (3.8) biểu thị năng lượng hiệu dụng của dòng môi chất

nhận vào từ hệ thống hở biểu diễn trên hình 3-1 có tên gọi là năng lượng biến đổi

hiệu dụng, ký hiệu We:

W+ =  (htM+) Ue (3.9) Dưới dạng công suất, We được gọi là công suất biến đổi hiệu dụng:

W+e =  (htM+)  dUe/d, kW (3.10)

Nó được xem như là công suất thực hiện trong quá trình biến đổi trạng thái của môi chất, hay trong các quá trình nhiệt động

Trong các hệ thống hở, sự trao đổi chất được biểu hiện qua lưu lượng khối

lượng môi chất trao đổi M và dUe/d biểu thị độ giảm công suất hiệu dụng của toàn

bộ hệ thống

Với hệ kín, không có trao đổi chất, quan hệ (3.10) trở thành:

W+e = dUe1/d - dUe2/d (3.11) Năng lượng biến đổi tương ứng là:

W+e = Ue1 - Ue2 (3.12)

Hình 3-1: Hệ nhiệt độn có hai dò g chảy Với hệ hở thì các đại lượng hiệu dụng trùng với chính nó dUe/d = 0, (3.12) trở thành:

W+e =  (htM+) = W+ (3.13) Nếu hệ thống chỉ có 1 cửa vào và 1 cửa ra thì:

E + e + Q + + W + = 0 (3.17)

Cân bằng (3.17) biểu thị nguyên lý bảo toàn năng lượng nhưng không biểu thị

rõ các khái niệm tổn thất nhiệt động

3.3 Hiệu quả biến đổi năng lượng

Ta thường biểu thị hiệu quả biến đổi của năng lượng qua khái niệm hiệu suất

Một cách tổng quát người ta gọi hiệu suất là tỷ số giữa năng lượng có ích và tổng

năng lượng tiêu tốn Trong từng trường hợp cụ thể, các khái niệm tiêu tốn và hữu

ích không hoàn toàn giống nhau Nếu trong các động cơ nhiệt, năng lượng tiêu tốn

là nhiệt của nguồn nóng, còn năng lượng có ích là công thu được thì trong các hệ thống lạnh, năng lượng có ích là nhiệt thải được của vật cần làm lạnh, còn năng lượng tiêu tốn là công của máy nén

Năng lượng nhiệt Q a trao đổi giữa hệ thống và môi trường khí quyển không thể coi là có ích, cũng không thể coi là tiêu tốn, vì thực tế nó chẳng có lợi gì cả

Đánh giá hiệu quả năng lượng theo khái niệm hiệu suất nói trên hầu như không

kể tới nguyên ký II nhiệt động

Trong trường hợp các thiết bị động lực, các thiết bị nhiệt nói chung, các thiết

bị sản xuất phối hợp nhiệt - điện, cân bằng năng lượng (3.17) có thể viết:

E-e + Q- + W-e = E+e + Q+ + W+ Q-a (3.18) Trong đó: vế trái biểu thị các công suất ra hữu ích, còn Q-

E

W Q

E e

e

(3.19)

Trong trường hợp hệ thống lạnh có máy nén hơi, nếu ký hiệu Q+

f là công suất nhiệt do đối tượng làm lạnh đưa vào hệ thống thì ta có cân bằng:

Q-a = E+e + Q+f (3.20)

Quan hệ này khác xa với dạng (3.18) nên không thể biểu thị hệ số hiệu quả qua hiệu suất theo (3.19), mà ta thường phải gọi dưới một cái tên khác là hệ số lạnh  Cho đến nay ta hay xác định  theo quan hệ:

 =

e

f E

mang tên gọi “hệ số lạnh”, rất nghèo nàn về ý nghĩa và độ chính xác khoa học

Trường hợp một động cơ nhiệt như tuabin hơi chẳng hạn ta có thể sử dụng

quan hệ (3.19) với E

-T là công suất do tuabin sinh ra, Q+ là nhiệt nhận vào ở lò hơi

và E+B là năng lượng do bơm nhận vào:

Q Q

E

E

B a B

- Theo phương pháp cân bằng năng lượng này thì nếu xét một hệ thống cấp nhiệt và điện đồng thời (cả E- và Q-h) nhưng ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ môi trường một ít thì năng lượng nhiệt và điện cấp ra đều là có ích (không có tổn thất nhiệt thải) nên:

Giá trị này chỉ biểu thị kết quả áp dụng nguyên lý I, tức là chỉ xét đến số lượng

mà không chú ý tới chất lượng của năng lượng

3.4 Sự xuống cấp của năng lượng trong quá trình truyền và biến đổi

Ta gọi sự xuống cấp của năng lượng là sự giảm chất lượng truyền năng lượng hay sự giảm giá trị của năng lượng Cả hai hiện tượng cơ và nhiệt sau đây đều có kèm theo sự xuống cấp của năng lượng:

 Hiện tượng ma sát (friction loss) trong các chuyển động cơ học, gồm:

- Chuyển động của chất lỏng (quá trình dòng)

- Dịch chuyển của các cơ cấu (quá trình sinh hay nhận công)

 Hiện tượng giảm giá trị của năng lượng (valuation decreasing) trong các quá trình truyền nhiệt

Như vậy, chỉ trong các quá trình không thuận nghịch mới gây nên sự xuống cấp của năng lượng Sơ đồ xuống cấp của năng lượng, vì vậy có thể biểu diễn như ở hình 3-2

Ngược lại thì các quá trình lý tưởng hay các hiện tượng thuận nghịch sẽ diễn ra theo sơ đồ hình 3-3 với kết quả là năng lượng không bị xuống cấp

Như vậy khái niệm thuận nghịch cơ học đã dẫn tới khái niệm chất lượng của sự truyền năng lượng Một cách tự nhiên thì cơ năng do ma sát đã biến thành nhiệt năng, quá trình này tự xảy ra, dễ hơn quá trình ngược lại là làm nhiệt biến thành công cơ học Vì vậy người ta nói cơ năng là năng lượng cao cấp hơn nhiệt năng Ta nói rằng chất lượng của sự truyền công cơ học cao hơn sự truyền nhiệt Hiện tượng giảm chất lượng truyền năng lượng do ma sát là một hiện tượng ma sát nhiệt của năng lượng

Hiện tượng truyền nhiệt tự nhiên là hiện tượng tự xảy ra từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp, hay nói khác đi: truyền nhiệt từ nhiệt độ cao sang nhiệt độ thấp dễ hơn ngược lại Vì vậy sự truyền nhiệt càng có giá trị nếu như nhiệt độ xảy

ra quá trình càng cao

Hình 3-2: Sơ đồ bảo toàn chất lượng năng lượng trong các quá trình

không thuận nghịch

Các quá trình không thuận nghịch

Mất cân bằng cơ

(không cân bằng lực)

Mất cân bằng nhiệt (nhiệt độ không đồng đều)

Có truyền công hay truyền

chất (tạo dịch chuyển)

Dịch chuyển

Giảm chất lƣợng truyền năng

lƣợng (ma sát công biến

thành nhiệt)

Xuống cấp năng lượng

Có truyền nhiệt (truyền năng lƣợng)

Giảm mức độ truyền năng

lƣợng hay giảm nhiệt độ

(giảm giá trị năng lƣợng)

Hình 3-3: Sơ đồ bảo toàn chất lượng năng lượng trong các quá trình lý tưởng

(thuận nghịch)

Cân bằng cơ

(cân bằng lực)

Cân bằng nhiệt (nhiệt độ đồng đều)

Bảo toàn chất lƣợng truyền

năng lƣợng (không có ma sát nhiệt)

Không xuống cấp năng lượng

CHƯƠNG 4 – LÝ THUYẾT VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP

EXERGY

4.1 Sơ lược lịch sử phát triển của phương pháp exergy

Một điều mà ngày nay đã công nhận rằng khái niệm exergy có nguồn gốc từ ngay những công việc đầu tiên của những gì mà sau này trở thành “Nhiệt động học

cổ điển” Nếu cần tìm một khởi đầu chính xác thì chỉ có thể là năm 1824, khi Carnot cho rằng “công phát ra của động cơ nhiệt là tỷ lệ thuận với độ chênh nhiệt

độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh” Tuy nhiên, Gibbs (1873), người trước đó đã định nghĩa “năng lượng có giá trị” (available energy) mới đưa ra các hàm nhiệt động khá gần với định nghĩa exergy hiện đại

Tại một hội nghị khoa học trong năm 1953, Slovenian Zoran Rant cho rằng thuật ngữ exergy (Exergie, trong tiếng Đức) nên được sử dụng để biểu thị cho

"công suất công kỹ thuật" (technical work capacity) Đây là đề nghị của một người tiên phong: năng lượng theo nghĩa đen có nghĩa là "nội năng" (từ Hy Lạp en [εν] và ergon [επγον]), và tiền tố cũ [εξ] ngụ ý thay cho đại lượng “bên ngoài” Rant thậm chí xuất bản (năm 1956) một bài luận ngôn ngữ học để thảo luận về tên tương đương quốc tế cho đại lượng này (ông đề xuất exergie bằng tiếng Pháp, exergia trong tiếng Tây Ban Nha, Ý và essergia eksergijain trong ngôn ngữ Slaver) Bằng việc áp dụng tên gọi này và việc giới thiệu thuật ngữ exergy, tất cả các phát biểu trước đó, chẳng hạn như năng lượng có giá trị, sự có giá trị, công có ích, thế năng, năng lượng hữu ích, thế năng entropy, hầu như ít được sử dụng nữa Trong thực

tế, phải mất gần 50 năm để cái tên exergy mà Rant gọi mới được chấp nhận trên toàn thế giới Ngay cả hiện nay, một số tác giả Mỹ vẫn sử dụng thuật ngữ lỗi thời

"sự có giá trị (availability)"

Năm 1962, Baehr đưa ra một định nghĩa, mà hiện vẫn còn được sử dụng rộng rãi đặc biệt là trong các ứng dụng biến đổi năng lượng: Exergy là phần năng lượng có thể biến đổi hoàn toàn thành tất cả các dạng năng lượng khác Định nghĩa này mặc

dù sai lầm, bởi vì nó ngụ ý rằng "tổng năng lượng" của một hệ thống bao gồm hai phần phụ, một phần "chuyển đổi" (exergy) và một phần “không chuyển đổi” (anergy) nhưng có một số ví dụ về các hệ thống với một anergy âm (chất rắn < T0, chất khí trong phạm vi nhất định của T <T0 và p <p0, v.v), và điều này làm cho việc sử dụng các định nghĩa của Baehr trở lên cồng kềnh

Theo định nghĩa hiện đại thì Exergy là công hữu ích lý thuyết tối đa có được nếu một hệ thống S được đưa vào trạng thái cân bằng nhiệt động lực học với môi trường bằng cách thức của các quá trình, trong đó S chỉ tương tác với môi trường này

Định nghĩa hiện đại ở trên có nguồn gốc từ hơn 15 năm căng thẳng của cuộc tranh luận về khái niệm exergy Cuộc tranh luận này diễn ra chủ yếu ở Đức, chỉ có những đóng góp bên lề từ Pháp, Thụy Sĩ, Ý và Thụy Điển Sự phát triển lý thuyết exergy ở Nga là song song cùng với sự phát triển ở Đức, do sự tự do trao đổi thông tin trong khối Đông Âu Đặc biệt, gần như trong cùng một năm (1950-1965) một số nhà khoa học nổi tiếng của Nga và Đông Âu (Martinowsky 1950, Gochstein năm

1951, 1962, 1963, Martinowsky& Alexejev 1955, Brodyanski & Meerzon 1960, Brodyanski & Ishkin 1962, Brodyanski 1963, 1964, 1965, 1967, Andreev và Kostenko 1965, Chernyshevsky 1967) cũng công bố những đóng góp cơ bản vào lĩnh vực này Tuy nhiên, các tác phẩm của họ không có giá trị trực tiếp cho các cơ quan khoa học lớn của thế giới, và do đó hai hướng phát triển vẫn tồn tại độc lập trong nhiều năm

Cũng như khái niệm về năng lượng, để dễ hình dung và tiện áp dụng, người ta cũng dựa vào khả năng sinh công của một hệ thống để làm rõ khái niệm exergy như

đã trình bày ở trên Nếu như năng lượng là khả năng sinh công của một hệ thống khi biến đổi từ trạng thái đầu tới một trạng thái chuẩn nào đó thì exergy là khả năng sinh công lớn nhất của hệ thống khi biến đổi từ trạng thái đầu tới trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh (bằng các quá trình biến đổi hoàn toàn thuận nghịch)

Việc thay thế khái niệm năng lượng bởi khái niệm exergy chỉ có ích với các dạng năng lượng thuộc nhóm 2 (nhóm năng lượng có khả năng biến đổi hoàn toàn thành các dạng năng lượng khác) Vì vậy ta nói nhiệt năng có đặc thù riêng Việc gộp chung nó với các dạng năng lượng khác để tính và khảo sát không phải là luôn

luôn chính xác và hợp lý theo quan điểm đánh giá không chỉ số lượng mà cả chất

lượng (khả năng biến đổi) của năng lượng Chẳng hạn, chất lượng của 1 kW điện

khác hẳn với 1 kW nhiệt; 1 kW lạnh ở -400C cũng có chất lượng cao hơn hẳn 1 kW lạnh ở -150C, còn chất lượng của mọi số lượng nhiệt có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường đều bằng 0 Điều đó cũng đã giải thích tại sao ta không thể làm phép tính tổng công suất lạnh (hay công suất nhiệt) ở các nhiệt độ khác nhau (vì chất lượng của các số lượng năng lượng này rất khác nhau)

Theo các định nghĩa exergy trình bày ở trên, người ta đã thiết lập các công thức tính exergy trong các trường hợp trình bày dưới đây

4.2 Exergy và các dạng biểu hiện của nó trong các quá trình truyền và biến

đổi năng lượng

trạng thái môi trường xung quanh Vì vậy K, J còn được gọi là thông số ngoại lai

Sự phát triển và hoàn thiện khái niệm và phương pháp exergy đã xác định một số đại lượng để tính toán exergy trên cơ sở năng lượng và công suất tương ứng Do

đặc tính chất lượng cao của điện năng và cơ năng cung cấp cho hệ thống dưới dạng

công cơ học (gồm toàn exergy) mà các dạng năng lượng này, khi đưa vào cân bằng

exergy, vẫn giữ nguyên tên gọi của nó, nhưng để phân biệt exergy tương ứng hay công suất mà chúng ta gọi nó là “năng lượng - công” hay “công suất - công”

Trong mục tiếp theo, phần exergy có trong các dạng năng lượng nhiệt hay nội

năng đều kèm theo từ “tinh”: ghép sau tên của năng lượng tương ứng (theo cách gọi tên tạm thời bằng tiếng Việt của đa số nhà nghiên cứu) như “năng lượng nhiệt

tinh”, “entanpy tinh, “công biến đổi tinh”, “công suất nhiệt tinh” Như vậy, ngoài các dạng năng lượng cơ và điện, các dạng nhiệt năng và entanpy có từ “tinh” đi kèm đều là exergy của năng lượng tương ứng tham gia quá trình biến đổi năng

lượng Nó có giá trị nhỏ hơn số lượng nhiệt tương ứng

4.2.3 Exergy của môi chất

Trong các máy nhiệt nói chung và máy lạnh nói riêng, môi chất tham gia vào các quá trình dòng, thực hiện trao đổi công, trao đổi chất và trao đổi nhiệt với môi trường ngoài Để xác định biểu thức tính exergy của môi chất ta có thể bắt đầu từ khái niệm entanpy tự do () biểu thị bằng biểu thức:

Mặt khác, theo nguyên lý I và II nhiệt động thì:

lKT = 1 - 2 (4.12) Với 1 = h1 - T1s1; 2 = h2 - T2s2 (4.13)

Quan hệ này nói lên rằng trong một quá trình thuận nghịch của hệ thống nhiệt động thì chính biến thiên entanpy tự do sinh ra công cơ học, vì vậy giữa những trạng thái

bất kỳ 1 và 2, công cơ học sinh ra biểu thị bằng:

a = h - e = ha + Ta (s - sa) (4.16)

Từ (4.15) ta thấy rằng exergy của môi chất sẽ bằng không khi nó cân bằng nhiệt

động với môi trường xung quanh (h = ha, s = sa) Ở các trạng thái mà thế nhiệt động

của môi chất cao hơn thế nhiệt động của môi trường xung quanh thì môi chất có exergy dương, còn ở những trạng thái mà thế nhiệt động của môi chất thấp hơn của môi trường thì môi chất có exergy âm Như vậy trạng thái của môi trường xung

quanh luôn ảnh hưởng tới giá trị của năng lượng, ảnh hưởng này được thể hiện qua giá trị của Ta

4.2.4 Exergy của nhiệt

Như đã trình bày, nhiệt năng được xem là năng lượng không có trật tự, nó gồm

cả exergy và anergy Exergy tương ứng với một số lượng nhiệt là phần nhiệt năng lớn nhất tương ứng có thể biến thành công cơ học ở một trạng thái đã cho của môi trường xung quanh

Như vậy, nhiệt biến thành công cơ học trong chu trình Carnot thực hiện giữa T

1

TdS Q

Eq = Q12 - AQ =  

2

1

)1

Với  = (1

-T

T a

 được gọi là dữ kiện Carnot và có thể dương hay âm

Hình 4-1: Eq và Aq khi nhiệt độ cấp nhiệt thay đổi

Hình 4-2: Chu trình Carnot và e q , a q

-  > 0 khi T > T a , E Q > 0:

Tức là một phần nhiệt có thể biến thành công trong chu trình thuận

Hình 4-3: E, Q của chu trình ngược chiều

-  < 0 khi T < T a , E Q < 0:

Truyền nhiệt từ nguồn lạnh, có tiêu thụ công bằng exergy âm tương ứng với nhiệt lấy từ vật cần làm lạnh Ví dụ chu trình ngược chiều của thiết bị lạnh: lấy nhiệt (Q) ở T < Ta và thải nhiệt dưới dạng anergy vào môi trường nhiệt độ Ta

Sự truyền nhiệt từ nhiệt độ thấp hơn cho môi trường nhiệt độ Ta cần tiêu thụ exergy mà trong trường hợp chu trình ngược chính là exergy (âm) tương ứng với lượng nhiệt lấy từ nguồn lạnh

Hình 4-4: Quan hệ  = f(T)