Thuật ngữ “Exergy” được Zoran Rant đề xuất vào năm 1956, dựa trờn cơ sở phỏt triển lý thuyết nhiệt động học của J.W.Gibb năm 1873. “Exergy” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp là “ex” và “ergon” cú nghĩa là “khởi đầu” và “cụng”. Ở
đõy ta cú thể hiểu “ Exergy là số lượng năng lượng lớn nhất mà trong trạng
thỏi đó cho của mụi trường xung quanh trong những điều kiện của cỏc quỏ trỡnh hoàn toàn thuận nghịch cú thể biến thành bất cứ dạng năng lượng nào”.
HVTH: Trần Văn Hiếu - Lớp 12BKTN Trang 69
- Exergy cú đặc điểm là được bảo toàn khi và chỉ khi mọi quỏ trỡnh trong
hệ thống và mụi trường đều thuận nghịch và ngược lại, nờn khụng cú định luật bảo toàn Exergy.
- Tồn tại cơ bản của nguyờn lý I là khụng phõn biệt chất lượng của cỏc dạng năng lượng khỏc nhau tham gia vào quỏ trỡnh mà chưa chỳ ý tới cỏc kết luận về khả năng thực tế cải thiện cỏc quỏ trỡnh. Nguyờn lý II của nhiệt động học đó đưa vào cỏc thành phần cõn bằng cả những khả năng biến đổi của cỏc dũng năng lượng thành phần, đõy là một giải phỏp chung hơn và hợp lý hơn cú thể ỏp dụng cho cỏc lĩnh vực của khoa học cụng nghệ lạnh mà đối tượng khảo sỏt là cỏc hệ thống và mỏy cú cỏc dạng năng lượng tham gia và cỏc dũng năng lượng tổn thất khỏc nhau.
Thay cho hệ số lạnh, mức độ hiệu quả ở đõy được đỏnh giỏ bằng hiệu
suất Exergy (ηe). Nú chẳng những biểu thị mức độ thực của việc sử dụng năng
lượng hữu ớch thụng qua việc phõn tớch cỏc tổn thất Exergy mà cũn chỉ ra phương hướng và tầm quan trọng của cỏc biện phỏp cần đạt được để cải thiện cỏc điều kiện thực hiện và nõng cao hiệu quả quỏ trỡnh.
So với điều kiện lý tưởng cú cỏc quỏ trỡnh thuận nghịch, trong đú Exergy cú trị số khụng đổi thỡ cỏc lời giải kỹ thuật dựa trờn cơ sở cỏc quỏ trỡnh thực khụng thuận nghịch sẽ cú Exergy giảm. Rừ ràng Exergy cú xột tới sự xuống cấp của năng lượng (tức là sự suy giảm chất lượng hay Exergy của nú) trong quỏ trỡnh biến đổi – một đặc trưng của nhiệt năng.
Trong nhiệt động, hiệu suất nhiệt của hệ thống (η) của động cơ nhận vào
từ nguồn núng một lượng nhiệt Q+ để sinh cụng L- và thải cho nguồn lạnh một
nhiệt lượng Q-, tức là [24]: Q L (3.2)
Theo cõn bằng năng lượng, nhiệt năng cú một phần là exergy E và phần cũn lại là tổn thất exergy hay anergy A:
HVTH: Trần Văn Hiếu - Lớp 12BKTN Trang 70 Q = E + A Khi đú: A E L (3.3)
Phần A+ khụng thể nào biến thành cụng được, như vậy η bị ảnh hưởng (giảm) một cỏch đương nhiờn. Hiệu suất nhiệt do đú khụng cho phộp xỏc định mức độ mà quỏ trỡnh ta phõn tớch cú thể thực hiện được một cỏch tối ưu.
Vỡ vậy, hiệu suất η của động cơ nhiệt hay hệ số lạnh ε của mỏy lạnh khụng thể là mục tiờu tối ưu húa kỹ thuật hay tham gia tổ hợp tối ưu húa kinh tế - kỹ thuật cỏc quỏ trỡnh và hệ thống nhiệt lạnh được.
- Từ năm 1889 Georges-Gouy đó chỉ ra rằng khả năng sinh cụng của một
hệ thống khụng chỉ thể hiện ở nội năng của nú (như ta vẫn thường xột) mà cũn phụ thuộc vào nhiệt độ Ta và ỏp suất Pa của mụi trường ngoài. Từ đú, những gỡ liờn quan đến kết luận này đó được cỏc nhà nghiờn cứu xem xột và phỏt triển ở nhiều nước dưới đầu đề lý thuyết exergy [24].
Cũng như khỏi niệm về năng lượng, để dễ hỡnh dung và tiện ỏp dụng, người ta cũng dựa vào khả năng sinh cụng của một hệ thống để làm rừ khỏi niệm exergy như đó trỡnh bày ở trờn. Nếu như năng lượng là khả năng sinh cụng của một hệ thống khi biến đổi từ trạng thỏi đầu tới một trạng thỏi chuẩn nào đú thỡ exergy là khả năng sinh cụng lớn nhất của hệ thống khi biến đổi từ trạng thỏi đầu tới trạng thỏi cõn bằng với mụi trường xung quanh bằng cỏc quỏ trỡnh biến đổi hoàn toàn thuận nghịch.
Việc thay thế khỏi niệm năng lượng bởi khỏi niệm exergy chỉ cú ớch với cỏc dạng năng lượng thuộc nhúm hai. Vỡ vậy ta núi nhiệt năng cú đặc thự riờng. Việc gộp chung nú với cỏc dạng năng lượng khỏc để tớnh và khảo sỏt khụng phải là luụn luụn chớnh xỏc và hợp lý theo quan điểm đỏnh giỏ khụng chỉ số lượng mà cả chất lượng (khả năng biến đổi) của năng lượng. Như vậy chất lượng của 1
kW điện khỏc hẳn với 1 kW nhiệt, 1 kW lạnh ở -400C cũng cú chất lượng cao
hơn hẳn 1 kW lạnh ở -150
HVTH: Trần Văn Hiếu - Lớp 12BKTN Trang 71 bằng nhiệt độ mụi trường đều băng 0. Điều đú cũng đó giải thớch tại sao ta khụng thể làm phộp tớnh tổng cụng suất lạnh (hay cụng suất nhiệt) ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau (vỡ chất lượng của cỏc số lượng năng lượng này rất khỏc nhau).