Енергетска ефикасност и заштита животне средине

др Татјана Танасковић, дипл.маш.инж.

професор струковних студија

Прво предавање

Енергетска ефикасност и заштита животне средине

• Консултације: петак 8h – 10h
• Мејл: tanaskovic.tatjana@gmail.com или ttanaskovic@politehnika.edu.rs
• Услов за испит: минимални број остварених предиспитних 45 бодова.
• Максимални број бодова, који се могу остварити у оквиру предиспитних обавеза је 70 бодова.
• У току семестра: 1семинарски рад (20 бодова)и 2 колоквијума (40 бодова),предавања и вежбе (10).
• Недељу дана пре термина одржавања колоквијума, бићете благовремено обавештени путем мејла.
• На мејл наставника ћете слати одговоре на питања која будете добијали. Уколико будете одговорили на сва питања, током целог семестра, освојићете максималних 10 бодова на активност. Одговарањем на питања се истовремено припремате за испит.
• Добићете предложене теме за семинарске радове. Одабраћете једну тему. Рок за израду семинарских радова је две недеље пре завршетка овог семестра.
• Полагањем испита се стиче максимално 30 бодова.
• Максималан број укупно стечених бодова је 100.

​

Први закон термодинамике�Почетне претпоставке

• Нека количина материје је у равнотежи са својом околином, ако јој се не мења ни једна особина.
• Унутрашња енергија је онај део енергије коју тело поседује и који се мења довођењем топлоте или рада.
• Кроз границе неког система могу да прођу, у оба смера: топлота и рад.

​

Први закон термодинамике

• Први закон термодинамике представља случај општег закона о одржању енергије, по коме енергија не може да настане или нестане, већ само прелази из једног у други облик, или са једног система на други.
• Овим законом се утврђује однос између:

1.Енергије коју садржи систем и

2.Спољних утицаја које пролазе кроз границе система у току процеса (рада и топлоте)

​

Први закон термодинамике

• Енергија система може да се промени само спољним утицајима – радом и топлотом. Ако се са Q означи количина топлоте, а са L рад, које се размене између система и околине, тада је промена енергије система ΔЕ једнака:

ΔЕ = Q - L

Количина топлоте�Постоји конвенција о знаку топлоте. Топлота која се доводи систему је позитивна, а топлота која се одводи је негативна (слика ). Топлота се изражава као рад и енергија у џулима (Ј).

• О топлоти се треба говорити само током процеса преноса енергије.
• Количина енергије која се преноси са једног на други ситем назива се количина топлоте.
• Уколико нема разлике температура, неће бити размене енергије, па ни размене топлоте.

Ентропија

• За размену топлоте између система и околине, неопходно је да постоји разлика температура између система и околине, али такође и промена термичке координате. Објашњење термичке координате је увео Клаузијус и назвао ентропија (S), која зависи од вероватноће стања. При израчунавању размењене топлоте средња температура множи се са променом ентропије:

Q12 = T ΔS, одакле је:

ΔS = Q12 / Т

Ентропија�Промене стања термодинамичког система: а) квазистатичка промена, б) неквазистатичка

• Поменуте једначине важе за квазистатичке (континуиране) промене стања. Да ли се дешава размена топлоте, не треба закључити само на основу промене температуре, већ и на основу промене ентропије. Топлота може да се доводи, а да температура остане иста. На пример, при топљењу леда температура се не мења, без обзира што се ситему доводи топлота.

Ентропија

• Ако се ентропија тела повећава (ΔS ˃ 0, S2 ˃ S1), онда се њему доводи топлота. Обрнуто, ако се ентропија тела смањује (ΔS ˂ 0, S2 ˂ S1), од њега се топлота одводи.
• Ентропија се изражава у Џулима по келвину (Ј/К), а могу да се сведе на јединицу масе, па ће промена специфичне ентропије бити:

Δs = ΔS/m = q12/T, J/kgK.

Топлотни дијаграм�Промене стања у Т,S –координатном систему, а) – изотермски процес, б) – изентропски процес

• Ако је закон промене стања 1-2 у Т,S – координатном систему одређен релацијом T = f(S), онда ће количина размењене топлоте бити једнака бројној вредности површине 1-2-2ˊ-1ˊ- 1 (слика). Зато се овај дијаграм назива топлотни дијаграм.
• У случају када је константна температура, Т= const (изотермски процес), количина топлоте једнака је бројној вредности површине правоугаоника (слика 2а): Q = T(S2 - S1).У току процеса при коме је Q12 = 0, пошто је Т˃0, биће S2 - S1 = 0. Односно S2 = S1 (слика 2б) или S = const (изентропски процес, при сталној ентропији).

​

Други закон термодинамике

• Други закон термодинамике одређује вероватноћу догађања неког процеса. Одређује смер спонтаних топлотних процеса, тако да топлота увек прелази са тела више температуре на тело ниже температуре.
• Спонтани процеси се дешавају сами од себе, без интервенције споља, односно за њихово остварење није потребно утрошити рад (на пример – ширење гаса из области вишег у област нижег притиска). У таквим спонтаним процесима величине стања се мењају све док систем не дође у стање равнотеже.
• Ентропија S представља меру неуређености система. Материја спонтано прелази из уређенијег у мање уређено стање. У природи постоји тенденција ка неуређености.

Други закон термодинамике

• У затвореном термодинамичком систему ентропија може само да расте, достижући максимум у стању термодинамичке равнотеже:

dSs ≥0

• Овај израз значи да се у затвореним системима може догодити само таква промена стања, при којој се ентропија система повећава. При чему знак једнакости у претходној једначини важи за термичку равнотежу (изједначеност температура у систему), механичку равнотежу (изједначеност сила у систему) и концентрациону равнотежу (изједначеност састава материје).

​

Трећи закон термодинамике

• Трећи закон термодинамике декларише чињеницу да је немогуће снизити температуру било ког система до температуре апсолутне нуле која износи -273,5°С или 0К.

Ефикасност система

• Први и Други закон термодинамике могу да се објасне шемом идеалне толотне машине. У топлотној машини се врши трансформација топлоте у механички рад. Топлотне машине су мотори са унутрашњим сагоревањем и гасне турбине. Оне користе температурну разлику између топлотног извора (TИ) и хладнијег понора (ТП). Већ је дефинисан смер топлотног протока – од топлијег извора ка хладнијем понору.

Ефикасност система�L - механички рад који производи топлотна машина, Qt -топлотна енергија апсорбована машином и Qh – одбачена топлотна енергија у топлотни понор

• Ако претпоставимо да нема складиштења енергије у радној машини, примена Првог закона термодинамике би изгледала овако:

​

Ефикасност топлотне машине или њен степен корисности (ɳ)

• Tt - апсолутна температура топлотног извора, а Th – апсолутна температура топлотног понора.
• Ефикасност топлотне машине је већа, уколико је разлика између топлотног извора и понора већа.
• То указује да се енергетске трансформације треба да се обављају са што већим температурским разликама.

Ефикасност система

• Наведене формуле се односе на термодинамичке системе. Аналогијом се могу применити и на друге енергетске системе. Енергетска ефикасност се дефинише на следећи начин:

​

• Енергетска ефикасност

Вредности ефикасности енергетских трансформација

• У следећој табели су дате типичне вредности ефикасности неких енергетских трансформација са реалним губицима који настају у процесу. У табели се могу видети примери са међутрансформацијама, као на пример дизел мотор, који има међутрансформацију – топлотну енергију.

​

​

​

Основне енергетске величине су:

1. Потенцијал енергетских извора,

2. Врсте енергетских извора и

3. Енергетска ефикасност.

​

Потенцијал енергетских извора

• Енергетски извори имају потенцијал који се трансформише у корисну енергију.
• Потенцијал енергетског извора је параметар помоћу којег се може проценити сврсисходност његовог коришћења у енергетским процесима. Изражава се у јединицама за рад или енергију kWh или kJ.
• Ако је већи енергетски потенцијал извора, ефикаснија и економичнија је његова примена.

​

Врсте енергетских извора

• Примарни енергетски извори имају енергетски потенцијал који је последица спонтаних процеса који се одигравају у природи. У примарне изворе спадају фосилно и нуклеарно гориво, термалне воде, реке, мора, Сунце, ветар итд.
• Секундарни извори енергије се јављају као последица одређених технолошких процеса. То је на пример отпадни врели гасови, градско и индустријско смеће, отпадна топла вода и водена пара, отпад из пољопривредне производње (слама и биогас). Према неким ауторима у секундарне енергетске изворе спадају и прерађено фосилно гориво и нуклеарно гориво.

​

1 – количина сунчеве енергије која пада на земљу у току године, 2 – садашња употреба сунчеве енергије у току године, 3 – залихе природног гаса, 4 – залихе угља, 5 – залихе нафте, 6 – залихе урана, 7-светска потрошња енергије у свету у току године

• У светском енергетском билансу проценат традиционалних носача енергије за традиционалну енергетику износе 74%, док су обновљиви извори (углавном енергију биомасе и хидроенергију) заступљени са 19,5%, а нуклеарна енергија 6,3%.

Енергетска ефикасност

• Енергетска ефикасност дефинише степен трансформације енергетског потенцијала посматраног енергетског ресурса у корисну енергију за потребе привредe или у комуналне сврхе (на пример у топлоту потребну за одвијање неког технолошког процеса или грејање стамбеног простора).
• Енергетска ефикасност пре свега зависи од:
• 1. Степена ваљаности експлоатације енергетског ресурса – зависи од степена савршености опреме и технологије, која се примењује,
• 2. Начина транспорта и
• 3. Ускладиштења горива,
• 4. Ефикасности трансформације улазне енергије у енергију жељеног облика - зависи од степена савршености опреме и технологије, која се примењује и од ефикасности термодинамичког циклуса по коме се трансформација одвија.

​

Енергетска ефикасност

• Енергетску ефикасност (ɳе) је могуће дефинисати на следећи начин:
• ɳе = ɳv·ɳ1·ɳ2
• ɳе – степен ваљаности експлоатације, ɳ1 – енергетски степен корисности прве трансформације, ɳ2 – енергетски степен корисности друге трансформације.
• Енергетски трансформатор може бити уређај, процес или цео систем. Пример ефикасности једног енергетског система дат је у следећој табели. Укупна енергетска ефикасност је производ појединачних ефикасности свих трансформација и због тога укупна ефикасност може бити мања од појединачних ефикасности.

​

Ефикасност једног енергетског система

Ексергетска ефикасност

• Ексергетска ефикасност (заснована на Првом и Другом закону термодинамике) даје реалнију меру за енергетску ефикасност трансформације. Користи механички рад, а не енергију као основ за израчунавање ефикасности и дефинише се односом корисног рада и рада идеалног термодинамичког процеса.

Ексергетска ефикасност

• У пракси је компликовано користити претходну једначину за израчунавање ексергетске ефикасности. Уместо ње се користи конвенционална енергетска ефикасност (ɳ) и бездимензионални фактор квалитета (ν) за израчунавање ексергијске ефикасности (ε):

ε = ɳ · ν

Енергетске и ексергијске ефикасности неких уређаја �(J.M.Allwood, J.M., Theoretical efficiency limits for energy coversion devices, Energy, Volyme 35, Issue 5, 2010,pp 2059-2069).