Sprawność egzergetyczna wegetacji roślin

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1965

S e r i a : ENERGETYKA z . 18 Nr k o l . -*29

JAN SZARGUT, RYSZARD PETELA Katedr.a E n e r g e t y k i C i e p l n e j

SPRAWNOŚĆ EGZERGETYCZNA WEGETACJI ROŚLIN

S t r e s z o z e n i e . Zastosowano p o j ę c i e e g z e r g i i do ana

l i z y z j a w i s k występujących, p r z y w e g e t a c j i r o ś l i n . Omówiono b i l a n s e g z e r g e t y c z n y p r o c e s u w e g e t a c y j n e

f

o o r a z s pr awność e g z e r g e t y c z n ą w e g e t a c j i r o ś l i n , odano p r z y k ł a d o b l i c z e n i a b i l a n s u i s p r a w n o ś c i eg z e r g e t y o z n e j w e g e t a c j i d r z e w o s t a n u .

P o j ę c i e e g z e r g i i można z as to sować do oceny z j a w i s k e n e r g e t y c z nych w y s t ę p u j ą c y c h p rz y w e g e t a c j i r o ś l i n . Naj wa żn i ej sz ymi czyn

nikami w ż y c i u r o ś l i n y s ą woda i . ś w i a t ł o [1 ] , [ 3 ] . E g z e r g i a do

prowadzana do r o ś l i n s k ł a d a s i ę więo z e g z e r g i i Bg p r o m i e n i o wania s ł o n e c z n e g o o r a z z e g z e r g i i Ba opadów a t m o s f e r y c z n y c h . P r z y r o s t e g z e r g i i r o ś l i n A Br wynika z p r z y r o s t u i l o ś c i s u b - s t a n o j l r o ś l i n na rozważanym o b s z a r z e w danym o k r e s i e c z a s u . B i l a n s e g z e r g e t y c z n y rozważanego u kł adu zamyka s t r a t a e g z e r g i i <5B po wa ta j ąo a na s k u t e k n i e o d w r a c a l n o ś c i p ro ce ą u we geta cyjnego

Na p o ds ta wi e r ównania (1 ) można z d e f i n i o w a ć sprawność e g z e r - g s t y o z n ą 7 ^ r w e g e t a c j i r o ś l i n

1. B i l a n s e g z e r g e t y c z n y 1 sprawność e g z e r g e t y o z n a w e g e t a c j i r o ś l i n

B. + B • A B + <5B

s b r

7 b r " B8 + Ba ⁽2)

i

(2)

4 J a n S z a r g u t , Ryszard P a t e l a Wart ość B„ 8 n i e p r z e k r a c z a 1% w i e l k o ś c i B_ S 1 nośna j ą w r o z w aż an i ao h p r z y b l i ż o n y c h pominąć. S to s u n e k s p r a w n o ś c i e g z e r g e t y e z n e j do s p r a w n o ś c i t e r m i c z n e j . 1] ^ r w e g e t a c j i r o ś l i n nośna wówczas p r z e d s t a w i ć wzorem:

^b r _ b oh ’ (3 )

^ r " bA, Wd

g d z i e :

, bAi - j a s n o ś ć 1 e g z e r g l a j a s n o ś c i pr omi eniowania s ł o n e o z nego,

Wd , be}l - w a r t o ś ć opałowa i e g z e r g l a chemiczna s u b s t a n o j l r o ś l i n y .

J a k wynika z o b l i c z e ń [ 2 ] , p r ś y t e m p e r a t u r z e o t o o z e n l a T0 »

• 300® K, s t o s u n e k bA> / h ^ * 0 , 9 3 2 7 . Ponieważ s t o s u n e k V ' * 4 j e s t d l a o r g a ni o z ny o h s u b s t a n o j l r o ś l i n n y c h większy od j e d n o ś c i , ze wzoru ( 3 ) wynika, że sprawność e g z e r g e t y o z n a 7 ^ j e s t wi ęk s za od s p r a w n o ś c i t e r m l o z n e j ^ r w e g e t a c j i r o ś l i n

^ b r ^ t r

Należy z a z n a c z y ć , że p r z y r o z p a t r y w a n i u u r z ą d z e ń p r ze m y s ł o wych s prawność e g z e r g e t y o z n a j e s t z r e g u ł y m n i e j s z a od sprawno

ś c i t e r m l o z n e j ( c i e p l n e j ) ,

2 . Składniki b ila n su egzorgstycznego węg e ta o J l r o ś li n

P r z y j m u j ą c , ż e promi eniowanie s ł o n e c z n e można t r a k t o w a ć j a k o n i e s p o l a r y ż o w a n e i r ównomierne, e g z e r g i ę bA, t a k i e g o promie

niowani a wyrażoną w k J / (m2 s e o ) można w y r a z i ć n a s t ę p u j ą c o [ 2 ] :

(3)

Sprawność e g z e r g e t y o z n a w e g e t a c j i r o ś l i n 5 g d z i e :

a ■ 7,561 , 10“ 19 k J/ Cp 9 g r d ^ ) - uniw e r s e I n e s t a ł a ,

c^» 2 , 9 9 8 . 10 m/sec - p r ę d k o ś ć r o z p r z e s t r z e n i a n i a s i ę p r o mi eniowania w p r ć ż n i ,

Tq — bezwzględna t e m p e r a t u r a o t o c z e n i a , v - o z ę s t o ś ć d r g a ó , 1 / s e o ,

Kv - monochromatyczna J a s n o ś ć kierunkowa pr omi eni owani a p ro s t o l i n i o w o s p o l a r y z o w a n e g o , z a l e ż n a od o z ę s t o ś o i d r g a ń , k J / f m 2 s r d ) ,

Lv - e n t r o p i a w i e l k o ś c i Kv , z a l e ż n a od c z ę s t o ś c i d r g a ń , k J / f m 2 g r d s r d ) ,

w sp ó ł r z ę d n e kierunków zawar ty oh w o b r ę b i e k ą t a p r z e s t r z e n n e g o O) ,

co - k ą t p r z e s t r z e n n y , pod którym widać S ł o ń c e z Z i e m i , s r d . J e ż e l i p r z y j m i e s i ę , że w a r t o ś c i Kv s ą s t a ł e w p r z e d z i a l e c z ę s t o ś c i d rgań Av, p r z y w y n i k a j ą o e j s t ą d s t a ł e j w a r t o ś c i Lv w tym p r z e d z i a l e , wówczas w y s t ę p u j ą c e w równaniu ( 5 ) c a ł k i po

j e d y n c z e można z a s t ą p i ć sumą o dp owiedni ch i l o cz yn ó w. Ot rzymuj e s i ę więc wzór:

bA> ■ 2 C---J t W + ~ 8 l n ^

05

O p i e r a j ą c s i ę na p u b l i k a c j i [2] można p r z y j ą ć , że w a r t o ś ć o a ł k i podwójnej w y s t ę p u j ą c e j w r ównaniu ( 6 ) wynosi

J f o o B Ù sint5> H d<p * 2 , 1 6 . 1 0 “ % ( 7 ) CO

n a t o m i a s t w a r t o ś o i sum iloczynów s ą n a s t ę p u j ą c e : Z Kv AV - 10 079, 3 k J / i m 2 s r d a m )

£ L v AV » 2 ,2633 k J / f m 2 g r d s r d s e c )

( 8 ) ( 9 %

(4)

6 Jan S z a r g u t , Byszard P e t « ! » J a s n o ś ć promi en iowan ia s to ne oz ne g o h^> nożna o b l l c z y f ze wzoru

h j • 2 ( £ k v av ) s i n d dd d f MO')

00

Uwz ględniająo w a r t o ś c i ( 7 ) 1 ( 8 ) ot rzymuj e s i ę s e wzoru MO) w a r t o ś ć ■ 1 ,3707 kJ/(m^ s e o ) .

Dla o b l l o z e n i a e g a e r g l l ohemloznej boh w k J / ( k g p a l . w i l g . ) d l a drewna l u b t o r f u t e n . d l a p a l iw s t a ł y c h z a w i e r a j ą o y o h dużo t l e n u ( o / o > 0 , 6 6 7 ) n a l e ż y s t os owa ć metodę o b l i o s e ń podaną w pu

b l i k a c j i [ 4 ] . Można b e s w i e l k i e g o bł ę du p r z y j ą ć , że u d z i a ł g r a mowy s i a r k i s ss 0(wówozas podany w p u b l i k a c j i [4] wzór wyraża—

j ą o y normalną e g z e r g l ę ehemlozną może garażem s ł u ż y ć do o b l l o z e n i a e g z e r g i i oherrioznej przy dowolnej t e m p e r a t u r z e e t o o z e n l a

,

^{0 4 3 8}

-^

⁰

,

^{1 8 8 2}

^ -

⁰

,

^{2 5 0 9}

§- (

¹

+

⁰

,

^{7 2 5 6}

^) +

0 , 0 3 8 3

£

b o h “ f V 1 " \ ---

1

-

0 , 3 0 3 5

£

° ( 1 1 )

g d z i e :

- w a r t o ś ć opałowa w t e m p e r a t u r z e o t o o z e n l a ,

r - e n t a l p i a parowania wody p rz y t e m p e r a t u r z e o t o o z e n l a , w - u d z i a ł gramowy w i l g o o l w p a l i w i e

Dla o b l i c z e n i a e g z e r g l l opadów at mosf er yoznyoh Ba można p o s ł u ż y ć s i ę wzorem

B - ba ( 1 2 )

a a a

g d z i e :

bQ - eg ze rg la właśoiwa opadów atmosferyoEnyoh, 0 - i l o ś ć opadu atm osferycznego.

9

3 . Przykład b ila n s u oggergatyoznego drzewostanu

Dla p r z y k ł a d u można r o z p a t r z y ć b i l a n s e g z a rg et yo zn y dr zewo st an u n j o b s z a r z e 1 h e k t a r a w o k r e s i e 1 r o k u .

(5)

Sprawność e g z e r g e t y o z n a w e g e t a o j i r o ś l i n 7 P r zy t e m p e r a t u r z e o t o c z e n i a t Q » 8°C o tr z y m u j e s i ę ze wzo

r u ( 6 ) po u w z g l ę d n i e n i u w a r t o ś c i ( 7 ) , ( 8 ) i ( 9 ) w a r t o ś ć b^*

» 1 ,2815 k J / ( m 2 3 6 0 ) , Dla o b l i c z e n i a w i e l k o ś c i Bg p r z y j ę t o , t e ś r e d n i a r o c z n a w a r t o ś ć e g z e r g i l pr omi eniowania s ł o neozne go d o - o i e r a j ą o e g o do p o w i e r z o b n i z i e m i s t a n o w i 10$ e g z e r g i l pr omi eni o wanla s ło n e o z n e g o ( pa da j ąo eg o na p ł a s z o z y z n ę p r o s t o p a d ł ą do ki.e r unku p r o mi e n i ow a n ia ) d o c i e r a j ą c e g o do najwyższyoh warstw atmo

s f e r y , Otrzymuj e s i ę więo

B - 0, 1 , 1 ,2815 . 8760 , 3600 , 104- 40 413 , 106 k J / ( h a rok) Dla o b l i o z e n i a w i e l k o ś o i Bg p r z y j ę t o , że r o o zn a warstwa opadów a t m o s f e r y c z n y c h wynosi 0 , 7 m/rok o r a z że opadem J e s t wo

da o t e m p e r a t u r z e o t o o z e ń i a . E g z e r g i a właściwa t e j wody p r z y o l ś n i e n i u o t o c z e n i a 1 w i l g o t n o ś c i względnej p o w i e t r z a o t o o z e ń i a 9 1 $, ma w a r t o ś ć 10, 55 k J / k g . Na p o ds t a w i e wzoru ( 1 2 ) o tr z y m u j e s i ę :

B - 1 0 , 5 5 . 0 , 7 . 107 - 74 . 106 kJ/Cha r o k ) s

W rozważanym p r z y k ł a d z i e s t o s u n e k Ba /Bs « 0 , 0 0 1 8 3 .

Dla o b l i c z e n i a w i e l k o ś c i A Bj: p r z y j ę t o , ż e w bilansowanym u k ł a d z i e p o w s t a j e 3 m^/(ha r o k ) drewna o g ę s t o ś c i 450 k g / m ^ w i l g o o l 50$ o r a z o na s tę pu ją cym s k ł a d z i e chemicznym c z ę ś o l o r g a - n i o z n e j : o « 50$, h « 6 $ , o - 4 3$ , n ■ 0 , 0 8 $ ( u d z i a ł y gramowe).

War tość opałowa drewna wynosi więc *> 7 635 k J / ( k g p a l i w i l g . ) * Na p o d s t a w i e wzoru ( 1 1 ) można o k r e ś l i ć s t o s u n e k e g z e r g i l do w a r t o ś o l opałowej drewna ^ ^ / ^ d m »^1 , Wielkość A Br można więo o b l l o z y ć n a s t ę p u J ą o o :

aBr - 3 . 450 , 1 ,31 , 7 635 - 1 3 , 5 . 106 k J / ( h a r o k ) . Sprawność e g z e r g e t y o z n a w e g e t a o j i drzewos tanu w « rozważanym p r z y k ł a d z i e ma na p od s t a w ie wzoru ( 2 ) w a r t o ś ć :

(6)

8 J a p S z a r g u t , Ryszard P e t e l a S t o s u n e k bA> /h^> w rozważanym p r z y k ł a d n i e wynosi

i

- 1 i 231£ . 0, 9 36 9 h j 1 ,3678

Ze wzoru ( 3 ) wynika w a r t o ś ć s t o s u n k u s p ra w n o ś o l

J Ł J L • ■. . 1 , 4 0

” t r 0 , 9 3 6 9

Widać w ię o, że w rozważany® p r z y k ł a d z i e sprawność e g z e r g e - t y o z n a w e g e t a c j i d rz ew os ta nu j e s t około 40$ wi ęks za od sprawno

ś o l t e r m l o z n e j . Powyższy s t o s u n e k s p r a w n o ś o l d l a r ó żn y o h s u b - s t a n o j l zmienia s i ę w n i e w i e l k i c h g r a n l o a o h , ponieważ s t o s u n k i b o l / Wd 1 ^A’ ^ A ’ BBie nla^ s l S n i e z n a c z n i e .

Rękopis zł o żo n o w R e d a k c j i w d n i u 4 l l p c a 1964 r .

LITERATURA

[1] Handbuoh d e r P f l a n z e n p h y s i o l o g i e , Bd.V, Die C02 - A s s i m i - l a t l o n , T e l l 2 , p r ac a z b i o r o w a , r e d . A . P i r s o n , S p r i n g e r - Y e r la g 1960.

[2] P e t ą l a R . : E g z e r g i a j a s n o ś o l p r o mi e n i ow a ni a , Z e s zy t y Nauko

we P o l i t e c h n i k i ś l ą s k i e j nr 58, Ene rg e ty k a z . 9 , ( 1 9 6 2 ) s t r . 4 3 / 7 1 .

[3] S t r e b e y k o P , : Woda 1 ś w i a t ł o w ży o iu r o ś l i n y , PWN, Warszawa 1956.

[4] S z a r g u t J . j S t y r y l s k a T . : Angenaher te Bestlmmung d e r E x e r - g i e Ton B r e n n s t o f f e n , BWK 16 (1964) n r 1 2 , s t r . 59 1 /9 6 .

(7)

Sprawnodd eggergetyomna w e g e t a o j l r o d l i n 9

SKCEPrETiraBCKMil K.fl.J. BETBTAI1HH PACTERHK P e a d me

Abtoph npHMeHHBT noHHTHe sKcepreraaecK oro K .n .a . k aHara3y aHeprenraecKKX hb- jiem Z , BHCTynaxHunx npH Bererauasi pacTeraM. PaccMOTpeH aKcepreTaaecicall (JajiaHC npouecca B ereram ra a ero cocTaBJifromae: sKcepraH cojmeHHoro H3^ieHHH,3KcepraH aTMoc$epHHX ocajjtoB a aacepraH pacTBTejn>Horo MaiepaaJia. 3 ah npawep pac’iaTa aKcepreiaaecK oro SajiaHca a afccepreTaaecKoro ¡c.n.fl. B ererau aa aepeBteB.

THE EXERGY EFFICIENCY OF PLANT VEGETATION S u m m a r y

The c o n c e p t i o n o f e xe rgy f o r a n a l y s i s o f p l a n t v e g e t a t i o n phe

nomenon has been u s e d . The exergy b a l a n c e o f v e g e t a t i o n p r o o e s s and exer gy e f f i o i e n o y o f p l a n t v e g e t a t i o n has been d i s o u s s e d . The p a p e r i n o l u d e s t h e exemplary o a l o u l a t i o n o f t h e b a l a n c e and

e x er g y e f f i c i e n c y o f wood v e g e t a t i o n .