Принцип действия теплового насоса и его использование в инженерной экологии

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Кафедра общей химии и экологии

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «ТОЗОС»

на тему:

 

Принцип действия теплового насоса и его использование в инженерной экологии

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка

группы 3403

Фазылова И.А

Научный руководитель:

Буданов А.Р.

                                                                         

 

 

 

 

 

Казань – 2011

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение	3
Глава 1. Принцип действия теплового насоса	5
1.1.Второе начало термодинамики  и его применение для объяснения  работы теплового насоса	8
1.2. Эксергетическаие диаграммы как  наглядный способ изображения  потоков энергии и энтропии	13
1.3. Расчет КПД и теплового  коэффициента	18
Глава 2. Использование тепловых насосов в инженерной экологии 2.1. Котлы-утилизаторы и метод  расчета их КПД 2.2. Выпаривание установки для  очистки сточных вод	21 23 25
Выводы	29
Литература	30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                      Введение

 

Тяжелые металлы уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как диоксиды углерода и серы, в прогнозе же они должны стать самыми опасными, более опасными, чем радиоактивные отходы АЭС и твердые промышленные отходы. Загрязнение тяжелыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве вкупе со слабыми системами очистки, в результате чего тяжелые металлы попадают в окружающую среду, в том числе водоемы и почву, загрязняя и отравляя их.

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение понятия «тяжелые металлы». В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к металлоидам (например, мышьяк).

Цель работы: исследовать возможности применения теплового насоса в инженерной экологии.

  

 

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        Глава 1. Принцип действия теплового насоса

 

Независимо от типа и конструкции это устройство выполняет, как правило, одну функцию — отбирает теплоту от окружающей среды и отдает теплоту при более высокой температуре в отапливаемое помещение или для подогрева в каком-либо техническом устройстве. Такой процесс перехода теплоты сам по себе происходить не может — это запрещено вторым законом термодинамики. Поэтому для обеспечения работы тепловых насосов необходима определенная затрата эксергии. Чаще всего для привода теплового насоса используется электроэнергия.

Рабочее тело в парообразном состоянии сжимается компрессором (поэтому установка и называется пароком-прессионной). Нагревшийся при сжатии пар охлаждается и переходит в жидкое состояние в конденсаторе; при этом от него при повышенной температуре отводится к потребителю (например, в нагреваемое помещение) теплота QT. Полученная жидкость расширяется в дросселе, и ее давление снижается. При этом часть жидкости испаряется и ее температура падает до несколько более низкой, чем температура окружающей среды. испарителе холодная жидкость, отнимая теплоту у окружающей среды, полностью испаряется и снова поступает в компрессор; цикл замыкается.

Возьмем для примера конкретные показатели работы насоса, близкие к тем, которые встречаются на практике.

Чтобы отапливать помещение и поддерживать в нем температуру +20°С, конденсирующееся рабочее тело должно иметь температуру, скажем, 50 °С (323 К). Пусть температура окружающей среды Гос будет —10 °С или 263 К (зимние условия). Для того чтобы рабочее тело могло кипеть в испарителе, отнимая теплоту от среды, оно должно быть несколько холоднее ее. Примем температуру кипения -20°С

Примем также, что отдаваемая в помещение тепловая мощность QT составляет 5 кВт, а подводимая к компрессору кВт. Тогда по энергетическому балансу тепловая мощность , отбираемая от окружающей среды, составит. Пользуясь этими данными, можно легко рассчитать все энергетические характеристики теплового насоса. Чтобы закончить рассмотрение баланса,характеризующего систему с позиций первого начала термодинамики, определим отношение полученной теплоты QT к затраченной электрической работе. Эта величина, называемая тепловым или отопительным коэффициентом, здесь имеет значение. Следовательно, на 1 кВт электрической мощности, подводимой к компрессору, в помещение отдается 2,5 кВт тепловой мощности. Тот факт, вызывает восторг у сторонников «энергетической инверсии». Называя коэффициентом полезного действия (вместо теплового коэффициента), они утверждают, что он (КПД) превышает 100 %, так как «концентрирует энергию», взятую из окружающей среды. Действительно, 3 кВт берутся из окружающей среды. Диаграмма наглядно показывает этот энергетический баланс в виде полосового графика, где ширина каждой полосы пропорциональна соответствующему потоку энергии.

 

 Полосовые  графики энергетического (а) и эксергетического  (б) балансов теплового насоса.

Теперь займемся анализом этого же теплового насоса с позиций второго закона термодинамики. Начнем с энтропии. В этом простом примере ее легко подсчитать. Действительно, отдаваемая энтропия.

Необратимые, реальные процессы в тепловом насосе приводят, естественно, действие теплового насоса никоим образом не противоречит второму закону термодинамики: энтропия растет. А как же с КПД и «концентрацией энергии?

Займемся этим и рассмотрим работу теплового насоса посредством составления и анализа его эксергетического баланса. В такой баланс, так же как и в энергетический, должны входить три члена, соответствующих энергетическим потокам. Однако один из них будет равен нулю, поскольку эксергия потока теплоты Q с, отбираемой из окружающей среды при с, равна нулю (по формуле Кар-но). Следовательно, в систему эксергия поступает только с электроэнергией (заштрихованная полоса соответствует эксергии); подсчитать ее легко, поскольку высокоорганизованная электрическая энергия полностью работоспособна.

Значит, поступающая эксергия Отводимая эксергия представляет собой эксергию отводимой теплоты она равна. Эксергетический КПД теплового насоса составит

Соответствующая эксергетическая из нее видно, что эксергетический баланс дает наиболее полную информацию об энергетических превращениях в системе. Он показывает, сколько полезной, работоспособной энергии затрачено, сколько получено и сколько потеряно вследствие необратимости, вызванной термодинамическим несовершенством процесса. КПД показывает (в отличие от теплового коэффициента) степень приближения процесса к идеальному: только 46 % подведенной эксергии «пошли в дело». Остальные 54% потеряны. Несмотря на то, что КПД существенно меньше 100 %, такой нагрев более эффективен, чем непосредственное электрическое или печное отопление; отсюда и стремление к использованию теплоты от теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и теплонасосных установок (ТНУ).

Рассмотрение теплового насоса, проведенное выше, показывает, что это очень хорошее и полезное на своем месте устройство. Однако нет никаких оснований считать, что он обладает чудесными свойствами. Тепловой насос приносит пользу, но, как всякая реальная установка, увеличивает энтропию, превращая более упорядоченную, организованную электроэнергию и менее организованную теплоту Qоc в еще менее организованный тепловой поток с большей энтропией. Никакой «концентрации» (если понимать ее как повышение качества энергии) поэтому он не производит. Тепловой коэффициент у него всегда больше единицы, но никакого чуда в этом нет,— это не КПД. Легко показать, что может иметь намного большие значения, чем  2 или 3, рассмотрев его изменение при разных внешних условиях.

 Большие числа, свидетельствуют не о чудесном извлечении «тепловой энергии» из окружающей среды, а лишь о том, что получаемая теплота очень низкого качества.

Тем не менее ажиотаж вокруг теплового насоса, основанный на больших значениях коэффициента преобразования, не проходит. Примером может служить статья Г. Лихошерстных «В поисках энергии», который, опираясь на «необычные свойства» тепловых насосов, дающих КПД, «в десятки и сотни раз превосходящие единицу», выдвинул оригинальную энергетическую идею. Он считает необходимым провести работы не только по «теоретическим исследованиям проблемы», но и «конечно же, по разработке экономичных способов превращения выдаваемой ими теплоты в электрическую энергию». Другими словами, он предлагает превращать в электроэнергию ту самую низкокачественную теплоту, о которой мы говорили выше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                              1.1.Второе начало термодинамики и его применение для объяснения работы теплового насоса

Второй закон термодинамики, как и первый, является эмпирическим, выводится непосредственно из опыта и определяет направление естественных (самопроизвольных) процессов, протекающих в природе. Известно много различных формулировок второго закона термодинамики, отражающих те или иные особенности таких процессов, иди ако его физическая сущность наиболее отчетливо раскрывается в формулировке, данной Больцманом. Он подчеркнул свойство природы стремиться от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным. Известно, что наиболее вероятным состоянием термодинамической системы является ее термодинамическое равновесие. Если теплоизолированную термодинамическую систему вывести из состояния термодинамического равновесия путем создания разности, например, температур между различными телами системы, то за счет самопроизвольных естественных процессов теплообмена эта система придет к состоянию термодинамического равновесия, при котором все тела системы будут иметь одинаковую температуру. На этом же очевидном факте основывается формулировка второго закона термодинамики, предложенная Клаузиусом (1850): теплота сама собой переходит лишь от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении.

Следовательно, равновесное состояние системы может измениться только вследствие внешнего воздействия со стороны окружающей среды.

Второй закон термодинамики, определяющий условия протекания термодинамических процессов в определенном направлении, имеет чрезвычайно важное значение для обеспечения эффективной работы тепловых машин.

Реальные термодинамические процессы всегда возникают в результате воздействия на систему окружающей среды, выводящей систему из состояния термодинамического равновесия. Следовательно, все реальные процессы являются неравновесными.

Однако неравновесные процессы чрезвычайно сложны и трудноприменимы для теплотехнических расчетов. Это приводит к необходимости такие неравновесные процессы определенным образом идеализировать. С этой целью неравновесные процессы обычно заменяются равновесными процессами, т. е. такими, при которых термодинамическая система последовательно проходит бесконечный ряд равновесных состояний, бесконечно близких друг к другу. Такой процесс можно представить протекающим очень медленно при исчезающие маломразличии состояний самой термодинамической системы и окружающей среды.

Пусть, например, состояние рабочего тела, характеризуемое определенными значениями давления р и удельного объема v в координации, р изображается точкой. Термодинамический процесс, сопровождающийся изменением этих параметров, изображается Кривой 1-2. Однако графическое такого процесса оказывается справедливым лишь при выполнении вполне определенных условий. Действительно, если скорость протекания процесса 1-2 конечна (что обычно имеет место в тепловых машинах), то непосредственными замерами параметров рабочего тела можно установить, что при конечной скорости движения поршня давление и температура оказываются различными в разных частях объема цилиндра. В частности, при расширении давление и температура в слоях, прилегающих непосредственно к днищу поршня, окажутся меньшими, чем в слоях, от него удаленных. Разность в значениях по объему тем большая, чем выше скорость процесса (движения поршня). В рабочем теле при этом условии появляются поля давлений и температур. Подобные поля сохраняются и при протекании процесса в обратном направлении (по пунктирной стрелке), стой лишь разницей, что более уплотненными и более теплыми окажутся в этом случае слои рабочего тела около днища поршня.

Таким образом, в обоих рассмотренных случаях равновесие в рабочем теле не устанавливается, поэтому такой процесс, называемый неравновесным, нельзя изображать в рассматриваемой диаграмме, так как само изображение предполагает, что для любой точки рабочего тела давление и температура одинаковы. В частности, в точке 1 во всех частях объема цилиндра должны быть единое давление единый удельный объем

Чтобы получить термодинамический процесс, близкий к равновесному, надо уменьшить скорость его протекания. Однако полное равновесие в любой его точке может быть достигнуто лишь тогда, когда поршень остановится пусть на самый короткий промежуток времени и процесс прервется. Если затем процесс продолжается и поршень, пройдя бесконечно малый путь, вновь остановится, то равновесие восстановится вновь, но с параметрами, бесконечно мало отличающимися от предыдущих.