Принцип действия теплового насоса и его использование в инженерной экологии

Процесс, протекающий указанным образом на всем своем протяжении, состоит из ряда последовательных состояний равновесия и может быть поэтому назван равновесным процессом. Такой процесс является только теоретическим  процессом.  Действительные  процессы, всегда протекающие с конечными скоростями, к равновесным процессам могут лишь приближаться в той или иной мере. Термодинамика рассматривает именно равновесные процессы благодаря их простоте. Полученные для них закономерности широко используются в практикической теплотехнике, потому что скорость распространения им пульсов давлений по объему рабочего тела значительно больше скорости : движения поршня и при любом его положении состояние рабочего тела мало отличается от равновесного.

К числу равновесных процессов можно также отнести процессы, протекающие бесконечно медленно. Так, если давление на внутреннюю поверхность поршня со стороны рабочего тела превышает давление внешней среды, действующее на другую сторону поршня, на бесконечно малую величину, то последний будет бесконечно медленно двигаться в сторону расширения газа. При перемене знака будет происходить бесконечно медленное сжатие газа. При равенстве давлений по обе стороны поршня он остановится и наступит одно из промежуточных состояний равновесия в случае теплового взаимодействия рабочего тела е внешней средой бесконечно медленное протекание процесса возможно лишь тогда, когда температуры газа и окружающей среды отличаются друг от друга на бесконечно малую величину под действием которой те подводится   или   отводится   бесконечно  малое   количество   теплоты

Поэтому приведенное выше представление о равновесном процессе как о ряде последовательных состояний равновесия можно дополнить равновесным процессом называется такой, который протекает при отсутствии разности давлений и температур между рабочим телом и окружающей средой. Таким образом, равновесный процесс является предельным случаем неравновесного процесса при стремлении скорости этого процесса к нулю. Для термодинамики большое значение имеет и другая характерно процесса — его обратимость.

Пусть после прямого процесса 1-2 следует обратный процесс 2-1 Как, что всеми своими точками совпадает с прямым процессом, т. е. происходит в обратной последовательности через те же состояния, что Ей прямой. Получить такое совпадение состояний в прямом и обрат-ном процессах можно лишь в том случае, если процессы эти равновесные. В самом деле, если процесс неравновесный, то в зависимости от правлений процесса в газе должны существовать поля давлений и температур, разные по своему распределению, и поэтому для одного и го же положения поршня в прямом и обратном процессах состояния рабочего тела будут разными. Для равновесного же процесса каждому ложению поршня всегда соответствуют единые давление и температура-газа независимо от направления движения поршня через данную 4ку. В результате обращения процесса рабочее тело возвратится первоначальное состояние, т. е. в точку. При совпадении прямого и обратного процессов термодинамической темы вернется в исходное состояние также и окружающая среда. площади под прямым и обратным процессами одинаковые по размеру, разные по алгебраическому знаку, поэтому положительная работа процесса расширения 1-2 окажется равной отрицательной работе пропса сжатия 2-1, а количество теплоты, подведенное к рабочему телу процессе 1-2 из окружающей среды окажется равным количеству теплоты, отведенному в окружающую среду в обратном процессе 2.-1, Поскольку крайние точки обоих процессов одни и те же, изменение внутренней энергии между ними одинаковое по размеру, разное по знаку. Поэтому если в прямом процессе внутренняя энергия возрастала, то настолько же она уменьшится в обратном процессе, наоборот. Таким образом, в результате обоих процессов никаких изменений "в рабочем теле, ни в окружающей среде не произойдет. Процессы, подобные описанному, называются обратимыми. Следовательно, обратимым называется равновесный процесс, проходящий прямом и обратном направлениях через ряд одинаковых состояний, но в обратной последовательности, и возвращающий как рабочее тело так и внешнюю среду в исходное состояние. Если хотя бы одно из указанных условий не выполняется, то процесс является необратимым.

Для получения обратимого процесса должны быть созданы условия, указанные выше для равновесных процессов. К ним относятся отсутствие (в пределе) разности давлений и температур между рабочим телом и окружающей средой в любой момент времени.

Физике известны два процесса, являющиеся обратимыми при условии бесконечно медленного их протекания. К ним относятся изотермный, идущий при неизменной температуре, и адиабатный, не сопровождающийся теплообменом с внешней средой. Изотермный процесс проходит при одинаковой температуре источника и рабочего тела, поэтому, естественно, обеспечиваются условия передачи отводимой от тела теплоты в обратном процессе источнику теплоты от которого в прямом процессе эта теплота была заимствована. Выше указывалось, что при совпадении прямого и обратного процессов эти количества теплоты равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку. То же можно сказать в отношении работы, которой обменивается рабочее тело о окружающей средой. В результате протекания процесса в обоих направлениях и тело и среда возвратятся в исходное состояние, что и обусловит обратимость изотермного процесса.

При выполнении определенных условий можно представить себе обратимым любой термодинамический процесс. Эти условия состоят в том, что процесс должен быть разбит на бесконечно большое количество элементарных процессов каждый из которых взаимодействует со своим ИТ. Таким образом, и источников теплоты в этом случае должно быть бесконечно большое количество. Элементарные же процессы предполагаются настолько малыми, что дают возможность считать температуры тела в их пределах постоянными, а при переходе от одного элементарного процесса к другому — температуру рабочего тела, изменяющуюся на бесконечно малую величину. Если все эти источники теплоты имеют температуры, равные температурам рабочего тела  на  обслуживаемых ими участках, то рассматриваемый   процесс

оказывается разбитым на бесконечно большое количество элементарных обратимых процессов. При последовательном обращении всех этих процессов можно, очевидно, обратить и весь конечный процесс любого вида.

Необратимость процессов, происходящих в реальных тепловых машинах, как уже отмечалось, вызывается прежде всего конечной скоростью протекания процесса. В дополнение к этому необратимость обусловливается также наличием трения, пластическими деформациями и тепловыми потерями в окружающую среду, т. е. факторами,   имеющими место в действительных тепловых машинах. Так, например, в процессе расширения на преодоление трения расходуется некоторая доля работы, совершаемой рабочим телом, поэтому потребителю передается меньше работы, чем передавалось бы при отсутствии трения. Наоборот, при сжатии потребуется больше работы, так как кроме сжигания газа необходимо еще преодолевать трение, на что также расходуется работа.

Следовательно, условиями обратимости термодинамического процесса являются квазистатичность изменений состояния системы, участвующей в процессе, отсутствие трения и других диссипативных факторов. Обратимые процессы являются следствием идеализации реальных необратимых процессов.

В связи с вышеизложенным второй закон термодинамики применительно к тепловым процессам можно сформулировать так: процесс, три котором не происходит никаких изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, поэтому теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в термодинамической системе, например без затраты работы. В этой формулировке, так же как и в предыдущих,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                         1.2. Эксергетическаие диаграммы как наглядный способ изображения потоков энергии и энтропии

 

 Главной задачей технической термодинамики является анализ условий преобразования одних видов энергетического воздействия в другие, т. е. условий превращения энергии. Это необходимо во всех случаях, когда имеющиеся источники первичной энергии вырабатывают ее не в той форме, какая нужна потребителю, или же когда источника энергии (температура, давление, электрическое напряжение и т. д.) не соответствует потенциалу потребителя.

В большинстве случаев преобразователь получает первичную энергию в какой-либо одной форме, а отдает энергию потребителям в нескольких формах, причем одна (или немногие) из этих форм является полезной, а остальные — побочными и составляют так называемые «потери» энергии. Эффективность преобразования энергии в общем случае характеризуется отношением количества полезной энергии, отдаваемой потребителям, к количеству первичной энергии/полученной преобразователем от источника.

Если первичная энергия является работой любого вида, то с помощью идеального преобразователя в котором отсутствуют неравновесные, необратимые процессы (трение, электрическое сопротивление, диффузия и тому подобные процессы диссипации), она может быть полностью преобразована в энергию любого иного вида. Максимальная теоретическая эффективность преобразования работы в любую иную форму энергии (т. е. наибольший КПД преобразователя работы) равна единице. В реальных преобразователях имеются процессы диссипации, которые переводят часть энергии, подведенной в форме работы, в энергий) хаотического теплового движения микрочастиц тел, участвующих* в процессе преобразования, в связи с чем эффективность преобразования снижается. Такое снижение эффективности вызвано наличием необратимых процессов, поэтому для характеристики эффективности преобразователей работы необходимо воспользоваться вторым законом термодинамики и следствиями, из него.

Если вся первичная энергия или часть ее подводится к преобразователю в форме теплоты, то, согласно второму закону термодинамики, полное превращение в работу в принципе невозможно. Если преобразователь (тепловой двигатель) работает по замкнутому циклу, т. е. не совершает работу за счет собственной внутренней энергии, то эффективность преобразования теплоты в работу в идеальном, обратимом тепловом цикле характеризуется значением термического КПД цикла, имеющим максимальное значение для цикла Карно. Однако понятие термического КПД цикла недостаточно для полной характеристики эффективности процессов и устройств для преобразования энергии. Действительно, цикла не отражает потерь, вызванных необратимостью реальных процессов, необходимых для преобразования энергии, и непригодно для характеристики таких преобразователей, в которых полезно используемая потребителями энергия отдается не только в виде работы, но и в виде теплоты (например, в теплофикационных установках).

При сравнении тепловых двигателей, использующих теплоту различных температурных потенциалов, термический КПД цикла отражает лишь внешние условия, но совершенство самой машины, так как в выражения вида входят температуры источника и приемника теплоты, но не характеристики рабочего тела в цикле. Для учета конкретных потере в практику были введены дополнительные показатели эффективности преобразования, такие, как индикаторный, относительный, электрический, эффективный и другие КПД машин и отдельных их элементов. Разнородность этих коэффициентов затрудняет сравнительный анализ эффективности тепловых  двигателей.

Кроме того, термический КДЩ цикла не может служить показателем фиктивности обратных термодинамических циклов и машин, работающих по таким циклам, не может быть непосредственно использован для оценки эффективности преобразования энергии в разомкнутых Термодинамических процессах (например, при анализе работы отдельных элементов двигательной установки).

    В зависимости  от вида термодинамической системы, источников первичной энергии и условий протекания процессов в системе максимальное количество работы выражается различными соотношениями, получившими общее название функций работоспособности.

При получении выражений этих функций системы, находящейся в некотором начальном состоянии или совершающей некоторый термодинамический цикл, необходимо установить ее конечное состояние и оговорить условия перехода из одного состояния в другое.

Система может производить полезную работу лишь при отсутствии равновесия между ней и окружающей средой, поэтому за конечное состояние системы в случае разомкнутого процесса принимается состояние равновесия системы с окружающей естественной средой (например, с атмосферой), температура ТO и давление р0 которой принимаются постоянными

Согласно второму закону термодинамики, работа будет максимальна, если при переходе системы в состояние равновесия с окружающей средой все процессы будут полностью обратимыми (равновесными). Если при этом система получает первичную энергию от источников, то эти процессы также должны быть равновесными. Из условия обратимости следует, что теплообмен с окружающей средой может происходить только в равновесном изотермном процессе при температуре 0. Процесс обмена работой также должен быть равновесным, но при этом нужно учесть, что не вся работа, совершаемая системой, может быть отдана потребителю: часть ее должна быть затрачена на вытеснение соответствующего объема окружающей среды с противодавлением Поэтому при вычислении функций работоспособности учитьшается только полезная работа равная разности работы деформации системы и работы по вытеснению объема окружающей среды:

Полезной работой проточной системы является располагаемая работа, так как при выводе уравнения работа вытеснения окружающий среды (работа проталкивания) была учтена. 1 Ч 1

Для получения функции работоспособности проточной термодинамической системы рассмотрим процессы, в результате которых рабочее Тело, поступая в.систему с начальным состоянием, изменяет свое состояние до состояния 0, соответствующего равновесию с окружающеи средой (давление и температура). При этом рабочее тело отдает потребителю . некоторое количество располагаемой (полезной) paботы.  Вначале проводится адиабатный процесс, в ходе которого рабочее тело обменивается окружающей средой некоторым количеством работы, а температура рабочего тела становится равной температуре источника теплоты.

В процессе рабочее тело получает от источника теплоту в количестве так, что температура рабочего тела все время равна температуре источника (для выполнения условия обратимости). В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело изменяет свою температуру до температуры окружающей среды, совершая работу. Если при достижении температуры давление рабочего тела оказалось не равным давлению окружающей среды, то для достижения равновесие совершается изотермный процесс, в котором рабочее тело отдается окружающей среде некоторое количество теплоты

Суммарные количества располагаемой работы и теплоты, которым обменивается рабочее тело с источником теплоты, потребителем работы и окружающей естественной средой при переходе от состояния  к состоянию 0, связаны уравнением первого закона термодинамики для проточной системы

Суммарное изменение энтропии определяется суммой изменений энтропии рабочего тела, источника теплоты и естественной окружающей среды причем интеграл берется по всему процессу подвода теплоты к рабочему телу. Знак минус перед интегралом учитывает тот факт, что энтропия источника в результате отдачи теплоты убывает. Изменение энтропии окружающей среды с учетом постоянства ее температуры