Принцип действия теплового насоса и его использование в инженерной экологии

Работа, совершаемая системой, имеет максимальное значение при условии полной обратимости всех процессов. При этом суммарное изменение энтропии всех тел, участвующих в равновесных, обратимых процессах, должно равняться нулю. При отсутствии источников первичной теплоты и работа может быть совершена только за счет собственной энергии рабочего тела, проходящего через проточную систему. (737)

Функция работоспособности рабочего тела в проточной системе получила название эксергии. Таким образом, эксергией называется максимальное количество располагаемой работы, которое может быть получено от рабочего тела в проточной системе в результате перехода рабочего тела в состояние равновесия с окружающей средой при условии, что окружающая естественная среда является единственным источником {или приемником) теплоты.

При фиксированных значениях параметров конечного состояния определяемых температурой и давлением окружающей среды, значение эксергии рабочего тела зависит только от его начального состояния. Поэтому эксергию считают функцией состояния рабочего тела при заданных условиях в окружающей среде.

Для определения функции работоспособности теплоты  следует рассмотреть случай, когда начальное состояние рабочего тела совпадает с его конечным состоянием. В данном случае совершение работы возможно только за счет первичной теплоты, получаемой рабочим телом от источника. Это эквивалентно получению работы в термодинамическом цикле2-3-4-5, когда рабочее тело периодически проходит через одни и те же состояния и его собственная энергия не расходуется на совершение работы.

Эксергия теплоты характеризует превращение теплоты в работу в цикле, поэтому для ее выражения не используются параметры состояния рабочего тела, совершающего цикл, а сама эксергия теплоты не является функцией состояния крытой системы при  наличии  подвода теплоты к  ней от источника теплоты

Как. и эксергия, эта функция является функцией состояния при фиксированных  параметрах окружающей среды.

Как правило, рабочее тело, покидающее тот или иной элемент преобразователя энергии (теплосиловой установки, холодильной машины и т. п.), не находится в состоянии равновесия окружающей средой поэтому сохраняет некоторую работоспособность. При этом работа, совершаемая рабочим телом в данном элементе установки, меньше максимально возможной, т. е. меньше, чем значение соответствующей функции работоспособности системы на величину эксергии рабочего тела покидающего систему. Чтобы выразить наибольшее количество работы, которое в этом случае можно получить от системы, следует из функции работоспособности системы вычесть эксергию уходящего рабочего тела и прибавить то количество первичной энергии, которое система может получить от источников в форме работы и превратить в полезную работу (или использовать для увеличения работоспособности рабочего тела

Графическое значение максимальной работоспособности эксергетические диаграммы.

Эксергия рабочего тела и эксергия теплоты допускают их наглядное представление на диаграммах состояния.

Изменение энтальпии идеального газа, входящее в формулу, изображается изобарным процессом, а количество теплоты  в изотермном  процессе. Таким образом, эксергия идеального газа в проточной системе изображается на диаграмме. алгебраической суммой площадей под соответствующими участками изобары и изотермы с учетом их знаков.

 

'

Рис. Определение эксергии рабочего тела •

а— с помощью диаграммы;  б —с помощью  ир диаграммы для проточной и закрытой систем рабочего тела представляет собой располагаемую работу, поэтому на ур. диаграмме (рис. б) ей соответствует пл. Эксергии рабочего тела  в  закрытой системе  на диаграмме соответствует

представляющая собой разность работы расширения и работы вытеснения - окружающей среды. Определение эксергии на диаграмме возможно не только для идеального газа, но и для реальных рабочих тел, если линии адиабатного и изотёрмного процессов будут нанесены на поле диаграммы в" соответствии с уравнениями этих процессов для рабочих тел.

Графическое определение эксергии рабочего тела для  реальных вещество можно   произвести  с помощью диаграммы.

Были предложены также диаграммы, на которых эксергия выбрана в качестве одной из координат (энтропия, эксергия, энтальпия — эксергия и др.). Однако каждая из таких диаграмм действительна только при одних, определенных параметрах окружающей среды что значительно ограничивает их применение. В этом отношении диаграмма более удобна, так как для определения эксергии при изменении условий - окружающей среды достаточно провести новую линию окружающей среды.

 

 

 

 

                           1.3. Расчет КПД и теплового коэффициента

 

Цикл Карно обладает очень важным свойством, которое формулируется в виде теоремы Карно: термический КПД цикла Карно не зависит от свойства применяемого рабочего тела и определяется только температурами высшего и низшего источников теплоты.

Если одна из машин, например паровая, работает как холодильная машина по обратному циклу Карно, то количества удельных  теплот участвующих в этом обратимом цикле, останутся без изменения, а работа, необходимая для функционирования холодильной машины, по абсолютному значению должна быть равна работе паровой машины как машины-двигателя и противоположна по знаку. Для привода паровой холодильной машины можно использовать работу газовой машины-двигателя.

Для измерения температуры, характеризующей тепловое состояние тел, применяют приборы, основанные на определении тех или иных свойств вещества, изменяющихся с изменением температуры. Такие вещества, используемые в термометрах, называются термометрическими. Основным требованием, предъявляемым к свойствам термометрических веществ, является монотонность их изменения с изменением температуры. Отсчет температур производится от произвольно выбранного теплового состояния, принимаемого за стандартное, которому приписывается нулевое значение температуры. В 1742 г. шведский физик А. Цельсий предложил за нулевую принять температуру плавления льда, точке кипения воды приписать 100°, а интервал между ними разделить на 100 равных частей (100 градусов). Цена одного градуса, таким образом, чисто условная величина. Распространение намеченного деления за пределы выбранных стандартных значений дает всю термодинамическую температурную шкалу. Эта шкала должна иметь на всем своем протяжении равномерные деления, для чего термометрическое свойство вещества должно изменяться прямо пропорционально температуре. Однако ни одно из термометрических тел, применяемых на практике, не обладает такой особенностью.

В связи с тем, что температура пропорциональна скорости движения молекул, желательно, чтобы температурная шкала содержала только положительные значения температур. Нулевое значение температуры в этом случае будет соответствовать тепловому состоянию, при котором скорости молекул равны нулю.

Отношение полученное на основании второго закона термодинамики, позволяет ввести температурную шкалу, не зависящую от свойств термометрического   вещества.   Соотношение  показывает:

1. Количества теплоты участвующие в цикле Карно, существенно положительны и их отношение также положительно. Следовательно, сами функции имеют одинаковые знаки.
2. Так как можно сделать вывод о монотонном изменении функции с температурой.
3. Количества теплоты их отношение и равное ему отношение не зависят от выбора начала отсчета температуры.
4. Выражение в соответствии с теоремой Карно справедливо для любого рабочего тела.

Указанные свойства выражения позволяют за меру температур источников принять функции В. Томсон предложил назвать их «абсолютными термодинамическими температурами», а основанную на них шкалу — «абсолютной термодинамической шкалой».

Следовательно, такими температурами называются функции, измеряющие тепловое состояние тел, отношение между которыми для каких-нибудь двух тел равно отношению количеств подводимой и отводимой теплоты в цикле Карно, где эти тела выполняют роль высшего и низшего источников теплоты.

Физически это значит, что скорости движения молекул холодного тела должны быть в этом случае равны нулю.

Термодинамическая температурная шкала равномерна. Действительно, если рассмотреть последовательный ряд двигателей Карно, каждый из которых характеризуется одним и тем же значением производимой работы. Теплота, отдаваемая одним двигателем, полностью поглощается другим.

Величина для рассматриваемой системы сопряженных двигателей равна удельной теплоте,, которая поглощается одним двигателем, работающим между температурами Поэтому и количество теплоты, отдаваемое этим двигателем низшему источнику теплоты, будет такое же, как для системы т сопряженных двигателей. Но тогда разность между любыми  соседними температурными уровнями составит т. е. не зависит от т. Это и является доказательством равномерности термодинамической температурной шкалы. Преимуществом такой шкалы является независимость ее от свойств термометрического тела (в соответствии с теоремой  Карно).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          Глава 2. Использование тепловых насосов в инженерной экологии.

Этапы цикла работы теплового насоса:

 

 

1   Охлажденный  жидкий хладагент подается в  теплообменник теплового насоса  – испаритель. При подаче более  теплого источника тепла ( наружного  воздуха, солевого раствора или воды) на испаритель, циркулирующий в нем хладагент забирает от источника тепла необходимую энергию для испарения и переходит из жидкого состояния в газообразное.

 

2   Компрессор  производит всасывание газообразного  хладагента и выполняет его сжатие.  За счет увеличения давления происходит повышение температуры – таким образом, хладагент "подкачивается" до более высокого температурного уровня. Для этого требуется электроэнергия.

 

3   Хладагент  направляется в расположенный  за компрессором конденсатор. Здесь хладагент отдает полученное ранее тепло в циркуляционный контур системы водяного отопления, переходя в жидкое состояние.

 

4  Затем с помощью расширительного клапана производится снижение имеющегося остаточного давления, и цикл начинается заново.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Использование тепловых насосов – один из эффективных энергосберегающих способов, позволяющих экономить органическое топливо, снижать загрязнение окружающей природной среды, удовлетворять нужды потребителей в технологическом тепле.

Тепловой насос - это установка, преобразующая низкопотенциальную возобновляемую энергию естественных источников теплоты или вторичных низкотемпературных энергоресурсов в энергию более высокого потенциала, пригодную для практического использования.

Источниками низкопотенциальной теплоты являются: атмосферный воздух, различные вентиляционные выбросы, вода естественных водоемов, сбросные воды систем охлаждения промышленного оборудования, сточные воды систем аэрации, грунт.

Тепловой насос состоит из конденсатора, капилляр, испарителя, компрессора, получающего энергию от электрической сети. Во внутреннем контуре также имеются: терморегулятор, являющийся управляющим устройством; хладагент, циркулирующий в системе газ с определёнными физическими характеристиками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                  2.1. Котлы-утилизаторы и метод расчета их КПД

 

Возьмем техническую характеристику некоторого произвольного навесного котла:

Полная мощность котла =23.000 Kcal/h (26,7 KW);

Полезная мощность котла=21.000 Kcal/h (24,03 KW);

Другими словами максимальная тепловая мощность горелки 23.000 Kcal/h (количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива), а максимальное количество теплоты, получаемой теплоносителем, составляет 21.000 Kcal/h.

Куда же пропадает разница между ними? Некоторое количество вырабатываемой теплоты (6-8%) теряется с уходящими дымовыми газами, а другое (1,5-2%) рассеивается в окружающем пространстве через стенки котла.

 

 

 

Рисунок - КПД неконденсационного котла

 

 

 

 

 

Если мы разделим полезную мощность котла на полную и умножим результат на 100%, то получим коэффициент полезного действия котла (КПД) в %.

Если мы внимательно вчитаемся в текст определения, то увидим, что полная мощность котла равна количеству теплоты, которое выделяется при сгорании топлива за единицу времени.

Таким образом, эта величина напрямую зависит от Низшей теплоты сгорания топлива, и не учитывает то тепло, которое может выделиться, при конденсации водяных паров из продуктов сгорания.

Другими словами это коэффициент полезного действия котла, относительно Низшей теплоты сгорания топлива.

Если принять во внимание величину теплоты конденсации водяных паров (см. Табл. 1), то можно представить следующую картину распределения тепловых потоков в неконденсационном котле.

Тогда, как в конденсационном котле, распределение тепловых потоков, будет выглядеть следующим образом:

 

 

 

Рисунок -Распределение тепловых потоков в конденсационном котле

 

Промежуточные выводы:

1. КПД 100 % и  более возможен, если за точку  отсчета принимать Низшую, а не  Высшую теплоту сгорания.

2. Полностью  использовать всю теплоту (явную  и скрытую) мы не можем по  техническим причинам, поэтому КПД  котла не может быть равный  или больший 111% (относительно Низшей  теплоты сгорания топлива).