9606
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Л.М. Дыскин, М.С. Морозов
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОТЫ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Энергетические основы процессов трансформации теплоты и охлаждения»
для обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 Теплотехника и теплоэнергетика, профиль Тепломассообменные процессы и установки
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Л.М. Дыскин, М.С. Морозов
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОТЫ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям
(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Энергетические основы процессов трансформации теплоты и охлаждения»
для обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 Теплотехника и теплоэнергетика, профиль Тепломассообменные процессы и установки
Нижний Новгород
2016
УДК 621.59
Дыскин Л.М. Термодинамические основы процессов трансформации теплоты [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 38 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)
Ключевые слова: трансформация теплоты, охлаждение, тепловые устройства, теплообмен, эксергия.
Рассмотрены вопросы, связанные с расчетом трансформаторов тепла (холодильных и криогенных установок) и определением их эффективности. Приведены примеры решения задач по термодинамическим основам процессов трансформации тепла и примеры составления эксергетического баланса системы.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Энергетические основы процессов трансформации теплоты и охлаждения» по направлению подготовки 13.04.01 Теплотехника и теплоэнергетика, профиль Тепломассообменные процессы и установки.
©Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2016
©ННГАСУ, 2016
3
1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ
ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛА
Классификация трансформаторов тепла по таким признакам, как принцип работы, характер трансформации и характер протекания процесса во времени,
должна быть дополнена их разделением по существенному термодинамическо-
му признаку – характеру протекающих в них процессов.
1.1.Трансформаторы тепла с циклическими процессами
Втрансформаторах тепла этого класса осуществляется замкнутый про-
цесс (цикл). В них рабочее тело установки, совершив определенные процессы,
периодически возвращается в исходное состояние. Примеры процессов, пока-
занные на рис. 1, относятся к трансформаторам тепла этого класса. Рабочее те-
ло не переходит контрольную поверхность системы, не поступает в нее и не выходит за пределы. Таким образом, обмен энергией через, границы системы может происходить только в двух формах – тепла Q и работы L. Уравнение энергетического баланса такого трансформатора тепла в общем случае будет иметь вид:
Qвх Lвх Qвых Lвых |
|
|
|
|
|
|
|
или |
|
, |
(1.1) |
|
|||
Qвх Lвх Qвых Lвых 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где индексом «вх» обозначены входящие потоки энергии и «вых» – выходящие. (Здесь и далее все поступающие потоки энергии принимаются положительны-
ми, выходящие – отрицательными (по отношению к системе)).
Процессы в циклах трансформаторов тепла (как и в ряде других систем преобразования энергии) могут протекать с изменением параметров тела во времени в каждой точке системы и без их изменения. В первом случае процес-
сы будут нестационарными, во втором – стационарными.
4
Рис. 1. Принципиальная схема циклов трансформаторов тепла на Т-s диаграмме: а – рефрижератор; б – тепловой насос; в – комбинированный трансформатор тепла.
Рис. 2. Схема установки для осуществления обратного цикла Карно с нестационарными процессами I-IV.
Примером цикла с нестационарными процессами может служить класси-
ческий обратный цикл Карно, если его проводить в одном сосуде с поршнем. На рис 2 показаны схема соответствующей системы в четырех положениях (а) и
изображение процессов на T-s диаграмме (б). Здесь 1-2 – повышение давления
(Здесь употребляются термины «повышение давления» или «понижение давле-
ния» вместо «сжатие» и «расширение». Как известно, сжатие – это уменьшение
5
объема, а расширение – его увеличение. В данном случае при повышении давле-
ния происходит сжатие, а при понижении – расширение. Однако это не всегда так (например, при повышении давления в замкнутом неизменном объеме сжа-
тия не происходит). Строгость в отношении этих терминов необходима, так как при сжатии может происходить уменьшение давления, а при расширении – по-
вышение.) от p1 до р2 в процессе изоэнтропного сжатия с затратой работы L′1–2;
2-3 – изотермическое повышение давления от р2 до р3, сопровождающееся затра-
той работы L′2–3 и отводом тепла Q". Затем следуют процессы 3-4 (изоэнтропное понижение давления с р3 до р4, сопровождающееся возвратом работы L′′3–4)и 4-1
(изотермическое понижение давления с р4 до р1, которое связано с отдачей рабо-
ты L′′3–4 и подводом тепла Q').
Система, в которой протекает тот же цикл, но со стационарными процес-
сами, показана на рис. 3, а. Как видно из сравнения (рис. 2, б) и (рис. 3, б), диа-
граммы и все термодинамические характеристики процессов совершенно оди-
наковы. Параметры рабочего тела в каждой точке (1, 2, 3 и 4) на рис. 3, а не ме-
няются по времени, они стационарны.
Рис. 3. Схема установки для осуществления обратного цикла Карно со стационарными процессами: а – схема; б – цикл в T-s диаграмме.
Стационарность обеспечивается переходом рабочего тела из одного агре-
гатного состояния в другое; изменение параметров происходит с перемещением вещества в пространстве. В сосуде с поршнем (рис. 2, а) параметры переменны во времени; процесс в нем нестационарный.
6
Цикл Карно – один из циклов, которые могут быть осуществлены одина-
ково как в стационарных, так и в нестационарных условиях; большинство цик-
лов могут быть либо стационарными, либо нестационарными.
1.2.Трансформаторы тепла с квазициклическими процессами
Втаких трансформаторах тепла совершается разомкнутый процесс –
квазицикл. Его характерная особенность состоит в том, что рабочее тело после совершения процессов в определенной последовательности частично или пол-
ностью выводится из системы, а взамен него в нее поступают (непрерывно или периодически) новые порции рабочего тела, и процессы повторяются в той же последовательности. Таким образом, обмен энергией через границы системы (в
данном случае открытой, а не закрытой, как при циклических процессах) про-
исходит не только в виде тепла и работы, но и энтальпией с потоком рабочего тела.
Рис. 4. Изображение квазицикла и разомкнутого процесса на T-s диаграмме.
Уравнение энергетического баланса такой системы имеет вид:
Qвх Lвх Iвх Qвых Lвых Iвых , |
(1.2) |
где Iвх и Iвых – соответственно энтальпии входящих и выходящих потоков рабо-
чего тела (или тел).
Чаще всего разомкнутые процессы типа квазициклов применяются в сис-
7
темах, где используется атмосферный воздух. Такие квазициклы в ряде случаев,
как это будет показано ниже, обладают существенными преимуществами перед циклами при технической реализации.
Следует иметь в виду, что квазицикл представляет собой частный случай разомкнутого процесса; существуют разомкнутые процессы, не относящиеся к квазициклам. Эта разница иллюстрируется диаграммами на рис. 4, где а – об-
ратный квазицикл, б – разомкнутый процесс, не являющийся квазициклом. Из диаграммы видно, что для квазицикла характерны подвод тепла (в данном слу-
чае Q') при росте энтропии рабочего тела (от s2 до s3) и отвод (Q") с уменьше-
нием энтропии (с s1 до s2). Другими словами, при работе квазицикла, как и в цикле, происходит трансформация тепла.
В разомкнутом процессе (рис. 4, б) есть только подвод тепла Q' и одно-
стороннее изменение энтропии (в данном случае увеличение от s1 до s2). Есте-
ственно, что квазицикл может быть как обратным, так и прямым; в последнем случае тепло подводится на более высоком уровне и отводится на низком.
Квазициклы, как и циклы, могут быть стационарными и нестацио-
нарными.
1.3. Трансформаторы тепла с нециклическими (ациклическими)
процессами
В трансформаторах тепла этого класса состояние рабочего тела в процес-
се работы вообще не меняется; все его параметры постоянны во времени.
Примером могут служить трансформаторы тепла, основанные на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в паре разнородных электропро-
водных материалов (например, полупроводников), помещенных в электриче-
ское поле. В такой паре при пропускании через нее постоянного тока на одном из спаев поглощается тепло, а на другом выделяется. Таким образом, при уста-
новлении стационарного режима происходит процесс трансформации тепла без какого-либо изменения состояния или механического движения рабочего тела.
8
2. КАСКАДНЫЕ И РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТЕПЛА
Рассмотренные выше циклы и квазициклы трансформаторов тепла харак-
теризуются тем, что для их работы в определенном интервале температур Тв и
Тн необходимо изменять давление p (а в электрических и магнитных системах
напряженность электрического E или магнитного Н поля) в определенном ин-
тервале. (Например, для циклов на рис. 2 и 3 от p1 до р3, а на рис. 4 – от p4 до
р5.)
Рис. 5. Схема двух обратных циклов, работающих в разных температурных интервалах.
При прочих равных условиях, чем больше интервал температур Тв – Тн,
тем больше должен быть и интервал давлений p (или соответственно Н и Е). Это иллюстрируется схемой на рис. 5, где показаны два обратных цикла Карно, ра-
ботающих в разных интервалах температур. Очевидно, что для цикла 1'-2-3-4',
расположенного в интервале температур (Тв – Tн ) < (Тв – Tн ), требуется и ме-
нее широкий интервал давлений р3 – p1 чем для цикла 1"-2-3-4", для которого не-обходимо менять давление в большем интервале – от p1 до р3.
На практике при необходимости осуществить трансформацию тепла в большом интервале температур описанная выше закономерность приводит к существенным трудностям. Необходимо обеспечивать в компрессорах высокие степени повышения давления и работать либо с очень малыми давлениями на входе, либо с очень высокими на выходе. Аналогично необходимы высокие на-
9
пряженности электрического или магнитного полей.
Для того чтобы обойти эти трудности, были разработаны два метода по-
строения схем с прямыми и обратными циклами – каскадный метод и метод ре-
генерации тепла.
Заслуга разработки каскадного метода принадлежит Р. Пикте, который в
1877 г. осуществил первую каскадную холодильную установку, работавшую на двух рабочих телах – SO2 и CO2.
Р. Стирлингом в 1816 г. была изобретена регенерация применительно к прямому циклу, а к обратимому – в 1857 г. В. Сименсом.
Рассмотрим кратко идеи, положенные в основу каждого метода.
2.1. Каскадный метод
Идея этого метода заключается в замене одного цикла несколькими рас-
положенными каскадом, т. е. так, что каждый находящийся ниже по температу-
рам цикл передает тепло расположенному выше (в обратных циклах) или на-
оборот (в прямых циклах).
На рис. 6 на T-s диаграмме изображен каскад, состоящий из трех обрат-
ных циклов Карно. Циклы условно показаны разной ширины для более удобно-
го их восприятия; также условно показана конечная разность температур между
изотермами. На самом деле ширина циклов, определяемая интервалом
s = s1 – s2, одинакова. Чтобы обеспечить передачу тепла от нижерасположен-
ного цикла к вышерасположенному, необходимо, чтобы верхняя изотерма ниж-
него цикла была выше нижней изотермы верхнего (циклы каскада должны пе-
рекрывать один другой). Разность температур в идеальной системе – бес-
конечно малая величина. С помощью каскада можно осуществить трансформа-
цию тепла с тем же результатом, что и при едином цикле 1-2-3-4 (рис. 6, б). Од-
нако вместо большого интервала давлений (от p1 до р3), характерного для еди-
ного цикла, в каждом цикле каскада можно ограничиться существенно мень-
шим интервалом давлений, например от p1 до p3 или от p1 до p3 . В пределе