§6. Эксергетический метод анализа процесса трансформации тепла
По второму закону термодинамики теплота передается от более нагретого тела к менее. Ценность тепла определяется не количеством теплоты, а потенциалом теплоты по отношению к окружающей среде.
Таким образом, энергетическая ценность системы определяется не только ее параметрами, но и параметрами окружающей среды.
Работоспособность системы определяется эксергией Е (Дж).
Удельная эксергия – е (Дж/кг).
Эксергия – это величина работы, которую можно получить из данной термодинамической системы при ее обратимом взаимодействии с окружающей средой.
Электрическая и механическая энергия (эксергия) способна полностью превращаться в работу.
Их эксергия равна самой величине энергии.
Емех.эн.= Р
Тепловая энергия превращается в работу лишь частично.
Eq= τqQ
Величина τq– коэффициент пропорциональности, коэффициент работоспособности тепла, показывает какую долю работы можно получить от теплоты системы при обратимом взаимодействии с окружающей средой.
Рассмотрим цикл Карно для теплового двигателя и теплового трансформатора в области влажного насыщенного пара.
Площадь S11234S4 – подведенная теплота, Q1
Площадь 14S4S1 – отведенная теплота, Q2
Т.1 отличается от т.4 степенью сухости.
│Eq│ = Qподв– Qотв= T∆S – Tо.с ∆S
Тогда τq можно определить:
С другой стороны термический КПД цикла Карно определяется:
Т2 – температура отвода тепла
Т1 – температура подвода тепла
Если Т1=Токр ср , тогда
ηt = τq
Проанализируем 1
Для прямого цикла Т > Токр ср
0 <τq <1
τq >0 – работа в цикле производится (+L)
τq<1 – в работу превращается только часть подведенного тепла.
Для обратного цикла: Т < Токр ср
τq < 0 – работа в цикле затрачивается
Если Т << Токр ср , тогда τq -∞
Таким образом, для получения теплоты с потенциалом близким к 0 нам придется затрачивать большое количество работы.
Чем ниже температурный потенциал получаемого холода, тем затраты работы больше.
§7. Работа идеального парожидкостного теплового трансформатора. Основные термодинамические характеристики.
Рассмотрим цикл теплового трансформатора в области влажного пара.
КМ – компрессорная машина
ДТ – детандер
КД – конденсатор
И – испаритель
Влажный пар с параметрами т.1 сжижается в процессе 1-2 в компрессорной машине. Давление растет от Р1 до Р2, температура растет от tн до t2. С параметрами т.2 рабочее тело поступает в конденсатор, 2-3 – процесс конденсации с отводом теплоты qв. Процесс конденсации – изобарный, изотермический. т.3– жидкость.
Процесс 3-4 – адиабатическое расширение. Из жидкости переходит в состояние влажного насыщенного пара – т.4. Давление уменьшится от Р2 до Р1.
4-1 – процесс подвода тепла в испаритель (подводится q0 от охлаждаемого объекта).
q0 = Тн∆S – количество тепла, которое в испарителе получило рабочее тело.
Qв = Тв∆S – количество тепла, которое рабочее тело отдает в конденсаторе.
Энергетический баланс установки:
q0 + lкм = qв + lдт
Затраты работы в цикле:
l = lкм – lдт = qв – q0 = e
Для оценки эффективности затрат работы в цикле используется следующие величины:
Затраты работы, отнесенные к теплоте, подведенной к рабочему телу на нижнем уровне.
Эн= - τq, при Тв = То.с.
Т.о. затрата работы, отнесенная к холодопроизводительности равна коэффициенту работоспособности тепла по обратной величине, при условии, что Тв = То.с.
Физический смысл Энзаключается в том, что он показывает, сколько необходимо затратить работы на отвод от охлаждаемого объекта определенного количества тепла на уровне Тн.
Реальный цикл парожидкостной установки.
Холодильный коэффициент.
В реальных установках сжатие влажного пара практически невозможно, т.к. это ведет к разрушению компрессоров, поэтому сжимают сухой насыщенный пар или перегретый, т.е. т.1 должна переместиться вправо.
В реальных машинах часто детандирование заменяют дросселированием, при этом процесс адиабатного расширения заменяется на изоэнтальпийное расширение.
При этом упрощается конструкция всей системы.
Для получения большей холодопроизводительности в систему вводят дополнительные теплообменники – охладители.
1-2 – реальный процесс сжатия в компрессоре;
1-2’ – идеальный процесс сжатия (адиабатный);
2-3’ – конденсация в КД (везде изобарный, в области влажного пара еще и изотермический);
3’ – жидкость;
3’-3 – переохлаждение жидкости в охладителе промежуточном;
3-4 – процесс дросселирования на ДВ.
Влажный насыщенный пар с параметрами т.4 попадает в отделитель жидкости и делится на жидкость с параметрами т.5 и сухой насыщенный пар с параметрами т.1.
Жидкость попадает в испаритель, где получает тепло от потребителя холода.
Пар в испарившейся жидкости попадает в отделитель жидкости и цикл замыкается.
Внутренняя удельная работа сжатия компрессора.
Если компрессора снабжены устройствами охлаждения:
li = h2 – h1 - qкм
Внутренний относительный КПД компрессора.
Электромеханические потери на привод компрессора оценивается с помощью электромеханического КПД.
Внешняя работа компрессора, отнесенная к клеммам электродвигателя характеризует использование электроэнергии и рассчитывается:
КПД электромеханический учитывает потери в электрических сетях и потери электропривода.
l характеризует расходы электроэнергии.
4. Удельный расход электроэнергии на единицу выработанного холода
qo - удельная теплопроизводительность установки
5. Холодильный коэффициент – величина обратная удельному расходу электроэнергии
Холодильный коэффициент численно равен количеству единиц холода, полученных на единицу затраченной электроэнергии.