Основы термодинамики автоматизации и регулирования. Понятие энтропии. Понятие располагаемой работы, обратимых и необратимых процессов. Однократное и повторное использование энергии.
Энергию можно использовать в двух видах: в виде тепла и работы. Работа является высшей формой энергии, поскольку ее можно полностью превратить в тепло, тогда как обратное невозможно. Только часть тепловой энергии, содержащейся в жидкости можно превратить в работу в замкнутом круговом процессе, что зависит от следующих факторов:
а) начального и конечного состояний жидкости;
б) термодинамического к.п.д. процесса.
Располагаемая работа – все неограниченно превратимые формы энергии, преобразование которых в любую другую форму допустимо по второму закону термодинамики.
Второй закон термодинамики утверждает, что тепло нельзя полностью превратить в работу в круговом процессе (т.е. некоторое количество тепла останется непреобразованным). Причина этого ограничения состоит в том, что можно достичь равновесия только в результате перетекания тепла или массы от высокого энергетического уровня к низкому.
Э
нтропия
– мера беспорядка системы. Изменение
энтропии
термодинамической системы при обратимом
процессе –
отношение общего количества
тепла
к величине абсолютной
температуры
(то есть тепло, переданное системе, при
постоянной температуре).
Обратимый процесс – в котором состояние жидкости изменяется благодаря приложенной работе и в котором жидкость, возвращаясь в исходное состояние, может произвести такое же количество работы. Примером обратимого процесса является процесс в идеальном компрессоре, работающем на идеальном газе.
Если система совершенна, т.е. в ней нет трения или потерь тепла, расширение газа может произвести в точности такое же количество работы, которое было затрачено на его сжатие.
На практике потери на трение и тепловые потери, а также неидеальность жидкости, приведут к тому, что восстановится меньшее количество работы, чем было приложено, процесс сжатия - расширения по крайней мере теоретически является обратимым.
Необратимые процессы характеризуются свободным падением и переходом от порядка к беспорядку. Всякая затрата энергии, при которой не восстанавливается работа, является необратимой. Течение всегда происходит от более высокого уровня к низкому. Если при этом течении восстанавливается работа, то прикладывая работу, поток можно обратить, по крайней мере, частично. Но если из потока работа не извлекается, то процесс полностью необратим.
Имеются три общие категории необратимых операций, встречающихся в технологических процессах в промышленности:
1. Смешение жидкостей, имеющих различные составы и температуры.
2. Передача тепла.
3. Течение жидкостей через устройства, создающие сопротивление.
Однократное и повторное использование энергии
Наибольшие возможности для экономии энергии в промышленности заключаются в многократном использовании энергии. Жидкости, имеющие в какой-либо установке наибольшие температуры и давления, содержат также наибольшее относительное количество располагаемой работы. Поэтому их следует использовать для приведения в действие двигателей, в которых происходит расширение рабочего тела,(турбин), чтобы извлечь по крайней мере часть содержащейся в рабочем теле располагаемой работы и перевести ее в механическую энергию для насосов и компрессоров или для генерирования электроэнергии. Но, вместо того чтобы отводить отработавшее рабочее тело в конденсатор, следует использовать содержащееся в нем тепло в качестве технологического тепла. В установке с совершенным энергетическим балансом не должна потребляться электроэнергия и не должен конденсироваться пар над холодной водой или в холодном воздухе.
Работу по возможности следует извлекать из источника энергии высокого уровня
Преобразование тепла в механическую работу, а затем в электроэнергию - наиболее очевидный пример использования тепла, но он далеко не единственный
Располагаемая работа и способы ее сохранения. Располагаемая работа обратимых процессов. Дросселирование, смешение и теплоотдача –необратимый процесс; обеспечение минимальных потерь энергии. Рациональный выбор регулирующего органа
Располагаемая работа – все неограниченно превратимые формы энергии, преобразование которых в любую другую форму допустимо по второму закону термодинамики.
Второй закон термодинамики утверждает, что тепло нельзя полностью превратить в работу в круговом процессе (т.е. некоторое количество тепла останется непреобразованным). Причина этого ограничения состоит в том, что можно достичь равновесия только в результате перетекания тепла или массы от высокого энергетического уровня к низкому.
Обратимый процесс – в котором состояние жидкости изменяется благодаря приложенной работе и в котором жидкость, возвращаясь в исходное состояние, может произвести такое же количество работы. Примером обратимого процесса является процесс в идеальном компрессоре, работающем на идеальном газе.
Если система совершенна, т.е. в ней нет трения или потерь тепла, расширение газа может произвести в точности такое же количество работы, которое было затрачено на его сжатие.
На практике потери на трение и тепловые потери, а также неидеальность жидкости, приведут к тому, что восстановится меньшее количество работы, чем было приложено, процесс сжатия - расширения по крайней мере теоретически является обратимым.
Дросселирование. Чтобы управлять машинным оборудованием, необходимо воздействовать .на потоки жидкостей и газов либо путем ступенчатого регулирования с помощью двухпозиционных. приборов типа "включено - выключено", либо непрерывно с помощью дросселирующих устройств. Так как регулирование по схеме "включено - выключено" редко удовлетворяет предъявляемым требованиям, поскольку оно не позволяет достичь стационарного режима, то большей частью регулирование осуществляется путем дросселирования.
Дросселирование определяется как уменьшение давления, не соп-ровождающееся отводом энергии .ни в виде тепла, ни в виде работы. Существенно, что дросселирование осуществляется с минимальными потерями энергии. Хотя дросселирующие устройства непосредственно и не расходуют энергии, в них теряется располагаемая работа, и вследствие этого после прохождения дросселирующих устройств энергия становится менее полезной. В конечном счете энергия затрачивается напрасно.
Смешение. То, что смешение необратимо, должно быть очевидным, ибо оно не производит работы, тогда как для обратного процесса - разделения - требуется работа. Энергосодержание смешанных продуктов не выше, чем энергосодержание сырья, следовательно, на разделение необходимо затратить энергию.
Поэтому присущая каждому продукту ценность заключается в чистоте его состава, и, чтобы получить этот состав, необходима энергия.
Процессом, обратным разделению, является смешение. Если для разделения требуется работа, то при всяком соединении жидкостей| имеющих разные составы, теряется некоторое количество работы. Эти потери работы можно определить по энтропии смешения.
Теплоотдача. Рабочее тело в тепловом двигателе должно получать тепло, чтобы его температура повысилась до максимума, и отдавать тепло, чтобы его температура понизилась до минимума. Разность между количествами получаемого и отдаваемого рабочим телом тепла представляет собой работу, произведенную двигателем. Так как на поверхности, через которую происходит передача тепла, должна существовать некоторая разность температур, пропорциональная тепловому потоку, то рабочее тело никогда не нагревается до температуры источника тепла и никогда не охлаждается до температуры окружаюшей среды. Следовательно, работа, которую можно получить от горячего рабочего тела, всегда меньше располагаемой работы в отношении, равном отношению этих разностей температур. Эта потеря располагаемой работы обусловлена необратимостью, присущей процессу теплоотдачи, и ее можно непосредственно вычислить в виде прироста энтропии.
Рациональный выбор регулирующего органа
Регулирующий клапан должен работать в системе с трубопроводами, резервуарами и первичным двигателем каждого потока. В общем случае сначала определяют характеристики резервуаров, затем рассчитывают трубопроводы. Далее выбирают насос или компрессор, предполагая, что регулирующий клапан вносит некоторые дополнительные потери давления в системе(25-33%.). Выбор первичного двигателя определяет и потери мощности на регулирующем клапане. В любом заданном потоке двигатель создает определенный напор, часть которого теряется на заданных сопротивлениях резервуаров и трубопроводов, а соответствие между этими потерями устанавливает регулирующий клапан. Поэтому изменение клапана без изменения первичного двигателя не может повлиять на потери работы на самом клапане.
Размер регулирующего клапана нужно выбирать до выбора первичного двигателя. Допустимый перепад давления на клапане необходимо определять, исходя из требуемого диапазона регулирования, а не задавать произвольно. Если располагаемый перепад давления на клапане слишком мал, то его воздействие на процесс заметно изменяется в зависимости от расхода, и регулирование может стать неосуществимым. Наступление этого момента строго зависит от необходимого в данном процессе диапазона регулирования и от номинальных характеристик регулирующего клапана.