книги / Эксергетические расчеты технических систем

]; ФОлыйр]

\

Теплоноситель

/ подогрева

Номера

смешения

Камера

орошения

Камера

смешения

вентилятор

)

Помещение

Рис. 7.14. Диаграмма Грассмана для системы кондиционирования воздуха по схеме 1 (рис. 7.13)

ханической). На рис. 7.14; 7.15; 7.16 приведены построенные такш^образом диаграммы Грассмана для рассмотренных выше трех схем систем кондицио­ нирования воздуха. Эксергия потока отрицательна и направлена противопо­ ложно движению воздушного потока на участке фильтр — воздухонагрева­ тель I. Восполнение механической составляющей происходит за счет термиче­ ской — подвода тепла к воздухонагревателю. Диаграммы Грассмана позволяют выявить и проанализировать по потерям эксергии те узлы, совершенствова­ ние которых термодинамически наиболее эффективно (табл. 7.8).

Потери эксергии в системах делятся на две группы — термодинамически неизбежные и вызванные несовершенством оборудования. К первой группе в рассматриваемом случае относятся потери эксергии в помещении. Они принци­ пиально неустранимы в рамках выбранной схемы, поскольку именно эксергия приточного воздуха обеспечивает полезный эффект системы — комфортные

условия в помещении , а при определении д*1*эти потери учитываются даже как полезный эффект.

Потери эксергии второй группы, вызванные несовершенством используе­ мого оборудования, принципиально устранимы. Из табл. 7.8 следует, что в первоочередном улучшении по всем схемам нуждается воздухонагреватель I. Один из путей уменьшения потерь эксергии в этом узле — понижение потен­ циала теплоносителя, например использование воды 70/30 °С вместо принятой 150/70 °С.

Таким образом, с помощью диаграммы Грассмана может быть проведен термодинамический анализ работы систем кондиционирования воздуха, отопле­ ния и вентиляции, а также рассмотрены вопросы совершенствования узлов сис­ темы и оборудования. Однако таким путем трудно оценить целесообразность процессов обработки собственно рабочего тела, поскольку на диаграмме не учитывается связь изменения его параметров с изменением эксергии потока. Для этой оценки может быть использована совмещенная /, d — Е, /-диа­ грамма.

Способ построения совмещенной /, d — Е, /-диаграммы заключается в том, что с полем выбранной диаграммы в координатах энтальпия — влагосодержание совмещается независимая от нее диаграмма в координатах эксергия — тем-

Фильтр

Воздухонагрева­

тель[подогрева

Номера

орошения

Воздухонагрева­ тель [ подогрев

Вентилятор

Помещение

Рис. 7.15, ДиаграммЭ Г^ссм^на Для системы кондиционирования воздуха по схеме 2 (рис. 7,13)

Фильтр j

Камера

смешения

Воздухонагрева­ тель тодогреда

Камара

орошения

тельу

Вентилятор

.Помещение

ме превратится в прямые Е = const на Е , /-диаграмме. Масштаб по оси Е выбирается произвольно, с учетом наглядности графического построения. По­ скольку диаграмма строится методом совмещения, взаимно соответствующи­ ми являются только прямые / = const. Семейство прямых Е = const относит­ ся лишь к процессу в £ , /-координатах. Непосредственно на Z, d-диаграмме эксергия какой-либо точки процесса не определяется. Для этого необходимо, используя соответствие по температуре, найти на £ , /-диаграмме аналог рас­ сматриваемой точки. Точно так же линии i = const, d = const и <p = const со­ ответствуют только /, d-диаграмме, и для нахождения этих величин точка из процесса в £, /-координатах должна быть перенесена в /, d-координаты.

Таким образом, совмещенная диаграмма может быть получена из любой /, d-диаграммы путем придания прямым d = const новых значений — Е =

Рис. 7.17. Процессы обработки воздуха на./, d — £, /-диаграмме для системы кондициони­ рования воздуха по схеме I (рис. 7.13)

Рис. 7.18. Процессы обработки воздуха на /, d — Е, /-диаграмме для системы кондициони­ рования воздуха по схеме 2 (рис. 7.13)

= const. Никаких дополнительных графических построений для этого не тре­ буется.

Графическое построение осуществляется на обеих частях диаграммы неза­

На рис. 7.17—7.19 приведены совмещенные /, d — £, /-диаграммы для рассматриваемых трех схем систем кондиционирования воздуха и идеализи­ рованного процесса НПт. Как видно из рисунков, графическое изображение процессов изменения параметров воздушного потока в Е, /-координатах совме­ щенной диаграммы более наглядно, чем даже в традиционных /, d-координатах, а точки, характеризующие располагаемую эксергию в различных частях систе­ мы, легко соотносятся с соответствующими точками в /, d-части диаграммы.

как несовершенством используемо­ го оборудования, характеризуемого большими потерями эксергии, так и принципиальным несовершенством реальных процессов работы системы кон­ диционирования воздуха.

Все реальные процессы в Е , /-координатах, направление которых противо­ положно направлению идеализированного процесса, термодинамически невы­ годны; также невыгодно превышение эксергии приточного воздуха в реальной схеме по сравнению с идеализированным процессом. Повышение эффективности работы системы нужно проводить путем ликвидации или, по крайней мере, уменьшения влияния этих факторов.

Таким образом, на i, d — £ , /-диаграмме прослеживается термодинами­ ческая рациональность заданной тепловлажностной обработки воздуха, что дает возможность оптимизировать циклы работы систем кондиционирова­ ния воздуха, отопления и вентиляции с точки зрения эксергетической целе­ сообразности независимо от конкретных характеристик используемого обору­ дования*

Такого рода оптимизация, проводимая как аналитически — по затратам эксергии и эксергетическим КПД, так и графически — по диаграммам Грассмана и i, d — Е, /-диаграммам, может служить основой для технико-экономи­ ческого сравнения и выбора систем, используемого оборудования и режимов его работы. При этом следует учитывать, что при оптимизации, рассчитывае­ мой раздельно методами термодинамики и экономики, могут, в принципе, полу­ читься существенно отличающиеся ответы. В этих случаях целесообразно де­ лать обобщающий эти методы термоэкономический анализ систем (§ 4 гл. 8). В то же время в большинстве случаев оптимизации систем кондиционирования воздуха, отопления и вентиляции рассматривается одинаковое или, по край­ ней мере, однотипное оборудование, что определяет хорошее совпадение реше­ ний, полученных указанными методами.

§4. Преобразование энергии

впотоке вещества под действием магнитного поля

Преобразования энергии в потоке Еещества под гействием магнитного поля происходят в специальных устройствах, например в кана­ ле МГД генератора. В процессе преобразования (передачи) энергии в таком ка­ нале участвуют все компоненты потока эксергии.

Принимается, что газ до входа в канал МГД генератора движется в прямом канале переменного сечения F с идеально изолированными стенками, через которые никакие потоки не проходят. Благодаря идеальной изоляции полный поток энергии через каждое сечение канала сохраняется одинаковым. Поток эксергии на протяжении канала уменьшается, а потери эксергии, соответствен­ но, растут в результате передачи энергии от одного энергоносителя другому. Поскольку предполагается абсолютная изоляция стенок канала, то в нем есть только внутренние потери Di эксергии, тогда как в любом реальном объекте существуют еще и внешние Det например с охлаждающей стенки водой.

Эксергетический КПД записывается как отношение потока полезной эк­ сергии на выходе из канала к ее потоку на входе.

На рис. 7.20 показана схема канала МГД генератора с идеальной изоляци­ ей и соответствующая эксергетическая диаграмма потоков. В начальном се­ чении Ов канал подается сжатый воздух (или другой окислитель). Его давление обеспечивает поток импульса в канале (температура воздуха принята равной температуре окружающей среды Г0.с, а энтропия — за уровень отсчета эксер­ гии). Через малую трубку вводится поток горючего с химическим потенциа­ лом G. Поток энергии в сечении О складывается из химической энергии горю­ чего и воздуха. В сечении 1 начинаются смешение горючего с окислителем, го­ рение и повышение температуры. Химический потенциал понижается, так как в процессе горения изменяется состав газов и начинается связанный со смеше­ нием и химическими реакциями рост энтропии. Скорость течения возрастает. В сечении 2 заканчивается смешение и повышается интенсивность горения. В сечении 3 горение прекращается, разность химических потенциалов исчеза­ ет, но увеличивается поток энтальпии и кинетической энергии о2/2.

13* ■19?

В сечении 4 начинается изоэнтропическое расширение газов в сопле Лаваля, отчего растет скорость и кинетическая энергия за счет снижения температуры Т и уменьшения потока энтальпии. Поток энтальпии не изме­ няется.

На входе канал МГД генератора в сечении 5 начинается торможение элек­ тропроводного газа в магнитном поле и от одного концевого электрода к друго­ му вдоль канала течет холловский ток плотностью jq. За счет снижения кинети­ ческой энергии возникает поток электроэнергии cpjqF и потенциал ср повышает­ ся. Поток энтропии растет из-за выделения джоулевой теплоты, но температу­ ра изменяется незначительно.

В сечении 6 полученная электрическая мощность подается на сопротивле­ ние R (потребителю), в котором генерированный потенциал падает, а ток сно­ ва вводится в канал в сечении 5.

Через сечение 7 проходит поток газов, эксергию которых можно использо­ вать в хвостовой установке (например, паротурбинной).

Точками показан поток потерь эксергии Г0.с5, совпадающий по форме с графиком потока энтропии S, поскольку Т0.с = const.

Использование сверхзвукового сопла перед каналом МГД генератора, т. е. предварительное преобразование энтальпии в кинетическую энергию, бывает нерациональным, и возможны схемы с расширением газов непосредственно в ка­ нале МГД генератора, в том числе и с догоранием в нем горючего (при дозвуко­ вой скорости). Этот вариант схемы показан на рис. 7.21, где все обозначения такие же, как на рис. 7.20. На диаграмме видно, что химическая эксергия топ­ лива в канале непосредственно преобразуется в электрическую.

§ 5. Термоэлектрические преобразователи энергии

Ф Термоэлектрические преобразователи энергии (ТЭП) от­ носятся к устройствам прямого (безмашииного) преобразования, что обеспе­ чивает их высокую надежность, автономность и компактность. Благодаря этим качествам ТЭП широко применяются как генераторы электроэнергии (ТЭГ) и холодильные установки (ТХУ). В основе функционирования термо­ электрических устройств лежат физические эффекты взаимодействия потоков теплоты и электрических зарядов в твердом теле. Среды и внешние воздействия, допускающие возможность термоэлектрического преобразования, представле­ ны в табл. 7.9.

В настоящее время достаточную для практических применений эффектив­ ность обеспечивают изотропные полупроводниковые среды, подвергаемые воздействию внешних полей. Наблюдаемые в этом случае эффекты Зеебека (возникновение ЭДС в разнородных проводниках с неизотермичными спаями) и Пельтье (поглощение или выделение теплоты в спаях разнородных провод­ ников с током) используются, соответственно, в ТЭГ и ТХУ. При дополнитель­ ном наложении магнитного поля в изотропной среде наблюдается эффектЭттинсгаузена, применяемый в целях криогенного охлаждения. Анизотропные тер­ моэлектрические среды используются, главным образом, в измерительной технике.