Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекції_тепл_1.doc
Скачиваний:
2
Добавлен:
19.08.2019
Размер:
4 Mб
Скачать

1.1.4. Визначення необоротних процесів

Необоротні процеси характеризуються вільним рухом і переходом від порядку до безладу. Будь які втрати енергії, при яких не відновлюється робота є необоротними. Рух завжди спрямований від більш високого рівня до низького. Якщо при цьому русі відновлюється робота, то прикладаючи роботу, потік можливо повернути, принаймні, частково. Але якщо з потоку робота не виділяється, то процес повністю необоротний.

Тіло рухається оборотно настільки, наскільки відновлюється робота при зменшенні його ексергії. Якщо воно рухається вільно і його енергія розсіюється у вигляді теплоти, звуку, руйнування й т.д., то процес повністю необоротний. Якщо тіло піднімає рівноважна сила на рівноважну висоту, то процес повністю оборотний - але ми знаємо, що цього бути не може. Навіть якщо немає тертя, то відсутня рушійна сила, необхідна для переміщення. Отже, оборотні процеси повинні бути не тільки ідеальними, але й відбуватися з нульовою швидкістю.

За цією ознакою необоротність збільшується з ростом швидкості. При заданому опорі швидкість зростає зі збільшенням рушійної сили; отже, необоротність також змінюється в тому ж напрямку, що й рушійна сила. Крива на рис. 1.2 показує, що частка ексергії у вибраному газі збільшується з ростом рушійної сили 1о), але ця

крива описує оборотний процес. З будь-яким реальним процесом пов'язані необоротності, і всі вони зростають із зростанням рушійної сили. У результаті цього втрачена внаслідок зростання ентропії робота збільшується з ростом рушійної сили,

і тому в міру зростання рушійної сили 1о) крива дійсної роботи прагне ус

більше відхилитися від кривої ексергії.

Ізольовані, а тому не здатні взаємодіяти один з одним тіла й рідини перебувають у впорядкованому стані. Звільнені тіла прагнуть впасти, вивільнені пара - витекти, а рідини - змішатися; у всіх цих процесах робота не виконується Таке прагнення до повної рівноваги без здійснення роботи характерно для всіх систем, у яких відсутній розум. Перехід від упорядкованості до повного безладу (рівноваги), що відповідає максимуму ентропії системи. Тому всі процеси, у яких відбувається рух до стану рівноваги без виконання роботи, є необоротними. Є три загальні категорії необоротних процесів, що зустрічаються в промислових технологіях:

1. Змішування рідин, що мають різні склад і температуру.

2. Передача теплоти.

3. Рух рідин через пристрої, що чинять опір.

Кожна із цих операцій описується далі, причому зростання ентропії а, отже втрати ексергії виражаються математично.

Словник термінів

Список літератури

  1. Кушнір P.M. Загальна фізика. Механіка. Молекулярна фізика, навч. посібн Львів : Видавничий центр ЛНУ ім. Івана Франка, 2003. - 404с.

  2. Новий тлумачний словник української мови у чотирьох томах (42000 слів) Укладачі Василь Яремко, Оксана Сліпушко. Київ : Видавництво "Аконіт", 1999.

  3. Болгарский А.В., Мухачев Г.А.,Щукин В.К., "Термодинамика і теплопередача" Изд. 2-е, перераб. и доп. М. : "Вьісшая школа", 1975, 495 с.

  4. Жуковский B.C., Термодинамика / Под ред. А.А. Гухмана. М. Знергоатомиздат, 1983, 304 с. ил.

  5. Советский знцеклопедический словарь / Гл. ред. A.M. Прохоров. - 4-е изд. - М. : Сов. знцеклопедия, 1986, - 1600 с, ил.

  1. Мала гірнича енциклопедія: ВЗ-хт. / За ред. В. С. Білецького.— Донецьк: «Донбас», 2004.

  2. Шински Ф. Управление процессами по критерию зкономии знергии / Пер. с англ. Под ред. Е.К. Масловского. -М.: Мир, 1981.-388с.

  3. Физический знциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. - М.: Сов. знциклопедия, 1984. - 944 с.

  4. Болгарский А. В., Мухачев Г. А., Щукин В. К., «Термодинамика и теплопередача» Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: «Вьісшая школа», 1975, 495 с.

  5. Федорченко A.M.. Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т.2. (1993), Київ: Вища школа., 415 с.

1.2. ЗМІШУВАННЯ - НЕЗВОРОТНИЙ ПРОЦЕС

Уявімо собі кулю, що піднімається в повітрі, заповнену гелієм. Куля має отвір, гелій через нього витікає. Незворотній характер цього процесу виявляється з; звуком та супроводжується виділення газу. Але існує й інший незворотний процес що необов'язково створює звук, - змішування гелію з повітрям. Те, що змішування незворотне, повинне бути очевидним, бо воно не робить роботи, тоді як для зворотного процесу поділу — необхідною умовою є виконання роботи.

Для сепарації й очищення летких рідин широко застосовується перегонка. У більшості перегінних агрегатів сировина й очищені продукти надходять в агрегат виходять із нього, якщо розглядати загальний випадок, в однаковому термодинамічному стані. Енерговміст1 очищених продуктів не вищий, ніж енерговміст сировини, а отже, на поділ необхідно затратити енергію. Тому властиві кожному продукту цінність полягає в чистоті його складу, і, щоб отримати такий склад, необхідна енергія.

Процесом, зворотним поділу, є змішування. Якщо для поділу потрібна робота то при всякому з'єднанні рідин, що мають різні склади, втрачається деяка кількість роботи. Ці втрати роботи можна визначити за ентропією змішування.

1.2.1. Ентропія суміші

Денбиг [1] пропонує наступний вираз для ентропії суміші ідеальних газів:

де S — ентропія одного моля суміші, Fчисло молів суміші, Fічисло молів і-го компонента суміші, Ср - питома теплоємність і-го компонента при постійному тиску, Т - абсолютна температура, R - газова постійна; pі - парціальний тиск і-го компонента. В суміші ідеальних газів мольна частка xі кожного компонента являє собою відношення його парціального тиску pі до загального тиску p. Тоді в (1.15 можна підставити наступне співвідношення:

Тоді одержуємо:

Далі, число молів кожного компонента Fі дорівнює його мольній частці, що помножена на повне число молів суміші:

Після підстановки (1.18) в (1.17), знаходимо наступне:

1 Ентальпія (теплова функція чи тепловміст) - термодинамічний потенціал, що характеризує став термодинамічної рівноваги системи при виборі в якості незалежних змінних тиску, ентропії та числі часток.

Внесок самого складу суміші в її ентропію виділяється шляхом оцінки ефектів змішування в умовах постійної температури й тиску:

Розглянемо двозначну функцію xі In xj , що входить у багато термодинамічних, а також статистичних співвідношень. Коли xі прагне до нуля й одиниці, ця функція прагне до нуля. Вона представлена графічно на мал. 1.3, де показана також сума таких функцій для бінарної суміші.

Рис. 1.3. Ентропія бінарної суміші, в залежність від складу, різко змінюється

поблизу крайніх значень і досягає максимуму для еквімолекулярної суміші (з

рівними мольними частками компонентів).

У той час як максимум ентропії досягається для еквімолекулярної бінарної суміші, зміна ентропії залежно від складу найбільш сильно виражено при наближенні до чистого продукту. Вираз (1.20) для бінарної системи має вигляд:

Диференціюючи його, одержуємо:

У табл. 1.1 ця похідна обчислена для умов, що відповідають наближенню до абсолютно чистого продукту. Співвідношення (1.22) характеризує роботу, яку потрібно зробити для поліпшення чистоти продукту, а також показує, наскільки легко забруднити продукт.

Таблиця 1.1 Зміна ентропії бінарної суміші залежно від ступеня чистота

Багатокомпонентні суміші не можна настільки ж просто описати графічно, як бінарні системи, тому що вони мають багато ступенів вільності. Проте вплив додаткових компонентів можна спостерігати, розглядаючи максимальне значення функції - в еквімолекулярних сумішах. У табл. 1.2 наведені ці значення для

сумішей, що складаються з 2 - 10 компонентів.

Таблиця 1.2. Максимальні значення функції -

для еквімолярних багатокомпонентних сумішей

2 Еквімолярні багатокомпонентні суміші - суміші, в яких всі складові мають однакові мольні концентрації

1.2.2 Змішування з контуром регулювання якості

Склад продуктів, отриманих у процесі поділу, наприклад, після 'дистиляції важко регулювати шляхом точного припасування їх матеріального й (або енергетичного балансу. Розподіл внутрішніх ємностей викликає більші затримки відповідного реагування, тому потрібно затрачати більші зусилля, щоб кращі відрегулювати склад. На противагу цьому регулювання якості шляхом

змішування має велику чутливість і піддається розрахунку. Тому краще

змішувати надчисті й недостатньо чисті продукти для того, щоб точно задовольнити заданим технічним умовам.

Змішування можна організувати в сепаратному агрегаті багатьма способами Можна пропускати сирий або частково очищений матеріал через пропускний канал щоб змінювати склад продукту надвисокого очищення. Інша можливість заключається в змішуванні продуктів, що пройшли через два паралельних агрегати : метою об'єднання ступеня їхньої чистоти; або продукт, що пройшов через один агрегат, можна змішати з матеріалами різного складу, отриманими раніше. Отже продукти, які не задовольняють технічним умовам, змішують із сирими продуктами для повторної переробки. Іноді потоки речовини, що беруть участь у повторному процесі й містять частково очищені продукти, безупинно змішуються з вихідними продуктами. Широко поширена практика введення вихідного продукту, склад якогс не відповідає складу суміші, наявному в точці введення.

Коли потоки змішуються, то склад суміші (позначається рискою зверху) є середньозваженим по масі або мольних частках складу вихідних потоків:

де - частка будь-якого компонента і у суміші, а — його частка в j-ому потоці, що протікає з масовою витратою Рj Але 2ентропія суміші завжди повинна бути більше, ніж середньозважена ентропія окремих потоків:

Приріст ентропії системи в процесі змішування являє собою втрату ^ексергії, тобто втрату роботи, необхідної для одержання первинного складу,

Цей вираз можна переписати, використовуючи вираз для складу, у такий спосіб:

Через нелінійний характер кривих на мал. 1.3 зростає з ростом різниці в складі суміші й вихідних потоків. У табл. 1.3 наведені значення AS для трьох різних

1 Дистиляція - процес очистки рідин від розчинених у них нелетких домішок або розділення сумішей на компоненти, шляхом випаровування з наступною конденсацією утвореної пари.

2 Ентропія - є мірою енергії у фізичній системі, яка не може бути використана для виконання роботи.

3 Ексергія - максимальна робота, що її може виконати термодинамічна система під час переходу з даного стану в стан рівноваги з навколишнім середовищем; працездатність системи.

сполучень бінарних потоків, які можна змішувати для одержання однієї й тієї ж суміші.

Наведений приклад показує, що, якщо необхідно зробити змішування найменша втрата роботи відбувається у випадку, коли склад вихідних потоків найбільш близький один до одного. Якщо склад продукту, що залишає сепаратор циклічно повторюється, AS збільшується зі збільшенням амплітуди цього циклу по мірі того як надчисті й недостатньо чисті продукти з'єднуються в прийомному резервуарі. Змішування продуктів, що випливають із паралельно працюючи: сепараторів, по-моєму, не представляє великих

Таблиця 1..

Зростання ентропії суміші при одержанні складу з з різних вихідних

продуктів

труднощів, а перепуск повз сепаратор навіть при мінімальному підмішуванні сироп продукту помітно збільшує ентропію. Повторне введення продукту в установку мабуть, знецінює більшу частину роботи, витраченої раніше на поділ. Бойновский і ін. [ 3] зменшили витрати енергії в системі перегонки на 67%, виключивши 4 таких потоки, що здійснювали повторні цикли. Але максимально можливе зростання ентропії при змішуванні відбувається у випадку, коли змішуються потоки чистих продуктів. У цьому випадку . При такій технології губиться вся енергія

прикладена в процесі очищення потоків.

1.2.3. Змішування з контуром регулювання температури

Змішування широко використовують також для регулювання температури за методом, який зображений на рис. 1.4. Його застосовують не тільки в промислових установках, але й у звичайних домашніх умовах, коли змішують гарячу й холоди) воду для прання. При заданому потоці тепла, що направляється споживачеві мінімальна кількість палива витрачається у випадку, коли пропускний канал закритий. Це можна показати, розглядаючи як ентропію, так і теплопередачу.

Для чисто ідеального газу при атмосферному тиску вираз (1.15) зводиться до наступного:

Пропускання робочого тіла повз підігрівник для точного регулювання температури приводить до марних витрат палива.

' Енергія - загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії.

2 Теплопередача - теплообмін між двома теплоносіями крізь тверду стінку, що їх розділяє, або поверхню розподілу між ними.

3 Ідеальний газ - це газ, в якому молекули можна вважати матеріальними точками, а силами притягання й відштовхування між молекулами можна знехтувати.

Якщо потоки того самого ідеального газу, що мають різні температури змішуються, то температура суміші визначається наступним чином:

де Fj витрата кожного потоку, що має температуру TJ.

Якщо температури двох потоків різні, то ентропія суміші більша за суму ентропій вихідних потоків на величину ентропії суміші:

Аналогічно прикладу, наведеному в табл. 1.3, у табл. 1.4 зазначені прирості ентропії, обумовлені змішуванням гарячого й холодного потоків у різню сполученнях, що забезпечують одержання однієї й тієї ж температури Характеристики потоків наведені в табл. 1.4. В останній графі зазначений приріс ентропії, обумовлений змішуванням у відсотках від приросту ентропії при підігрів рідини від початкової температури до кінцевої, котру має рідина, що доставляється споживачеві. Цей приріст ентропії представляє собою втрачену ексергію. Для запуску підігрівника необхідно підвести додаткову кількість палива, принаймні, у тім процентному відношенні, що представлено в останній графі. Видно, що приріс ентропії майже прямо пропорційний витраті через пропускний канал.

Допустимо, що кількість тепла, передана продукту, зв'язана із температурою топкового газу Ts простим рівнянням конвективної теплопередачі, у якому коефіцієнт тепловіддачі змінюється як витрата в ступені 0,8:

Коли F1 = 0, Т2 й, отже, Тs приймає свої мінімальні значення (індекс m), a F досягає свого максимального значення, рівного F1+F2, тоді

1 Коефіцієнт тепловіддачі (рос. коtффициент теплоотдачи; англ. convective heat transfer coefficient; нім. Warmeubertragungskoeffizient m, Warmeabgabekoeffizient m) - кількість теплоти, яка передана в одиницю часу через одиницю площі поверхні за різниці температур 1 К між поверхнею те середовищем-теплоносієм; характеризує інтенсивність тепловіддачі.

Таблиця 1.'

Зростання ентропії суміші при одержанні потоку з температурою Т = 205°( (478 К) при різних витратах через пропускний канал

Таблиця 1.1 Приріст втрат кількості тепла топковим газом через змішування

Оскільки кількість тепла, переданого продукту, кожного разу та сама, то два останніх вирази рівні один одному, і тому

Додаткова втрата тепла, що виходить із газами, пропорційна Ts -Tsm . У табл. 1.5

ця додаткова втрата тепла віднесена до кількості тепла, переданого продукту, що виражено через різницю між температурою полум'я, рівної 1650 °С, і температурою Ts, у припущенні, що Тsm =316°С.

Незважаючи на те, що в рівняння теплопередачі входять деякі допущення, які можуть бути не цілком точними, останні графи табл. 1.4 й 1.5 у загальному погоджені один з одним. Пропускання потоку повз підігрівник підвищує Т2 і зменшує F2, при чому обоє цим ефектом сприяють збільшенню втрат тепла з газами, що виходять.

Словник термінів і визначень

Список літератури

  1. Ф. Шински. Управление процессами по критерию зкономии знергии. "Мир" 1981

  2. Крестовников, А.Н.,Вигдорович, В.Н., Химическая термодинамика. 2 ed. 1973 М., «Металлургия».

  3. Пригожий, И.,Дефей, P., Химическая термодинамика. 1966: Новосибирск "Наука". 502.

  1. Словник іншомовних слів за редакцією О. С. Мельничука, Київ, 1974.

1.3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА - НЕОБОРОТНИЙ ПРОЦЕС

Робоче тіло в тепловому двигуні повинне одержувати тепло, щоб його температур; підвищилася до максимуму, і віддавати тепло, щоб його температура понизилася до мінімуму Різниця між кількостями одержуваного й тепла, що віддає робочим тілом, являє собою роботу зроблену двигуном. Тому що на поверхні, через яку відбувається передача тепла, повинна існувати деяка різниця температур, пропорційна тепловому потоку, то робоче тіло ніколи не нагрівається до температури джерела тепла й ніколи не прохолоджується до температури навколишнього середовища. Отже, робота, яку можна одержати від гарячого робочого тіла, завжди менш< розташовуваної роботи У відношенні, рівному відношенню цих різниць температур. Ця втрат; розташовуваної роботи обумовлена необоротністю, присуди процесу тепловіддачі, і її можи; безпосередньо обчислити Е виді приросту ентропії.

1.3.1. Ентропія процесу теплопередачі

В оборотному циклі перетворення тепла в роботу ентропія, отримана навколишнім середовищем при відводі тішачи від робочого тіла, у точності дорівнює ентропії, загубленою рідиною. Але це можливо тільки у випадку, коли різниця температур між робочим тілом навколишнім середовищем дорівнює нулю. Це можна показати, розглядаючи конденсацію насиченої водяної пари й кипіння в точності такої ж кількості води при тім же тиску. Пара віддасть таке м. є кількість ентальпії й ентропії, яку поглине вода, але тільки в тому випадку, коле їхнього тиску (і температури) однакові. Однак при теплообміні між двома рідинами повинне існувати кінцева різниця температур. У результаті цього холодна рідина, поглинаючи таке ж кількості тепла, яке віддає гаряча рідина, підвищить свою ентропію на більшу величину, чим зменшиться ентропія гарячої рідини. Розглянемо рідину при температурі Т1, котра віддає кількість тепла dQ навколишньому середовищу, що має температуру То Втрата ентропії гарячок: рідиною рівна

а приріст ентропії навколишнього середовища дорівнює

У результаті ентропія системи змінюється на величину dS = 0 тільки у випадку, коли То - Т1; тому необоротність процесу теплопередачі пов'язана з різницею температур рідин.

В окремому випадку ізотермічної теплопередачі між двома рідинами, коли стан обох змінюється, інтеграл від вираження (1.34) прагне до величини

Розглянемо як приклад конденсацію водяної пари при тиску 69 кПа над водою, що кипить при тиску 55 кПа. Кількість тепла, що віддає в процесі конденсації при тиску 69 кПа, дорівнює 2280,65 кДж/кг, а тепло, що поглинає в процесі випару води при тиску 55 кПа, дорівнює 2295,53 кДж/кг. Якщо зневажити втратами тепла, то на 1 кг пари, що сконденсувалося, випаровується 0,9935 кг води. Ентропія конденсації при тиску 69 кПа дорівнює -6,2825 кдж/(кг.°С), а ентропія випару при тиску 55 кПа рівна +6,4305 кДж/(кг°С). Приріст ентропії системи через теплопередачу дорівнює.

Користуючись формулою (1.35), можна оцінити зростання ентропії при температурі конденсації 89,69°С и тиску 69 кПа й при температурі кипіння 83,94°С и тиску 55 кПа

Той факт, що приріст ентропії реальної рідини (водяної пари) більше, ніж знайдений за допомогою формули (1,35) для ідеальної рідини за тих самих умов, можна приписати не ідеальності реальної рідини. Будь-яка відмінність від ідеальності приводить до зростання ентропії й, отже, до зменшення розташовуваної роботи в порівнянні з теоретично розрахованою величиною.

Неізотермічна теплопередача приводить до ще більшого зростання ентропії, оскільки ентропія залежить від температури. Розглянемо конденсацію водяної пари при тиску 69 кПа над

голодною водою. Температура води буде підвищуватися, тому обчислювати шляхом

інтегрування вираження (1.33) у межах від вихідної температури То, до кінцевої температури

де р _ маса охолоджувача теплоємністю Ср , температура якого змінюється. З рівняння теплового балансу системи одержуємо

що дозволяє виключити множник FCP із виразу (1.36):

Отриманий у результаті приріст ентропії системи приймає вид

Коли Т02 прагне до Г01 , перший член у квадратних дужках

Таблиця 1.6 Зростання ентропії в процесі неізотермічної теплопередачі

прагне до . У табл. 1.6 зазначена відмінність величини цього члена від , коли То.

перевищує Т01. Помітимо, що табл. 1.6 ілюструє тільки частина втрат, обумовлених неізотермічною теплопередачею. У міру того як температура охолоджувача підвищується температура конденсації робочого тіла Т1 теж підвищується, приводячи до подальшого зростання

ентропії системи.

Коли теплове навантаження конденсатора збільшується. Отже, необоротність будь-якогс нерегульованого процесу теплопередачі різко збільшується з ростом теплового навантаження, а оборотність досягаєте; при відсутності навантаження. Однак включення в систему пристроїв для регулювання температури або тиску з метою обмежити теплопередачу випадком малих теплових навантажень (при допомозі дроселювання, зрошення й т.д. ) приводить до штучного збереження високого ступеня необоротності.

На мал. 1.5 показані приклади дроселювання охолоджувача й зрошу конденсатора, застосовуваних для регулювання тиску в конденсаторі. Поки теплове навантаження менше максимального значення, що може забезпечити конденсатор при заданому тиску, теплопередач} потрібно зменшувати шляхом регулювання. Однак для збереження ентропії потрібно, щоб регулювання не застосовувалось, - тоді тепло може приділятися в робочому процесі з найбільшим можливим ступенем оборотності, і термодинамічний к.п.д. процесу буде максимальним. Ця ідея більш докладно розглядається в главах, присвячених охолодженню й дистиляції.

Дотепер обговорення ставилося до теплопередачі на холодному кінці циклу, але на його гарячому кінці необоротність все більше. Передача тепла від продуктів згоряння робочому тілу (наприклад, водяній парі) відбувається при настільки великому градієнті температури, зрошення поверхні теплообміну. Обидва способи збільшують ентропію системи.

що губиться істотна частина роботи. Розглянемо утворення перегрітої пари з температурою 540°С шляхом спалювання нафти при температурі полум'я 1650°С Із мал. 1.2 треба, що розташовувана робота; укладена в продуктах згоряння, при температурі 1650 С становить -66%, а розташовувана

робота, укладена у водяній парі, при температурі 540°С становить (Розташовувана робота

водяної пари відрізняється від розташовуваної роботи ідеального газу, але при високому ступені перегріву ця відмінність невелика.)

Рис. 1.5. Регулювання тиску в конденсаторі шляхом дроселювання охолоджувача або

Або розглянемо продукти згоряння, що надходять у газову турбіну, для якої верхня межа по температурі становить 1100 С. Щоб підтримувати температуру 1100°С на вході в турбіну, необхідно вводити додаткову кількість повітря, у результаті чого розташовувана робота, укладена в робочому тілі, знизиться до 59%. Хоча в цьому випадку регулювання здійснюється скоріше шляхом змішання, а не теплопередачі, результат однаковий. Умови на гарячому кінці процесу завжди дають найбільший внесок у зростання ентропії внаслідок температурних обмежень, що накладають на теплопередачу в трубопроводах і в обертових деталях машин.

1.3.2. Однократне й повторне використання енергії

Імовірно, найбільші можливості для економії енергії в промисловості полягають у багаторазовому використанні енергії. Рідини, що мають у якій-небудь установці найбільші температури й тиски, містять також найбільшу кількість відносної роботи виконаної над ними. Тому їх варто використати для приведення в дію двигунів, у яких відбувається розширення робочого тіла,(турбін), щоб використати принаймні частину роботи, що втримується в робочому тілі, і перевести її в кінетичну енергію для насосів і компресорів або для генерування електроенергії. Але, замість того щоб відводити робоче тіло в конденсатор, варто використати тепло що втримується як технологічне тепло. В установці зі встановленим енергетичним балансом не повинна споживатися електроенергія й не повинна конденсуватися пара над холодною водою або в холодному повітрі.

Необхідно коротко пояснити останнє твердження. Якщо установка споживає електроенергію, то цю електроенергію генерує, імовірно, конденсаційна парова турбіна. Оскільки енергетична установка робить тільки роботу й скидає тепло, її загальний к.к.д. не може бути таким же високим, як к.к.д. в установці, у якій використаються й робота, і тепло. Але якщо технологічне устаткування споживає більше роботи, ніж тепла, і не споживає електроенергію, то необхідно конденсувати або випускати низьконапірну пару. Коли попит на тепло перевищує попит на роботу, можна забезпечити одержання додаткової кількості тепла, роблячи електроенергію й поставляючи її споживачам, не здатним самостійно її робити. Проблема енергетичного балансу між роботою й теплом докладно розглядається в розділі 3. Тут же досить зробити висновок, що роботу по можливості варто використовувати із джерела енергії високого рівня.

Із цього погляду спалювання палива тільки для одержання тепла несумісне із завданням збереження енергії. Крім того, при перетворенні енергії в тепло, як у випадку електричного омічного нагрівання, недоцільно, і його треба по можливості уникати.

Перетворення тепла в механічну роботу, а потім в електроенергію - найбільш очевидний приклад використання тепла, але він далеко не єдиний. У промисловості є багато різноманітних операцій, що споживають енергію, хоча вона й не помітна в продуктах виробництва. Цю ідею ми згадували раніше при розгляді ентропії процесу змішання. Продукти, що виходять із сепараційного агрегату, у загальному випадку мають такуж енерговмістимість, як і вихідна сировина, але через те, що вони чистіше, їхня ентропія менше. Ентропія продуктів зменшилася через збільшення ентропії теплоносія, використаного для здійснення операції.

Оскільки енергія, що споживається й виділяється в технологічному процесу, власне кажучи, однакова По величині, її можна використати повторно, але це залежить від температури енергоносія. Така методика давно вже застосовується при багатоступінчастому випарюванні концентрованих розчинів. На першому щаблі тепло виділяється внаслідок конденсації водяної пари, що гріє. Потім вторинна пара, що утвориться при випарюванні розчину на

Е нергія (від грец. evspyoq - діяльний) — загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного вигляду в інший (закон збереження енергії). Поняття енергії зв'язує всі явища природи в одне ціле, є загальною характеристикою стану фізичних тіл і фізичних полів.

Федорченко A.M.. Теоретична механіка (1975), Київ: Вища школа., 516 с. Федорченко A.M.. Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т.2. (1993), Київ: Вища школа., 415 с.

Ентропія (рос.знтропия, англ. entropy, нім. Entropie f) -У фізиці — фізична величина, яка в спостережуваних явищах і процесах характеризує знецінювання (розсіювання) енергії, зумовлене перетворенням усіх її видів на теплову і рівномірним розподілом тепла між тілами (вирівнювання їхніх температур).

Рис. 1.6. Багатоступінчастий випарний апарат, у якому багаторазово використається та сама енергія. першому щаблі, використається як теплоносій на другому щаблі й т.д. (мал. 1.6). У найбільш типових установках є три щаблі: водяна пара, що спочатку гріє, подають при тиску, наприклад, 137 кПа на першому щаблі й на наступних щаблях утвориться пара при тиску 68,7, 34,3 й 13,7 кПа. На останньому щаблі заданий абсолютний тиск підтримують, за допомогою охолоджуваного водою конденсатора; не сконденсовані гази відкачують вакуумним насосом.

Звичайно розчин буває водним. Тоді відношення маси вторинної водяної пари до маси водяної пари, що гріє, трохи менше, ніж число щаблів, внаслідок того що втрати тепла й питома теплота паротворення зі зменшенням тиску зростають. При заданих тиску подачі водяної пари, що гріє, і температурі охолоджувача, числа щаблів а отже, перетворення водяної пари, що гріє, у вторинну водяну пару, отриману при випарюванні розчину, визначаються перепадом температури на кожній поверхні, через яку відбувається передача тепла. Якщо зменшити перепади температури, збільшивши поверхні теплообміну, то можна збільшити число щаблів й, отже, одержати більшу економічність. До різниці температур обумовлені не тільки потоком тепла, але також й підвищенням температури точки кипіння через наявність твердих домішок, статичним тиском і швидкісним напором. Ці практичні міркування визначають оптимальну поверхню теплообміну а отже і число щаблів.

Якщо подавати водяну пару, що гріє, при високому тиску, то число щаблів а, отже, економічність системи можна істотно збільшити. Цю процедуру не можна продовжувати нескінченно, тому що багато продуктів досить чутливі до температури.

Проте при використанні водяної пари з дуже високим тиском можна проектувати набагато більше щаблів випарювання, ніж при використанні водяної пари з низьким тиском. Це показує, що для одержання водяної пари низького тиску шляхом, спалювання палива може знадобитися значно більше палива, ніж для одержання пари високого тиску.

Якщо середній перепад температури на кожному щаблі становить 18°С, то на водяній парі при тиску 137 кПа може працювати ступінчастий випарний апарат, описаний вище. Нехтуючи втратами тепла, знаходимо, що 1 кг водяної пари може випарувати 2,88 кг води з розчину. Якщо апарат забезпечується парою при тиску 962 кПа, то можна використати сім щаблів. Тоді, нехтуючи втратами тепла, знаходимо, що 1 кг водяної пари може випарити 6,37 кг води з розчину. Хоча втрати тепла й інші причини можуть зменшити привабливість такого методу, наведений приклад демонструє цінність водяної пари високого тиску.

Застосувати принцип багато ступінчастості до інших процесів не так просто. Паралельні дистиляційні колони можуть працювати при різних тисках, так що тепло, що скидає однією колонією, можна повторно використати для випарювання в наступній колоні. Ступінчасте використання енергії можна застосовувати також у прямому або зворотньому напряму при послідовній перегонці багатокомпонентної суміші. Ці приклади докладно розглядаються у відповідних розділах книги. Тут же зроблений наголос на те, що в багатьох загальних технологічних процесах енергію можна використати повторно, і дане достатнє попереднє обґрунтування необхідності високо потенційної енергії й регулюючих пристроїв для координації її багаторазового використання. Процеси теплообміну необхідно робити при максимальній оборотності, тобто при мінімальному перепаді температур. Регулюючі пристрої не повинні заважати досягненню цієї мети.

1.3.3. Система обліку енергії

Якщо машинним устаткуванням потрібно управляти так, щоб зберігати енергію в будь-якій формі, у якій би вона не виникала, стає настійною потребою створення вдосконаленої системи підрахунку енергії. Цінність водяної пари може бути значно нижче тієї, на яку вказує його ентальпія, а теплота згоряння палива неточно визначає цю цінність. Наведений І вище приклад підтверджує це: водяна пара при тиску 962 кПа може випарувати у два із зайвим разу більше води, чим пара при тиску 137 кПа, хоча його ентальпія над усе на 3%. Аналогічно низькокалорійне паливо не може утворити полум'я настільки же високої температури, як більше коштовне паливо, і тому кількість роботи, яку можна з нього одержати, обмежено.

Для порівняння всіх форм енергії необхідний якийсь загальний критерій; як такий критерій, що дозволяє зробити підрахунок, пропонується розташовувана робота . Розташовувану роботу, що втримується в паливі, можна оцінити по температурі його горіння при спалюванні в повітрі з температурою 15°С; тоді у формулу (1.10) потрібно підставити абсолютну температуру полум'я, а замість То підставити 288 ДО (15°С), Зв'язок між температурою полум'я й теплотворною здатністю палива розглядається в розд. 2. У роботі [ 4] зазначена максимальна спостережувана температура полум'я при горінні метану в повітрі 1880сС. Відповідно до формули (1.10), при То =288 До розташовувана робота, укладена в

продуктах згоряння метану, становить 68,0% від його вищої теплотворної здатності 37 683 кдж/м3, тобто дорівнює 25 929 кдж/м3.

Водяной пара можна подавати при різних тисках і температурах.. Для кожного сполучення параметрів включно визначити розташовувану роботу, підставляючи у рівняння (1.5) відповідні дані з таблиць водяної пари. За температуру відліку звичайно приймають 288 К, а за д5Д0 - різниця між ентропією пари при початкових умовах й ентропією води при 15°С (0,234 кдж). Аналогічно за приймають різницю між ентальпією при початкових умовах й ентальпією води при 15°С (65 кДж/кг). У табл. 1,7 наведені значення розташовуваної роботи, укладеної у водяній парі при різних характерних умовах. Помітимо, що відносна частка розташовуваної роботи в насиченій парі вище, ніж в ідеальному газі при тієї же температурі, оскільки пара може виділяти енергію ізотермічно. На мал. 1.7 показана залежність розташовуваної роботи від тиску водяної пари в умовах насичення й при температурі 538 С (шкала тисків побудована в логарифмічному масштабі).

Таблиця 1.7

Розташовувана робота, укладена у водяній парі при різних умовах

Рис. 1.7. Розташовувана робота, укладена у водяній парі, зростає по .логарифмічному закону залежно від тиску (до тиску 9,8 Мпа) і зростає також з ростом температури.

По величині розташовуваної роботи має сенс порівнювати водяну пару при різних температурах і тисках або які-небудь два види палива. Але водяна пара порівнювати з паливом або електроенергією тільки по розташовуваній роботі не можна. Перетворення енергії палива в енергію пари приводить до втрат тепла з газами, що відходять, і до зменшення розташовуваної роботи. Крім того, перетворення енергії пари в електроенергію пов'язане з не відворотностями в процесах теплопередачі й неізоентропного розширення. Витрата тепла на теплових електростанціях, що працюють на викопних паливах, змінюється в межах від 9490 до 11 580 кДж, утримуватися у витрачає паливі, що, на 1 квт-год виробленої електроенергії. Приймаючи за середнє цифру 10 530 кДж/квт-год одержуємо, що вартість електроенергії повинна була б бути в 10 530/3595, або в 2,9 рази вище вартості енергії викопних палив. Тарифи на електроенергію в загальному підтверджують цю оцінку, тому що вони в 3 - 5 разів перевищують ціни на паливо, що залежить від конкретної структури цін.

Оскільки неважко одержати інформацію про вартість споживаної електроенергії, те, загалом кажучи, не існує нерозуміння щодо її цінності як при виробництві, так і при споживанні. Непорозуміння виникають при визначенні цінності водяної пари й палива залежно від їхньої якості. Окремі палива можна порівнювати один з одним по розташовуваній роботі, нелогічним образом можна розглядати джерела водяного па-а. Тоді для перетворення роботи в електроенергію у випадку водної пари й палива потрібно деякий перехідний коефіцієнт якщо електроенергію оцінювати в 2,9 рази вище в порівнянні з енергомісткістю палива, те її можна вважати в 2,0 рази дорожче, чим розташовувана робота, що втримується в газоподібному метані, виходячи з відносної частки розташовуваної роботи, укладеної в газі.

Коефіцієнт переходу від палива до водяної пари тільки частково визначається термічним к.п. д. парового казана. Розглянемо паровий казан з насиченою парою при тиску 2750 кПа, термічний к.п. д. якого дорівнює 75%. 1 кДж, що втримується в паливі, відповідає 0,75 кДж в ентальпії водяної пари (ентальпія відраховує відносно ентальпії води при температурі 15 С), але тільки 0,276 кДж розташовуваної роботи. Якщо зрівняти цю величину з 68,9% розташовуваної роботи, міститься в паливі, то одержимо, що робітник к.п.буд. парового казана становить 0,276/0,689, або 40%. Таким чином, парові казани низького тиску володіють значно більше низьким робітником к. п.д., чим казани високого тиску.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]