Принцип действия теплового насоса и его использование в инженерной экологии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Кафедра общей химии и экологии

Курсовая работа

по дисциплине «ТОЗОС»

на тему:

Принцип действия теплового насоса и его использование в инженерной экологии

Выполнила студентка

группы 3403

Фазылова И.А

Научный руководитель:

Буданов А.Р.

Казань – 2011

СОДЕРЖАНИЕ

                                                      Введение

Тяжелые металлы уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как диоксиды углерода и серы, в прогнозе же они должны стать самыми опасными, более опасными, чем радиоактивные отходы АЭС и твердые промышленные отходы. Загрязнение тяжелыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве вкупе со слабыми системами очистки, в результате чего тяжелые металлы попадают в окружающую среду, в том числе водоемы и почву, загрязняя и отравляя их.

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение понятия «тяжелые металлы». В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к металлоидам (например, мышьяк).

Цель работы: исследовать возможности применения теплового насоса в инженерной экологии.

                        Глава 1. Принцип действия теплового насоса

Независимо от типа и конструкции это устройство выполняет, как правило, одну функцию — отбирает теплоту от окружающей среды и отдает теплоту при более высокой температуре в отапливаемое помещение или для подогрева в каком-либо техническом устройстве. Такой процесс перехода теплоты сам по себе происходить не может — это запрещено вторым законом термодинамики. Поэтому для обеспечения работы тепловых насосов необходима определенная затрата эксергии. Чаще всего для привода теплового насоса используется электроэнергия.

Рабочее тело в парообразном состоянии сжимается компрессором (поэтому установка и называется пароком-прессионной). Нагревшийся при сжатии пар охлаждается и переходит в жидкое состояние в конденсаторе; при этом от него при повышенной температуре отводится к потребителю (например, в нагреваемое помещение) теплота QT. Полученная жидкость расширяется в дросселе, и ее давление снижается. При этом часть жидкости испаряется и ее температура падает до несколько более низкой, чем температура окружающей среды. испарителе холодная жидкость, отнимая теплоту у окружающей среды, полностью испаряется и снова поступает в компрессор; цикл замыкается.

Возьмем для примера конкретные показатели работы насоса, близкие к тем, которые встречаются на практике.

Чтобы отапливать помещение и поддерживать в нем температуру +20°С, конденсирующееся рабочее тело должно иметь температуру, скажем, 50 °С (323 К). Пусть температура окружающей среды Гос будет —10 °С или 263 К (зимние условия). Для того чтобы рабочее тело могло кипеть в испарителе, отнимая теплоту от среды, оно должно быть несколько холоднее ее. Примем температуру кипения -20°С

Примем также, что отдаваемая в помещение тепловая мощность QT составляет 5 кВт, а подводимая к компрессору кВт. Тогда по энергетическому балансу тепловая мощность , отбираемая от окружающей среды, составит. Пользуясь этими данными, можно легко рассчитать все энергетические характеристики теплового насоса. Чтобы закончить рассмотрение баланса,характеризующего систему с позиций первого начала термодинамики, определим отношение полученной теплоты QT к затраченной электрической работе. Эта величина, называемая тепловым или отопительным коэффициентом, здесь имеет значение. Следовательно, на 1 кВт электрической мощности, подводимой к компрессору, в помещение отдается 2,5 кВт тепловой мощности. Тот факт, вызывает восторг у сторонников «энергетической инверсии». Называя коэффициентом полезного действия (вместо теплового коэффициента), они утверждают, что он (КПД) превышает 100 %, так как «концентрирует энергию», взятую из окружающей среды. Действительно, 3 кВт берутся из окружающей среды. Диаграмма наглядно показывает этот энергетический баланс в виде полосового графика, где ширина каждой полосы пропорциональна соответствующему потоку энергии.

 Полосовые  графики энергетического (а) и эксергетического  (б) балансов теплового насоса.

Теперь займемся анализом этого же теплового насоса с позиций второго закона термодинамики. Начнем с энтропии. В этом простом примере ее легко подсчитать. Действительно, отдаваемая энтропия.

Необратимые, реальные процессы в тепловом насосе приводят, естественно, действие теплового насоса никоим образом не противоречит второму закону термодинамики: энтропия растет. А как же с КПД и «концентрацией энергии?

Займемся этим и рассмотрим работу теплового насоса посредством составления и анализа его эксергетического баланса. В такой баланс, так же как и в энергетический, должны входить три члена, соответствующих энергетическим потокам. Однако один из них будет равен нулю, поскольку эксергия потока теплоты Q с, отбираемой из окружающей среды при с, равна нулю (по формуле Кар-но). Следовательно, в систему эксергия поступает только с электроэнергией (заштрихованная полоса соответствует эксергии); подсчитать ее легко, поскольку высокоорганизованная электрическая энергия полностью работоспособна.

Значит, поступающая эксергия Отводимая эксергия представляет собой эксергию отводимой теплоты она равна. Эксергетический КПД теплового насоса составит

Соответствующая эксергетическая из нее видно, что эксергетический баланс дает наиболее полную информацию об энергетических превращениях в системе. Он показывает, сколько полезной, работоспособной энергии затрачено, сколько получено и сколько потеряно вследствие необратимости, вызванной термодинамическим несовершенством процесса. КПД показывает (в отличие от теплового коэффициента) степень приближения процесса к идеальному: только 46 % подведенной эксергии «пошли в дело». Остальные 54% потеряны. Несмотря на то, что КПД существенно меньше 100 %, такой нагрев более эффективен, чем непосредственное электрическое или печное отопление; отсюда и стремление к использованию теплоты от теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и теплонасосных установок (ТНУ).

Рассмотрение теплового насоса, проведенное выше, показывает, что это очень хорошее и полезное на своем месте устройство. Однако нет никаких оснований считать, что он обладает чудесными свойствами. Тепловой насос приносит пользу, но, как всякая реальная установка, увеличивает энтропию, превращая более упорядоченную, организованную электроэнергию и менее организованную теплоту Qоc в еще менее организованный тепловой поток с большей энтропией. Никакой «концентрации» (если понимать ее как повышение качества энергии) поэтому он не производит. Тепловой коэффициент у него всегда больше единицы, но никакого чуда в этом нет,— это не КПД. Легко показать, что может иметь намного большие значения, чем  2 или 3, рассмотрев его изменение при разных внешних условиях.

 Большие числа, свидетельствуют не о чудесном извлечении «тепловой энергии» из окружающей среды, а лишь о том, что получаемая теплота очень низкого качества.

Тем не менее ажиотаж вокруг теплового насоса, основанный на больших значениях коэффициента преобразования, не проходит. Примером может служить статья Г. Лихошерстных «В поисках энергии», который, опираясь на «необычные свойства» тепловых насосов, дающих КПД, «в десятки и сотни раз превосходящие единицу», выдвинул оригинальную энергетическую идею. Он считает необходимым провести работы не только по «теоретическим исследованиям проблемы», но и «конечно же, по разработке экономичных способов превращения выдаваемой ими теплоты в электрическую энергию». Другими словами, он предлагает превращать в электроэнергию ту самую низкокачественную теплоту, о которой мы говорили выше.

                              1.1.Второе начало термодинамики и его применение для объяснения работы теплового насоса

Второй закон термодинамики, как и первый, является эмпирическим, выводится непосредственно из опыта и определяет направление естественных (самопроизвольных) процессов, протекающих в природе. Известно много различных формулировок второго закона термодинамики, отражающих те или иные особенности таких процессов, иди ако его физическая сущность наиболее отчетливо раскрывается в формулировке, данной Больцманом. Он подчеркнул свойство природы стремиться от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным. Известно, что наиболее вероятным состоянием термодинамической системы является ее термодинамическое равновесие. Если теплоизолированную термодинамическую систему вывести из состояния термодинамического равновесия путем создания разности, например, температур между различными телами системы, то за счет самопроизвольных естественных процессов теплообмена эта система придет к состоянию термодинамического равновесия, при котором все тела системы будут иметь одинаковую температуру. На этом же очевидном факте основывается формулировка второго закона термодинамики, предложенная Клаузиусом (1850): теплота сама собой переходит лишь от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении.

Следовательно, равновесное состояние системы может измениться только вследствие внешнего воздействия со стороны окружающей среды.

Второй закон термодинамики, определяющий условия протекания термодинамических процессов в определенном направлении, имеет чрезвычайно важное значение для обеспечения эффективной работы тепловых машин.

Реальные термодинамические процессы всегда возникают в результате воздействия на систему окружающей среды, выводящей систему из состояния термодинамического равновесия. Следовательно, все реальные процессы являются неравновесными.

Однако неравновесные процессы чрезвычайно сложны и трудноприменимы для теплотехнических расчетов. Это приводит к необходимости такие неравновесные процессы определенным образом идеализировать. С этой целью неравновесные процессы обычно заменяются равновесными процессами, т. е. такими, при которых термодинамическая система последовательно проходит бесконечный ряд равновесных состояний, бесконечно близких друг к другу. Такой процесс можно представить протекающим очень медленно при исчезающие маломразличии состояний самой термодинамической системы и окружающей среды.

Пусть, например, состояние рабочего тела, характеризуемое определенными значениями давления р и удельного объема v в координации, р изображается точкой. Термодинамический процесс, сопровождающийся изменением этих параметров, изображается Кривой 1-2. Однако графическое такого процесса оказывается справедливым лишь при выполнении вполне определенных условий. Действительно, если скорость протекания процесса 1-2 конечна (что обычно имеет место в тепловых машинах), то непосредственными замерами параметров рабочего тела можно установить, что при конечной скорости движения поршня давление и температура оказываются различными в разных частях объема цилиндра. В частности, при расширении давление и температура в слоях, прилегающих непосредственно к днищу поршня, окажутся меньшими, чем в слоях, от него удаленных. Разность в значениях по объему тем большая, чем выше скорость процесса (движения поршня). В рабочем теле при этом условии появляются поля давлений и температур. Подобные поля сохраняются и при протекании процесса в обратном направлении (по пунктирной стрелке), стой лишь разницей, что более уплотненными и более теплыми окажутся в этом случае слои рабочего тела около днища поршня.

Таким образом, в обоих рассмотренных случаях равновесие в рабочем теле не устанавливается, поэтому такой процесс, называемый неравновесным, нельзя изображать в рассматриваемой диаграмме, так как само изображение предполагает, что для любой точки рабочего тела давление и температура одинаковы. В частности, в точке 1 во всех частях объема цилиндра должны быть единое давление единый удельный объем

Чтобы получить термодинамический процесс, близкий к равновесному, надо уменьшить скорость его протекания. Однако полное равновесие в любой его точке может быть достигнуто лишь тогда, когда поршень остановится пусть на самый короткий промежуток времени и процесс прервется. Если затем процесс продолжается и поршень, пройдя бесконечно малый путь, вновь остановится, то равновесие восстановится вновь, но с параметрами, бесконечно мало отличающимися от предыдущих.

Процесс, протекающий указанным образом на всем своем протяжении, состоит из ряда последовательных состояний равновесия и может быть поэтому назван равновесным процессом. Такой процесс является только теоретическим  процессом.  Действительные  процессы, всегда протекающие с конечными скоростями, к равновесным процессам могут лишь приближаться в той или иной мере. Термодинамика рассматривает именно равновесные процессы благодаря их простоте. Полученные для них закономерности широко используются в практикической теплотехнике, потому что скорость распространения им пульсов давлений по объему рабочего тела значительно больше скорости : движения поршня и при любом его положении состояние рабочего тела мало отличается от равновесного.

К числу равновесных процессов можно также отнести процессы, протекающие бесконечно медленно. Так, если давление на внутреннюю поверхность поршня со стороны рабочего тела превышает давление внешней среды, действующее на другую сторону поршня, на бесконечно малую величину, то последний будет бесконечно медленно двигаться в сторону расширения газа. При перемене знака будет происходить бесконечно медленное сжатие газа. При равенстве давлений по обе стороны поршня он остановится и наступит одно из промежуточных состояний равновесия в случае теплового взаимодействия рабочего тела е внешней средой бесконечно медленное протекание процесса возможно лишь тогда, когда температуры газа и окружающей среды отличаются друг от друга на бесконечно малую величину под действием которой те подводится   или   отводится   бесконечно  малое   количество   теплоты

Поэтому приведенное выше представление о равновесном процессе как о ряде последовательных состояний равновесия можно дополнить равновесным процессом называется такой, который протекает при отсутствии разности давлений и температур между рабочим телом и окружающей средой. Таким образом, равновесный процесс является предельным случаем неравновесного процесса при стремлении скорости этого процесса к нулю. Для термодинамики большое значение имеет и другая характерно процесса — его обратимость.

Пусть после прямого процесса 1-2 следует обратный процесс 2-1 Как, что всеми своими точками совпадает с прямым процессом, т. е. происходит в обратной последовательности через те же состояния, что Ей прямой. Получить такое совпадение состояний в прямом и обрат-ном процессах можно лишь в том случае, если процессы эти равновесные. В самом деле, если процесс неравновесный, то в зависимости от правлений процесса в газе должны существовать поля давлений и температур, разные по своему распределению, и поэтому для одного и го же положения поршня в прямом и обратном процессах состояния рабочего тела будут разными. Для равновесного же процесса каждому ложению поршня всегда соответствуют единые давление и температура-газа независимо от направления движения поршня через данную 4ку. В результате обращения процесса рабочее тело возвратится первоначальное состояние, т. е. в точку. При совпадении прямого и обратного процессов термодинамической темы вернется в исходное состояние также и окружающая среда. площади под прямым и обратным процессами одинаковые по размеру, разные по алгебраическому знаку, поэтому положительная работа процесса расширения 1-2 окажется равной отрицательной работе пропса сжатия 2-1, а количество теплоты, подведенное к рабочему телу процессе 1-2 из окружающей среды окажется равным количеству теплоты, отведенному в окружающую среду в обратном процессе 2.-1, Поскольку крайние точки обоих процессов одни и те же, изменение внутренней энергии между ними одинаковое по размеру, разное по знаку. Поэтому если в прямом процессе внутренняя энергия возрастала, то настолько же она уменьшится в обратном процессе, наоборот. Таким образом, в результате обоих процессов никаких изменений "в рабочем теле, ни в окружающей среде не произойдет. Процессы, подобные описанному, называются обратимыми. Следовательно, обратимым называется равновесный процесс, проходящий прямом и обратном направлениях через ряд одинаковых состояний, но в обратной последовательности, и возвращающий как рабочее тело так и внешнюю среду в исходное состояние. Если хотя бы одно из указанных условий не выполняется, то процесс является необратимым.

Для получения обратимого процесса должны быть созданы условия, указанные выше для равновесных процессов. К ним относятся отсутствие (в пределе) разности давлений и температур между рабочим телом и окружающей средой в любой момент времени.

Физике известны два процесса, являющиеся обратимыми при условии бесконечно медленного их протекания. К ним относятся изотермный, идущий при неизменной температуре, и адиабатный, не сопровождающийся теплообменом с внешней средой. Изотермный процесс проходит при одинаковой температуре источника и рабочего тела, поэтому, естественно, обеспечиваются условия передачи отводимой от тела теплоты в обратном процессе источнику теплоты от которого в прямом процессе эта теплота была заимствована. Выше указывалось, что при совпадении прямого и обратного процессов эти количества теплоты равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку. То же можно сказать в отношении работы, которой обменивается рабочее тело о окружающей средой. В результате протекания процесса в обоих направлениях и тело и среда возвратятся в исходное состояние, что и обусловит обратимость изотермного процесса.

При выполнении определенных условий можно представить себе обратимым любой термодинамический процесс. Эти условия состоят в том, что процесс должен быть разбит на бесконечно большое количество элементарных процессов каждый из которых взаимодействует со своим ИТ. Таким образом, и источников теплоты в этом случае должно быть бесконечно большое количество. Элементарные же процессы предполагаются настолько малыми, что дают возможность считать температуры тела в их пределах постоянными, а при переходе от одного элементарного процесса к другому — температуру рабочего тела, изменяющуюся на бесконечно малую величину. Если все эти источники теплоты имеют температуры, равные температурам рабочего тела  на  обслуживаемых ими участках, то рассматриваемый   процесс

оказывается разбитым на бесконечно большое количество элементарных обратимых процессов. При последовательном обращении всех этих процессов можно, очевидно, обратить и весь конечный процесс любого вида.

Необратимость процессов, происходящих в реальных тепловых машинах, как уже отмечалось, вызывается прежде всего конечной скоростью протекания процесса. В дополнение к этому необратимость обусловливается также наличием трения, пластическими деформациями и тепловыми потерями в окружающую среду, т. е. факторами,   имеющими место в действительных тепловых машинах. Так, например, в процессе расширения на преодоление трения расходуется некоторая доля работы, совершаемой рабочим телом, поэтому потребителю передается меньше работы, чем передавалось бы при отсутствии трения. Наоборот, при сжатии потребуется больше работы, так как кроме сжигания газа необходимо еще преодолевать трение, на что также расходуется работа.

Следовательно, условиями обратимости термодинамического процесса являются квазистатичность изменений состояния системы, участвующей в процессе, отсутствие трения и других диссипативных факторов. Обратимые процессы являются следствием идеализации реальных необратимых процессов.

В связи с вышеизложенным второй закон термодинамики применительно к тепловым процессам можно сформулировать так: процесс, три котором не происходит никаких изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, поэтому теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в термодинамической системе, например без затраты работы. В этой формулировке, так же как и в предыдущих,

                         1.2. Эксергетическаие диаграммы как наглядный способ изображения потоков энергии и энтропии

 Главной задачей технической термодинамики является анализ условий преобразования одних видов энергетического воздействия в другие, т. е. условий превращения энергии. Это необходимо во всех случаях, когда имеющиеся источники первичной энергии вырабатывают ее не в той форме, какая нужна потребителю, или же когда источника энергии (температура, давление, электрическое напряжение и т. д.) не соответствует потенциалу потребителя.

В большинстве случаев преобразователь получает первичную энергию в какой-либо одной форме, а отдает энергию потребителям в нескольких формах, причем одна (или немногие) из этих форм является полезной, а остальные — побочными и составляют так называемые «потери» энергии. Эффективность преобразования энергии в общем случае характеризуется отношением количества полезной энергии, отдаваемой потребителям, к количеству первичной энергии/полученной преобразователем от источника.

Если первичная энергия является работой любого вида, то с помощью идеального преобразователя в котором отсутствуют неравновесные, необратимые процессы (трение, электрическое сопротивление, диффузия и тому подобные процессы диссипации), она может быть полностью преобразована в энергию любого иного вида. Максимальная теоретическая эффективность преобразования работы в любую иную форму энергии (т. е. наибольший КПД преобразователя работы) равна единице. В реальных преобразователях имеются процессы диссипации, которые переводят часть энергии, подведенной в форме работы, в энергий) хаотического теплового движения микрочастиц тел, участвующих* в процессе преобразования, в связи с чем эффективность преобразования снижается. Такое снижение эффективности вызвано наличием необратимых процессов, поэтому для характеристики эффективности преобразователей работы необходимо воспользоваться вторым законом термодинамики и следствиями, из него.

Если вся первичная энергия или часть ее подводится к преобразователю в форме теплоты, то, согласно второму закону термодинамики, полное превращение в работу в принципе невозможно. Если преобразователь (тепловой двигатель) работает по замкнутому циклу, т. е. не совершает работу за счет собственной внутренней энергии, то эффективность преобразования теплоты в работу в идеальном, обратимом тепловом цикле характеризуется значением термического КПД цикла, имеющим максимальное значение для цикла Карно. Однако понятие термического КПД цикла недостаточно для полной характеристики эффективности процессов и устройств для преобразования энергии. Действительно, цикла не отражает потерь, вызванных необратимостью реальных процессов, необходимых для преобразования энергии, и непригодно для характеристики таких преобразователей, в которых полезно используемая потребителями энергия отдается не только в виде работы, но и в виде теплоты (например, в теплофикационных установках).

При сравнении тепловых двигателей, использующих теплоту различных температурных потенциалов, термический КПД цикла отражает лишь внешние условия, но совершенство самой машины, так как в выражения вида входят температуры источника и приемника теплоты, но не характеристики рабочего тела в цикле. Для учета конкретных потере в практику были введены дополнительные показатели эффективности преобразования, такие, как индикаторный, относительный, электрический, эффективный и другие КПД машин и отдельных их элементов. Разнородность этих коэффициентов затрудняет сравнительный анализ эффективности тепловых  двигателей.

Кроме того, термический КДЩ цикла не может служить показателем фиктивности обратных термодинамических циклов и машин, работающих по таким циклам, не может быть непосредственно использован для оценки эффективности преобразования энергии в разомкнутых Термодинамических процессах (например, при анализе работы отдельных элементов двигательной установки).

    В зависимости  от вида термодинамической системы, источников первичной энергии и условий протекания процессов в системе максимальное количество работы выражается различными соотношениями, получившими общее название функций работоспособности.

При получении выражений этих функций системы, находящейся в некотором начальном состоянии или совершающей некоторый термодинамический цикл, необходимо установить ее конечное состояние и оговорить условия перехода из одного состояния в другое.

Система может производить полезную работу лишь при отсутствии равновесия между ней и окружающей средой, поэтому за конечное состояние системы в случае разомкнутого процесса принимается состояние равновесия системы с окружающей естественной средой (например, с атмосферой), температура ТO и давление р0 которой принимаются постоянными

Согласно второму закону термодинамики, работа будет максимальна, если при переходе системы в состояние равновесия с окружающей средой все процессы будут полностью обратимыми (равновесными). Если при этом система получает первичную энергию от источников, то эти процессы также должны быть равновесными. Из условия обратимости следует, что теплообмен с окружающей средой может происходить только в равновесном изотермном процессе при температуре 0. Процесс обмена работой также должен быть равновесным, но при этом нужно учесть, что не вся работа, совершаемая системой, может быть отдана потребителю: часть ее должна быть затрачена на вытеснение соответствующего объема окружающей среды с противодавлением Поэтому при вычислении функций работоспособности учитьшается только полезная работа равная разности работы деформации системы и работы по вытеснению объема окружающей среды:

Полезной работой проточной системы является располагаемая работа, так как при выводе уравнения работа вытеснения окружающий среды (работа проталкивания) была учтена. 1 Ч 1

Для получения функции работоспособности проточной термодинамической системы рассмотрим процессы, в результате которых рабочее Тело, поступая в.систему с начальным состоянием, изменяет свое состояние до состояния 0, соответствующего равновесию с окружающеи средой (давление и температура). При этом рабочее тело отдает потребителю . некоторое количество располагаемой (полезной) paботы.  Вначале проводится адиабатный процесс, в ходе которого рабочее тело обменивается окружающей средой некоторым количеством работы, а температура рабочего тела становится равной температуре источника теплоты.

В процессе рабочее тело получает от источника теплоту в количестве так, что температура рабочего тела все время равна температуре источника (для выполнения условия обратимости). В адиабатном процессе 3-4 рабочее тело изменяет свою температуру до температуры окружающей среды, совершая работу. Если при достижении температуры давление рабочего тела оказалось не равным давлению окружающей среды, то для достижения равновесие совершается изотермный процесс, в котором рабочее тело отдается окружающей среде некоторое количество теплоты

Суммарные количества располагаемой работы и теплоты, которым обменивается рабочее тело с источником теплоты, потребителем работы и окружающей естественной средой при переходе от состояния  к состоянию 0, связаны уравнением первого закона термодинамики для проточной системы

Суммарное изменение энтропии определяется суммой изменений энтропии рабочего тела, источника теплоты и естественной окружающей среды причем интеграл берется по всему процессу подвода теплоты к рабочему телу. Знак минус перед интегралом учитывает тот факт, что энтропия источника в результате отдачи теплоты убывает. Изменение энтропии окружающей среды с учетом постоянства ее температуры