Термокомпрессор

А – компрессор

В – конденсатор

C-дроссельный вентиль

D – испаритель

ТА – технологический агрегат

В рез-те подвода низкопотенциальной теплоты в испарителе теплового насоса происходит кипение рабочего тела, пар которого сжимается в компрессоре с повышением давления и температуры (h) за счет работы сжатия. В конденсаторе теплота фазового перехода рабочего тела передается нагреваемой среде (например, технологические теплоносители). 1-2 – адиабата сжатия в компрессоре; 2-3 – изобарно-изотермическая конденсация рабочего тела; 3-4 – изоэнтальпическое расширение в дросселе от р_к до р_и; 4-1 – изобарно-изотермическое кипение или испарение рабочего тела. В том случае ,когда испаритель и конденсатор совмещаются в технологическом агрегате схема теплового насоса значительно упрощается и его называют термокомпрессором. Основной термодинамической хар-кой является коэффициент преобразования, который определяется как отношение кол-ва теплоты переданного в конденсаторе (q) к затраченной в компрессоре работе (l_ц). Т_к и Т_и в кельвинах. Для оценки эффективности в самом тепловом насосе исп-ся эксергетический КПД.

Е_к – эксергия теплового потока в конденсаторе; Е_l – подведенная эксергия. Вместо Е_l можно поставить мощность N компрессора. Идея использования обратного т/д цикла превращающего работу в теплоту (парогазотурбинные установки) с целью использования теплоты тела с низкой температурой для нагрева тела с более высокой температурой принадлежит Томпсону (лорд Кельвин). Он предложил использовать его (обратный т/д цикл) для отопления зданий путем утилизации теплоты окруж. воздуха.

Схема теплонасосного отопления помещений с использованием теплоты вентиляционного воздуха.

К – компрессор

И И – испаритель

К Д – конденсатор

Д В – дроссельный вентиль

О П – отапливаемое помещение

К

ДВ

КД

воздух воздух

Воздух из атмосферы подается в конденсатор, где он нагревается за счет теплоты конденсации рабочего тела и подается в отапливаемое помещение, где смешивается с воздухом, охлаждается и направляется в испаритель, где отдает тепло на испарение рабочего тела. Холодный воздух сбрасывается в атмосферу.

Схема отопления жилых помещений теплонасосной установкой с использованием теплоты водоема.

ОП T

КД вода С В

к

3 2

Н

дв

Д 1 А

лед

и вода S

Преимущество теплового насоса перед другими отопительными устройствами состоит в том, что при одинаковой затрате энергии l_ц с помощью его подводится к

нагреваемому объекту всегда большее количество тепла (q₀ + l_ц).

РО – радиаторное отопление

Цикл совместного получения тепла и холода. Совмещают цикл холодильной машины и теплового насоса в один обратный цикл. abcd – цикл теплового насоса. 1234 – цикл холодильной машины. ABCD – цикл совместного получения тепла и холода. Преимущества: 1) необратимые потери холодильного цикла (в конденсаторе) используется для получения теплоты,

отдаваемой потребителю; 2) для одновремен-

ного получения тепла и холода требуется 2 компрессора (12 и ab) и 2 детандора (cd и 34). Для этой же цели в совмещенном цикле требуется 1 компрессор для сжатия рабочего тела (AB) и 1 детандор для расширения рабочего тела (CD). Требуется в 2 раза меньше машин, след-но установка будет дешевле и проще и экономичнее вследствие уменьшения потерь энергии в машинах на необратимость. Эффективность цикла характеризуется суммой тепла к работе цикла. К = (q₀ + q₂) / l_Ц

Использование вторичных энергоресурсов.

В химической промышленности энергоемкие химические процессы частью являются источниками ВЭР, получаемых в виде побочного продукта основного производства. Под ВЭР понимается энергетический потенциал продукции отходов побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, установках, процессах, которые не исп-ся в самом агрегате, но м.б. частично или полностью использован для энергоснабжения других агрегатов, установок, процессов. К ВЭР относятся: – топливные (горючие) отходы хим. произв-в. Горючие отходы исп-т как правило полностью на предприятиях за исключением тех случаев, когда их сжигание сопряжено с технологическими трудностями; – тепловые выбросы, возникающие как побочный рез-т экзотермической реакции или содержащихся в отработанных материалах, в том числе и сбросных жидкостях и газах, сравнительно низкой температуры (низкопотенциальные тепловые ВЭР); – энергия избыточного давления продуктов (например схема адсорбционно-дисадсорбционной установки с турбиной).

Сбросный водород, получаемый при прозв-ве каустической соды м. исп-ть в качестве топлива в технологических процессах и котельных. Экономия составит 23 тыс. тонн усл. топлива. Утилизация тепла дымовых газов от сжигания хлорорганических и углеводородных отходов обеспечит экономию до 30 тыс. тонн усл. топлива. Использование низкопотенциальной ВЭР перспективно в абсорбционных холодильных установках для производства холода и теплонасосных установках для выработки тепловой энергии. Выработка холода в абсорбционных установках с использованием отбросного тепла и создание станций теплохолодоводоснабжения на базе абсорбционных тепловых насосов позволит обеспечить предприятие теплом с температурой +80°С, а холодом +5-+7 и охлажденной технической водой с температурой +20°С и одновременно повысить качество технического водоснабжения.

Схема абсорбционной холодильной машины.

ПарNH

С Охлаждаемая среда

вода Охлаждающ.

Д F

В 4

А Е

А – генератор (парогенератор)

В – ректификационная колонна

С – дефлегматор (конденсатор)

Н – насос

ТО Д – дроссельный вентиль

И - испаритель

ТО – теплообменник

F – абсорбер

Хладоагентом служит аммиак или бромистый литий, или фреоны. Наиболее распр-ны водноаммиачные холодильные машины, в которых Т_исп= -25°С, Т_конд= +35°С. Под давлением кипит вводно-аммиачный раствор в парогенераторе А. Образующиеся пары аммиака проходят через колонну В и дефлегматор С. Они содержат 99,5% аммиака. Далее пары конденсируются за счет водяного охлаждения и жидкий аммиак после дросселирования поступает в испаритель И. Пары аммиака из испарителя направляются в абсорбер, который орошается слабым водноаммиачным раствором стекающим из парогенератора. Слабый раствор охлаждается в теплообменнике до 42°С. Из абсорбера выходит раствор более концентрированный. Насосом Н он прокачивается через теплообменник, где он подогревается раствором идущим из генератора, в колонну В. Неиспользуемые источники ВЭР пром. предприятии приводят не только к тепловому, но и химическому загрязнению окруж. среды. Например 4 крупных пром. предприятий производящих кальцинированную соду выбрасывают в окружающую среду низкопотенц. ВЭР с различной температурой в количестве около 7 млн. ГДж/год. Обогрев генераторов можно осуществить низкопотенц. ВЭР с температурой 75-125°С.

Парогенератор с топкой.

Парогенераторы и теплогенераторы применяемые в химической технологии. Во многих высокотемпературных процессах хим. технологии по условиям технологии возникает необходимость в отводе опред. части выделяющейся тепловой энергии. С этой целью непосредственно в реакторе или за ним размещают элементы энергетического агрегата. Такими агрегатами являются парогенераторы, теплогенераторы, подогреватели исходных или промежуточных продуктов. Кроме того в химической промышленности находят применение тепло- и парогенераторы с собственными топками. Они служат для производства пара и подогрева других теплоносителей за счет сжигания топлива. Устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды, называют котельными агрегатами или просто котлами. Различают котлы паровые и водогрейные. Котельные агрегаты, использующие теплоту отходящих газов, называют котлами-утилизаторами. Котельные установки, снабжающие паром турбины называют энергетическими. Когда водяной пар используют как теплоноситель или как технологическое сырье, котельные установки называют технологическими. Схема котельной установки – парогенератор с собственной топкой.

В топке 1 сжигается топливо, образующиеся продукты сгорания в виде факела передают часть своей внутренней энергии (в основном излучением) кипящей воде, движущейся в кипятильных трубках 2, расположенных на стенках топки. Эти испарительные поверхности нагрева называются экранами. Далее продукты сгорания проходят через верхнюю часть заднего экрана 3 и последовательно омывая пароперегреватель 4, экономайзер 5, воздухоподогреватель 6, охлаждаются до 180…120°С и с помощью дымососа через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Прошедшая водоподготовку вода питательным насосом 7 подается в экономайзер 5, где она подогревается до температуры близкой температуре насыщения при данном давлении, после чего поступает в барабан 8 парогенератора. Отсюда она по опускным трубам 9 поступает в трубы экрана 2; образующаяся в трубах экрана парожидкостная смесь поступает в барабан 8, где происходит ее сепарация: жидкость поступает в опускные трубы 9, а насыщенный пар – в пароперегреватель 4 и далее к потребителю. Атмосферный воздух с помощью вентилятора 10 поступает в калорифер 6, где он подогревается до заданной температуры, после чего поступает в топку для сжигания топлива.

Котел-утилизатор.

Предназначен для использования физической теплоты газообразных продуктов и отходов химических производств или теплоты сгорания этих отходов и теплоты экзотермических реакций окисления исходного газообразного сырья для получения энергетического либо технологического пара. Котлы-утилизаторы, использующие физическую теплоту указанных веществ, не имеют топочного устройства и по существу представляют собой теплообменники. Котлы-утилизаторы, использующие теплоту сгорания или теплоту экзотермических реакций окисления указанных веществ, имеют топочное устройство для сжигания или окисления этих веществ.

5– экономайзер

3– барабан-сепаратор

2– циркуляционный насос

4– испарительный змеевик

1– пароперегреватель

Вода подогревается в водяном экономайзере 3, подается в барабан-сепаратор 4, оттуда забирается насосом 5 и прокачивается через испарительный змеевик. Затем парожидкостная смесь возвращается в барабан, где пар отделяется от воды. Вода направляется в испарительный змеевик, а пар направляется в пароперегреватель, который установлен в зоне наибольщих температур.

Рекуператор Регенератор.

реагент

2

1

1 – реактор, 2 – теплообменник

холод.газ горяч.газ

Для использования тепла газообразных продуктов реакции высокотемпературных процессов применяют регенераторы. Это периодически действующие камеры заполненные насадкой (для увеличения поверхности контакта). Для создания непрерывного процесса необходимо иметь 2 регенератора. Последовательно пропускается сначала горячий, а потом холодный газ. Тепло отходящих продуктов на химических заводах может быть использовано для сушки, выпарки, дистилляции и друг. процессов.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОПЛОВОГО И ДИФФУЗОРНОГО АДИАБАТНОГО ТЕЧЕНИЯ ГАЗА.

Соплами называют каналы, в которых происходит снижение давления газа (dр<0), а диффузорами – каналы, в которых происходит повышение давления газа (dр>0).

Сопло Лаваля – комбинированное сопло с суживающейся и расширяющейся частями, применяемое для получения скоростей газа больше скорости звука.

Из уравнения -υ = (1) (располагаемая работа = кинетической энергии) следует, что знаки dр и dw противоположны. Поэтому всякий раз, когда давление в потоке понижается, скорость возрастает, а когда давление повышается, скорость убывает. Таким образом, в соплах происходит разгон, а в диффузорах торможение потока. При конструировании проточных частей энергетических устройств (турбин, компрессоров, реактивных двигателей и т.п.) практически важным является вопрос о том, какой профиль должен иметь канал, чтобы обеспечить сопловое или диффузорное течение газа ( т.е. разогнать или затормозить поток).

При адиабатном течении газа располагаемая работа газа равна разности энтальпий в начальном и конечном состояниях

ℓ₀= ‑ ∫ һ = (һ₁ – һ₂) (2)

Запишем уравнение постоянства массового расхода G при стационарном течении газа

ρFw (3)

Где F - сечение канала, м²

w – скорость потока,м/с

v – удельный обьем, кг/м³

Прологарифмировав это уравнение, а затем продифференцировав, будем иметь

(4)

Прологарифмировав уравнение адиабаты в дифференциальной форме

(-υdр = kрdv)

- k (5)

Выразив из (1)

(6)

И из (5) (7)

И подставив (6) и (7) в (4) , получим

(8)

где а = - местная адиабатная скорость звука в газе, т.е. скорость распространения малых упругих деформаций.

Если необходимо обеспечить сопловое течение (разгон потока) при скорости течения газа w меньше местной скорости звука a ( с учетом того, что в соплах dp <0) из (8) имеем dF <0, т.е. канал должен быть суживающимся. Если же w > a ( течение газа сверхзвуковое), из (8) получим  dF>0, и для разгона потока сопло должно быть расширяющимся.

Для обеспечения диффузорного течения (торможение потока) при w<a (дозвуковое течение газа) из (8) с учетом того, что dp>0, получим dF>0, т.е. канал должен быть расширяющимся. Если же w>a ( течение газа сверхзвуковое) из (8) получим dF<0, и для торможения потока канал должен быть суживающимся. В случае несжимаемой жидкости v=const из уравнения (2) G= получаем Fw=const. Поэтому для несжимаемой жидкости увеличение всегда ведет к торможению потока а уменьшение сечения – к его разгону.

Истечение идеального газа из суживающихся сопел.

Д опустим, что параметры потока газа на входе в сопло и выходе из него соответственно равны p₁v₁ и р₂v_2, а площадь выходного сечения F₂ (Рис.1). Скорость истечения газа из сопла может быть найдена путем интегрирования соотношения (1)

l = (9)

где w₁ и w₂ – cкорости газа на входе и выходе из сопла

В случае, когда w ₂ >>w₁, величиной w₁ можно пренебречь. Тогда скорость на выходе из сопла w₂= w будет

W = (10)

Подставляя в эту формулу значение располагаемой работы при обратимом адиабатном расширении газа, получим

W = (11)

Используя формулу (2) , находим еще одну формулу для w

W = (12).

Выразим удельный объем v₂ из уравнения адиабаты

_{= (13)}

_{Подставим (11) и (13) в уравнение расхода газа (3)}

G =

получим

G = F_{2 (14)}

Если зафиксировать давление р₁ и понижать давление за соплом р₂ , то скорость потока w₂ и расход газа G будут увеличиваться. При достижении скорости w₂ значения, равного значению местной скорости звука a, дальнейший разгон потока в суживающемся канале, как было показано ранее невозможен, поэтому после достижения давления p₂ в устье сопла, равного давлению, при котором w₂₌a , расход газа G по мере понижения р₂ будет оставаться неизменным и равным максимальному G_мах . Давление р₂, соответствующее достижению максимума расхода, называют критическим р_2кр, отношение давлений р_2кр/р₁ также называется критическим.

Скорость истечения w₂, равная местной скорости звука, называется критической скоростью и обозначается w_2кр.

Для получения максимального расхода при истечении газа из сопла необходимо взять первую производную по р₂ от соотношения (15) и приравнять ее к нулю, т.е.

Отсюда (15)

Это отношение давлений, обеспечивающее максимальный расход, называемый критическим и обозначается через β_кр.

β_{кр.= (16)}

Критическое отношение давлений зависит только от свойств газов (от показателя адиабаты). Например, для двухатомных газов k= 1,4 и β_кр =_.0,528_.

Подставляя в формулу (14) величину β_кр., получим значение максимального расхода

Gmax= F_{2 (17)}

Подставляя величину β_кр в формулу (11), получим формулу для критической скорости.

W_кр= (18)

Критическая скорость истечения представляет собой максимальную скорость истечения газа из суживающегося сопла. Так как, согласно, приведенного выше рассуждения скорость на выходе из сопла не может превысить местную скорость звука a , то, следовательно, W_кр = a.

Из (13) и (15) следует

P₁= P_{2 ;}

V₁ = V_{2 =} V_{2 .}

Подставляя P_{1 и} V₁ в (18) получим

Wкр. = = a.

Скорость распространения звука определяется по формуле Лапласа

a = = ,

где р – давление среды, ρ –плотность, v – удельный объем.

Для идеального газа учитывая, что pv= RT, получим

a = .

Нелинейная термодинамика неравновесных процессов

и явление самоорганизации материи.

Введение. Самоорганизация материи.

В середине 20 века ряд ученых обобщили известные опытные факты из разных областей знаний и высказали идею о том, что в состояниях далеких от попложения равновесия, у материи в определенных условиях появляется способность к самоорганизации. Сущность самоорганизации состоит в том, что молекулы ( и другие частицы) начинают участвовать в кооперативных(совместных) движениях, образуются так называемые диссипативные структуры как во времени, так и в пространстве. С приближением к состоянию равновесия эта способность материи к самоорганизации ослабевает и, наконец, исчезает: молекулы (идругие частицы) теряют способность к кооперативному движению, и диссипативные структуры распадаются. Длительное существование диссипативных структур обеспечивается наличием в системе неустойчивых стационарных состояний, далеких от равновесного.

Для появления самоорганизации в системе она должна быть

1. нелинейной

2.неравновесной

3. иметь обратную связь; для химических реакций – наличие автокаталитической стадии

4.иметь неустойчивое стационарное состояние системы

5.стохастической, т.е. в системе есть случайные процессы.

Пример самоорганизации:

в биологии – изменение численности популяций в системе карась-щука (рыба – хищник). Число особей в обеих популяциях с течением времени колеблется с некоторым сдвигом.

из физики (оптика) – Примером самоорганизации в оптике могут служить лазеры. Причина возникновения лазерного излучения состоит в следующем: под влиянием подведенной энергии (например, световой) в веществе возникает неравновесное состояние и при определенных условиях световые волны становятся когерентными, т.е. согласованными во времени; происходит самоорганизация световых колебаний.

В гидродинамике – обратимся к так называемой неустойчивости Рэлея-Бенара. Если в сосуд с плоским дном налить тонкий слой жидкости и подогревать его снизу, то при достаточно высоком градиенте температуры в слое жидкости возникают конвективные потоки, которые в определенных условиях самоорганизуются и возникают диссипативные структуры (турбулентные потоки), например, в форме шестиугольников. Если нагреватель убрать, то эти структуры исчезают.

Сначала рассматривалась так называемая линейная термодинамика неравновесных процессов (ЛТНП). Представляющая собой приближение, которое справедливо только вблизи равновесного состояния. В то время как реальные химические реакции, имеющие практическое значение, протекают при состояниях системы, далеких от положения равновесия.

Изменение энтропии dS складывается из энтропии, возникающей внутри системы dSί (ί - internal), и из энтропии dSe (e – external), передаваемой вместе с теплотой из окружающей среды: dS= dSί- dS_е.

В равновесной системе критерием осуществимости процесса является возрастание энтропии в изолированной системе. или, другими словами, внутреннее возрастание энтропии:

dS_ί >0.

В неравновесной системе вблизи равновесия, согласно ЛТНП, критерием осуществимости процесса является увеличение так называемого производства энтропии, или, другими словами, внутреннее возрастание производства энтропии:

dp_ί >0,

где р= dS_ί/dί – внутреннее производство энтропии, или, иначе, скорость внутреннего изменения энтропии.

Явление самоорганизации материи наблюдается при состоянии системы далеком от равновесия. Поэтому при рассмотрении этого явления нельзя использовать ЛТНП, а нужно применять нелинейную термодинамику неравновесных процессов(НТНП) и, следовательно – нелинейные дифференциальные уравнения.

Нелинейные дифференциальные уравнения, описывающие явления самоорганизации материи, как правило, не имеют стандартных решений, как это имеет место для линейных.

При рассмотрении самоорганизации материи часто важно иметь сведения только о типе устойчивости (или неустойчивости) стационарных состояний, далеких от равновесия при разных значениях заданных параметров. Эти сведения можно получить косвенным путем, не имея аналитического решения нелинейных дифференциальных уравнений, с помощью 2 подходов: термодинамического и нелинейно-динамического (опирающегося на представления теории колебаний и теории устойчивости).

В НТНП критерием устойчивости стационарного состояния в изолированной системе является так называемое избыточное производство энтропии Р для данного стационарного состояния (изолированной системы), далекого от равновесия. Разложим его в ряд Тейлора

Р= Р₀+δР+1/2δ²Р,

где δ_хР=1/2 δ²Р

Знак избыточного производства энтропии определяет устойчивость стационарного состояния вдали от равновесия: если δ_хР>0. то стационарное состояние устойчивое; при δ_хР<0 – неустойчивое.

В последнем случае речь не идет об осуществимости процесса в стационарном состоянии далекого от равновесия, а о критерии наблюдаемого типа стационарного состояния: устойчивое или неустойчивое.