Технічна термодинаміка

Викладачі, що працюють за напрямом: Горпинко Ю.І.

ФІЗИЧНЕ ФОРМУЛЮВАННЯ 2-ГО ЗАКОНУ (НАЧАЛА) ТЕРМОДИНАМІКИ, ЯКЕ ОБҐРУНТОВУЄ АЛЬТЕРНАТИВНІ МЕТОДИ ТЕРМОТРАНСФОРМАЦІЇ

Термодинамічна система (ТС), яка здійснює кругове перенесення тепла одного й того ж природного джерела, є здатною генерувати роботу, механічна потужність якої не може перевищувати сумарного потоку спожитої зовнішньої ексергії, в тому числі й від кількісно незмінних транзитних потоків зовнішньої теплоти, які змінюють всередині цієї ТС свою якість (ексергію) завдяки підведенню і відведенню на різних температурних рівнях. За випадку, коли ексергія підводиться виключно від транзитних теплових потоків, дефіцит енергії, необхідної для генерації роботи, ТС може компенсувати завдяки споживанню теплоти того ж природного джерела.

На підтвердження нового формулювання виконано порівняльний аналіз ідеального циклу Карно та ідеалізованого циклу Ренкіна, які використовують ідентичні процеси ізотермічного розширення. Вказані цикли зображено на рис. 1.

Рис. 1. Графічні зображення в t-s діаграмі пароводяного циклу Ренкіна з ізотермічними машинами й можливим використанням регенеративного теплообміну та циклу Карно, який використовує ідентичнийпроцес ізотермічного розширення на вищому температурному рівні

Ідентичні процеси розширення показано відрізком прямої лінії 5–6. Теоретичний прямий цикл Карно позначено точками 5–6–6’–5’–5; ідеалізованийпрямий цикл Ренкіна – точками 1–2–3–4–5–6–7–8–9–10–1. В циклі Ренкіна, окрім зовнішніх нагрівання та охолодженняможлива організація трьох процесів внутрішнього (регенеративного теплообміну): 4–5÷ 6–7, 2–3 ÷7–8, та1–2 ÷9–10.

Згідно з рис.1 ідеалізований цикл Ренкіна перетворює в механічну потужність майже весь основний потік зовнішнього тепла, який сприймає робоче тіло на вищих температурах його нагріву в процесі ізотермічного розширення, а порівняльний цикл Карно – лише ексергію основного теплового потоку. Вищу потужність циклу Ренкіна забезпечує той самий альтернативний фізичний механізм споживання необхідноїдодаткової ексергії, який окреслює нове формулювання 2-го Закону термодинаміки.

Додаткову ексергію надає зовнішній тепловий потік, який забезпечує нагрівання робочого тіла в інтервалі від температури довкілля до температури нагріву основним потоком (їх фізично може бути декілька). Вказаний допоміжний потік енергії є практично транзитним бо різниці ентальпії i5 –i1 таi6 –i10 дуже близькі між собою.

Він сприймається робочим тілом циклу на більш високих температурних рівнях, а скидається до зовнішнього теплоприймача – на більш низьких, майже не змінюючи при цьому свої кількісні характеристики. Застосування регенеративного теплообміну не змінює фізичний механізм споживання ексергії. Воно надає змогу зменшити абсолютну величину транзитного теплового потоку, підвищуючи тим енергетичну ефективність циклу Ренкіна.

Подробиці на сайті ІПМаш ім. М.А. Підгорного НАН України

http://ipmach.kharkov.ua/downloads/conferences/WL2017-section-1.pdf

НЕЛІНІЙНА ТЕОРІЯ ТЕПЛООБМІНУ, ЯКА ОБҐРУНТОВУЄ АЛЬТЕРНАТИВНІ МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ЙОГО ЕФЕКТИВНОСТІ

Розвинута нелінійна теорія теплообміну, яка надає можливість достатньо точного прогнозування характеристик теплообмінних апаратів у випадках, коли теплоємкість потоків суттєво залежить від температури. Вона своїми внутрішніми засобами забороняє можливість створення вічних двигунів другого роду.

За випадків близьких між собою величин середніх теплових еквівалентів нагрівного і охолоджувального потоків будь-які локальні відхилення співвідношення теплових еквівалентів потоків від середньо інтегрального значення цього співвідношення для теплообмінного апарату в цілому призводить до підвищення середнього температурного напору теплообміну. При значних відхиленнях середньо інтегрального значення співвідношення від 1 локальні відхилення можуть призводити до протилежного результату пониження середнього температурного. Створено графічний метод оцінки впливу таких відхилень, в якому застосовано розгорнуті аналітичні розв’язки Кейса і Лондона.

Найбільша практична значимість теорії пов’язана з удосконаленням натепер найбільш важких для технічної реалізації теплообмінників, збалансованих за середніми тепловими еквівалентами еквівалентів нагрівного і охолоджувального потоків. Графічний метод дозволяє виділити такі форми нелінійних залежностей теплоємкості (ентальпії) потоків від температури, за яких це збільшення є вкрай несприятливим, або ж, навпаки, вельми сприятливим для досягнення високої ефективності теплообміну.

Виявлено фізичний механізм того, яким чином збільшення середнього температурного напору може призводити до протилежних за енергетичною ефективністю результатів. Несприятливе підвищення середнього температурного напору призводить до наростання крайових недорекуперацій при зменшенні температурного напору всередині теплообмінника. Сприятливе – до підвищення температурного напору всередині теплообмінника при зменшенні крайових недорекуперацій. Встановлено критерії які визначають сприятливість або несприятливість форми не лінійності термодинамічних властивостей потоків теплоносіїв.

Запропоновано безрозмірну форму запису рівняння теплопередачі

(1)

Де

– ефективність теплообмінника,

– різниця вхідних температур потоків,

– середній температурний напір, Ntu– число натуральних одиниць переносу тепла.

В свою чергу Ntu – це широко застосована характеристика інтенсивності теплопередачі, форму запису якої

(2)

Де k – це коефіцієнт теплопередачі, F – поверхня теплопередачі теплообмінника, m˙– вагова витрата і Cp– ізобарнатеплоємність потоку з мінімальним тепловим еквівалентом.

Для збалансованої теплопередачі

, а температурний напір приймає мінімальну величину для вибраного значення . По досягненні

значень 0,8 – 0,85 дієвість підвищення Ntu суттєво зменшується. Подальша інтенсифікація є економічно доцільною лише для теплообмінників кріогенних систем.

Рівняння (1) обґрунтовує альтернативний фізичний механізм підвищення ефективності теплопередачі. Він полягає у підвищенні середнього температурного напору, чи гальмуванні того зниження середнього температурного напору, яке відбувається при інтенсифікації теплообміну. Останнє досяжне завдяки застосуванню нових конструкцій теплообмінників.

Запропоновано практичні конструкції теплообмінників запобігання зниженню температурного напору. Вони мають відрізнятися від сучасних аналогів наявністю додаткової системи теплообміну між потоками, яка буде одночасно виконувати дві функції. Перша функція полягає в передачі частини теплового навантаження від нагрівного потоку до охолоджувального, друга – в запобіганні зниженню температурного напору теплопередачі шляхом створення локальної за об’ємами теплообмінного апарата нерівності запасів тепла потоків. Потенційний виграш такого шляху досягнення високої ефективності полягає в тому, що дієвість збільшеного температурного напору згідно (1) суттєво (від 2 до 100 раз) вища за інтенсифікацію тепло перенесення.

Запропонований наочний приклад конструкції теплообмінників запобігання зниженню температурного напору. Його зображення наведено на рис.2. Розглянуто протиструмінний теплообмінник, витрати теплоносіїв якого рівні між собою, теплоємності є постійними й однаковими. Уявімо собі, що оребрення цього теплообмінника виконане у вигляді стрижнів однакової довжини, які мають можливість переміщатися уздовж своєї осі. Якщо вони перебувають в середньому положенні, ми маємо класичний варіант рекуператора, термічний опір теплопередачі якого знижений за рахунок оребрення. Припустимо, що теплоємність стрижнівдуже велика.

Рис.2. Цикл ідеалізованого теплообмінника з додатковою системою створення штучної нерівності запасів тепла потоківу вигляді рухомих стрижнів: а – розподіл стрижнів за першої фази циклу; б – положення стрижнів за другої фаза циклудо зворотного переміщення.

На рис.2,а зображена ситуація першої фази циклу теплообмінника, коли непарні стрижні повністю переміщені в один з потоків, парні – в інший. Стрижні накопичують чи віддають тепло. Час переміщення стрижнів є малим відносно часу їх перебування в стані занурення в один з потоків.

Друга фаза циклу, зображена на рис.4.7,б відповідає переміщенню стрижнів з того потоку, в якому вони перебували, до іншого. Знову ж таки переміщення є швидким, витримка стрижнів – такою ж за часом, як і в першій фазі. Ті стрижні, які накопичували тепло, віддають його більш холодному потоку, холодні стрижні відбирають його та запасають тепло. Після цього стрижні знову змінюють своє положення, цикл повторюється.

Очевидно, що наведена вище конструкція має додаткову систему теплопередачі у вигляді комплекту рухомих стрижнів. Запасені в стрижнях тепло і холод створюють у тому об’ємі апарата, в якому розташований стрижень, нерівність запасів тепла нагрівного й охолоджувального потоків. При цьому в цілому теплообмінник залишається збалансованим. Практичні конструкції можуть бути технічно набагато простішими, але вони досі не запатентовані.

Детальна інформація міститься у книзі:

Горпинко Ю. І. Теоретичні й технологічні основи кріогенного газового виробництва Ч.1 Системи зрідження кріогенних газів. Технології ефективної теплопередачі Навчальний посібник. Х. : ХУПС, 2010– 124 с. ISBN 978- 966-468-057-5124