CC BY
57
УДК 621.311.22
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОСПРОИЗВОДСТВА ЭНТРОПИИ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ЭНЕРГИИ
В.И. Игонин, О.В. Стратунов
В работе представлено создание методики энтропийной диссипационной модели применительно к объекту системы теплоснабжения, которая реализуется на первом этапе исследований оценкой усредненных по поверхности и времени потоков ввиду сложности изучаемого явления, проиллюстрированы результаты части расчетноэкспериментальных исследований термодинамических процессов формопреобразования энергии в электротеплонаг-ревателе трансзвукового типа имени Фисенко. Определены диссипационные составляющие суммарного энтропийного потока, вычислены коэффициенты трансформации механической и тепловой форм энергии, преобразования и полезного действия для протекающих процессов в электротепловыделяющем элементе
Ключевые слова: методика моделирования, диссипационная модель, функционал, энтропийный поток
В данной работе в качестве первичной реальности для моделирования элементарного преобразователя энергии использован теплогенератор имени Фисенко [1] который, преобразует электрическую форму энергии в тепловую.
Для построения физико-математической модели наряду с диссипационными энтропийными законами неравновесной термодинамики [2, 3, 4, 5] использованы её феноменологические законы Джоуля - Ленца, Дарси - Вейсбаха. Гидравлические, термогидравлические параметры работы электротеплогенератора (ЭТГ) получены расчетно-
экспериментальным путем на созданной авторами установке, а так же с помощью эмпирических формул из разных источников [6, 7, 8].
Рассмотрим в общем виде лабораторную модельную реальность, на рис. 1. Лабораторная установка состоит из стандартных элементов системы теплоснабжения. К основным типовым элементам схемы относятся электротеплогенератор 1, баки аккумуляторы 7, термоконвекторы 8 , насос 4, трубопроводные транспортные системы 9.
Ввод энергии АЕос1 (1) в систему совершается
в электротеплогенераторе ЭТГ с регистрацией его электрических параметров управления 13 и 5. Теплоноситель в одно или двухфазном состояниях фиксируется видеосистемой 14. Энергия поступает в баки аккумуляторы 7 либо термоконвекторы 8. Далее потоки жидкой фазы могут быть возвращены в ЭТГ.
Термогидравлическая форма энергии, накопленная в баках накопителях может циркулировать в дополнительном контуре по схеме «насос - баки -термоконвекторы - насос». Структурные элементы основного и дополнительного контура могут быть соединены последовательно или параллельно в зависимости от решаемой на установке задачи модельного эксперимента. На рис. 2 показана схема сбора и обработки экспериментальной и расчетной информации.
Игонин Владимир Иванович - ВологодГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected] Стратунов Олег Владимирович - ВологодГТУ, ассистент, е-mail: [email protected]
Здесь помимо основных элементов уже описанных на рис.1, показаны компьютер 3, регулятор мощности тока 6, аналогово-цифровой преобразователь 7, схема расположения термопар в корпусе и теплоносителе ЭТГ.
равлического преобразователя энергии:
1. Электротеплогенератор. 2. Подвод электрической энергии к ЭТГ. 3. Энергопроводы подвода термогидравлической энергии к ЭТГ. 4. Насос для транспорта рабочего тела. 5. Подвод электрической энергии к насосу. 6. Вывод термогидравлической энергии из ЭТГ. 7. Баки накопители теплогидравлической энергии. 8. Термоконвективные теп-лоотдатчики энергии. 9. Система трубопроводов распределителей и передатчиков энергии. 10. Участок визуального наблюдения за состоянием рабочего тела. 11. Измерители сил давления. 12. Измерители и регистраторы температурных сил. 13. Измерители и регистраторы тока и напряжения. 14. Видеосистема
А 2 ж 1? Потребитель
^ 1
Рис. 2. Схема сбора и обработки информации:
1 - блоки регистрации электрической энергии, 2 - участок визуального наблюдения теплоносителя, 3 - компьютер; 4 - потребители энергии, 5 - циркуляционный насос; 6 -регулятор мощности электрической энергии; 7 - аналогово-цифровой преобразователь
Ввиду сложности изучаемого явления на первом этапе его исследования представляется интерес-
БР
ным отработать методику моделирования, позволяющую вести усредненные оценки основных субстанциональных потоков и получить их приближенные количественные соотношения. Что будет первой итерационной версией или приближением к моделированию и пониманию происходящих процессов в сугубо нелинейной, диссипационной многокомпонентной термодинамической системе.
Рассмотрим результаты расчетно-
экспериментального исследования, основанные на апробации законов феноменологической термодинамики [2, 3, 4] которые позволяют несколько заполнить образовавшийся недостаток информации связанной с воспроизводством энтропии подобного рода системах.
Если рассмотреть модельную диссипативную реальность термодинамической системы открытого типа [5], в которой идут процессы преобразования и рассеивания энергии (рис. 3), применительно к изначально неравновесному необратимому элементарному циклическому объекту, в котором существуют условно «горячий» и «холодный» источники теплоты, то можно записать следующие формулы (1)-(6) в некоторой степени условно совместимые с гипотезой целлюлярного равновесия, [3].
Запишем систему уравнений которые справедливы для элементарной термодинамической системы, работающей по прямому (тепловой двигатель) с производством работы и обратному циклу с затратами работы (тепловой насос). Поскольку энтропия функция состояния системы и характеризует количество суммарной энергии находящейся в исследуемой системе в единицу времени, имеем соответствен-но,(1),[5] и
АЕо С1 ^ Q = [Аи+Аидисс +АЬ+АЬдисс ] ^ АЕо с2 ’ (1) учитывая, что AQ = ТёБ , [2] есть суммарная теплота эквивалентная энергии АЕо с1, получим уравнение
(2). В конечном счете, высокопотенциальная взятая тем или иным образом из окружающей среды энергия АЕо с1 после разнообразных утилизационных и диссипационных эффектов ее превращения в формах внутренней энергии А и , АП дисс и работы АЬ,
АЬ
дисс
рассеивается в окружающей среде АЕ
о.с2 -
но с другим более низким потенциалом.
Рис. 3. К балансовой структуризации в элементарном преобразователе энергии
Рассмотрим основные слагаемые (1) для элементарного циклического процесса с температурой Т=Тц. Тогда для элементарного рабочего тела с массовым расходом т можно записать (2)
АП АПд
Т
■ + -
Т
АЬ АЬд ~Т
Т
А?П + А^диссП + А$Ь + А$диссЬ
Для элементарного преобразователя, имеем соответственно (3),(4),(5),(6)
Ср АТт
, (3)
ASU =
Т.,
где Ср — коэффициент чаще всего изобарной теплоемкости рабочего тела нагретого или охлажденного до конечной разности температур АТ
(рАу - у Ар )
Тц
АЬ
расш
АЬ
(4)
Тц
+ -
т
прош = А? + А?
расшП ‘-^’прошЬ
Ц Ц
где изобарический рАу и изохорический у Ар процессы реализуются для рабочего тела в формах работ расширения АЬрасш или проталкивания
АЬпрош с характерным энергообменом, наблюдаемым для значительного большинства технически организованных систем, р — давление; V — удель-
НЬШ объем, № расшП , А?прошЬ - воспроИзвОДство
энтропии в соответствующих процессах.
Диссипационные потери энергии в форме работы (потери напора движущейся жидкости) и энергии рассеивания в окружающую среду от нагретой технически организованной оболочки можно считать эквивалентными теплоте передаваемой тем или иным образом в окружающую среду.
Расчет диссипационных потерь энергии с наружной поверхности корпуса устройства определяется с использованием уравнения стационарной теплопередачи через цилиндрическую стенку с диаметрами ^ и длиной 1 и коэффициентом теплопроводности стенки Хст [6]
( \
(об.ш —/о.ср) 'П )
А?
дисси
АйдиссП Тц
1
1
-1п—+_ 1
аж <^1 2Дсш ^1 ав^2
Тц
(5)
Тц Тц
где аж, ав - коэффициенты теплоотдачи от потока
жидкости со среднемассовой температурой ш к
внутренней поверхности корпуса и от наружной поверхности корпуса к окружающей среде с температурой / .
А о.ср
Потери диссипации энергии связанные с производимой работой (6).
АЬдисс = т '8 'АЫош
А?
диссЬ
Тц
Тц
(6)
1Ц 1ц
где Акпош - потери механической энергии, которые чаще всего находятся по формуле Дарси - Вейсбаха
[7] для единицы веса рабочего тела, 8 - ускорение свободного падения. Таким образом (2) учитывает удельные на один градус преобразования запаса мощности накопленной в элементарном цикле движущимся рабочим телом с массовым расходом т , со средней температурой цикла Тц для элементарного
объема рабочего тела.
Иллюстрация описанной выше априорной модели энергообмена предусматривает наличие некоторых результатов экспериментального характера, указывающих на правомерность приводимых выше рассуждений.
Условия структуризации опытной модели термодинамической системы представленной на рис. 3 и уравнениями (1), (2) подразумевают наличие источника энергии АЕо с^, в котором осуществляется преобразование разных форм энергии в теплоту. Для этих целей требуется теплообменное устройство с ограждающей поверхностью организованной таким образом, чтобы получать энергию в разных формах и преобразовывать их в формы удобные для утилизации с последующей отдачей в окружающую среду.
Доставка удельной энергии потребителю и в нужное место технического объекта осуществляется теплоносителем (рабочим телом) с накоплением
энергии А?и, совершением работы А^, и
А?диссП , АБдиссЬ диссипацией-
В соответствии, с условиями организации дис-сипационные составляющие должны быть минимальными настолько, чтобы была возможность удержать систему в стабильном либо в метастабиль-ном состояниях при выбранных для этих целей геометрических параметрах.
Исходя из предположения, что интегральным параметром состояния обобщенного преобразователя энергии является энтропия построим для разработанной априорной части модели объекта, его апостериорную часть [9, 10, 11].
Основные блоки термодинамического анализа разработанной схемы моделирования показаны на рис.4.
Рис. 4. Схема термодинамического анализа
Они указывают на алгоритм построения модели заданного целевого назначения. В соответствии с алгоритмом следует определиться по какому циклу работает устройство, рассмотреть возможности получения термических и калорических параметров, связать их между собой в соответствии с теорией термодинамических потенциалов, выделить силы и потоки по тепловой, гидравлической, механической, электрической и смешанных форм энергии, прини-
мающих участие в выпуске основной продукции в соответствии с ее назначением [12].
Рассмотрим физико-технические характеристики каждого элемента и структурные связи, которые формируют ту или иную утилизационную термодинамическую диссипационную систему, чтобы увязать между собой информационные параметры измеряемые (рис. 1) и расчетные (рис. 2) для создания нужной энтропийной модели.
В анализируемой модели изучается источник энергии электротермогидравлического типа. Множественность формопреобразований позволяет отнести его к сложным термодинамическим системам преобразователям энергии. Поскольку ЭТГ в любом схемотехническом решении включается в кольцевую схему движения теплоносителя, то имеет место замкнутый цикл из повторяющихся элементарных идеальных термодинамических процессов присущих стандартной системе теплоснабжения. Отличие состоит в том, что проточная часть ЭТГ устроена таким образом, что теплоноситель имеет возможность менять внутреннюю энергию за счет регулируемой подачи электрической энергии с помощью тепловыделяющих элементов и изменения свойств воды за счет механической и электрической ее активации [13].
Работа насоса и ЭТГ неразрывно связаны потоками непрерывно циркулирующего теплоносителя и электрической энергии см. поз.1 на рис 1. Оба элемента с позиций преобразования энергии являются преобразователями электрической энергии в механическую, механической в тепловую. В самом деле, в одном случае идут преобразования электрической энергии в теплоту в соответствии с феноменологическими законами Джоуля - Ленца, в механическую энергию вращения ротора насоса и перемещения жидкости с балансовыми уравнениями Максвелла, указывающими на взаимосвязь магнитного поля с токами проводимости и переменным электрическим полем, в другом случае потери механической энергии движущегося потока в соответствии с законом Дарси
- Вейсбаха можно считать эквивалентными количеству выделенной при этом теплоты.
Баки накопители 7 (рис. 2) являются аккумуляторами тепломеханической энергии с одной стороны, а с другой стороны могут быть использованы как её источники для термоконвекторов 8 и создания дополнительного напора для насоса 4.
В термоконвекторы поступают потоки термогидравлической энергии, а теплопередача в окружающую среду конструктивно организована для образования максимально возможного термомеханического потока свободно движущейся нагреваемой среды [11].
Тогда мы можем сказать, что в блоках преобразователях 1, 4 схемы на рис. 2 идут процессы преобразования одной формы энергии в другую ее форму (электрической в теплоту, электрической в механическую), а в блоках трансформаторах 7 и 8 из одной формы в такую же форму, но с меньшим потенциалом (термомеханической формы энергии жидкости в термомеханическую форму движения воздуха).
С точки зрения функционирования ЭТГ, мы имеем термодинамическую систему с подводом электрической энергии, которая затем превращается в механическую форму движения теплоносителя с помощью насоса и тепловую в электронагревательных элементах.
Из предыдущего описания следует, что при данном схемотехническом решении образование полезного эффекта в цикле идет с затратами работы АЬ с последующей трансформацией механической формы энергии от уровней «холодного источника»
к , Т до уровней горячего источника
вх вх
квых, Твых для потребителей 7, 8 и возвратом не использованной её части в источник теплоты.
Таким образом, можно сделать вывод, что оба преобразователя электрической энергии участвуют в обратном цикле преобразования и трансформации энергии (рис. 4) и работают по циклу теплового насоса, когда за счет энергии окружающей среды создается необходимый более высокий уровень энергетического потенциала для дальнейшего его использования у потребителя.
Из анализа формулы (2) и её слагаемых для реализации алгоритма (рис. 4) необходимо заполнить матрицу экспериментальных параметров М э,
Мэ = {МП ,МТ Мсч ,Мск. р .нас }, (7)
где элементы матрицы: Мп - матрица давлений теплоносителя (7.1), Мт - матрица показаний термопар
(7.2), Мсч - данных теплового и электрического
счетчиков (7.3), М - характеристик сети и
4 ск. р.нас г г
насоса. Из элементов матрицы (7) формируется матрица параметров Мдар для термодинамического анализа
МПАР = {МКМТМае.р.ш.Мк.машМгеомМ шерм.функ} , (8)
где Мк - калорические (8.1), Мт - термические
(8.2), М - свойств рабочего тела (8.3), М
4 св. р.ш. г 4 ' к.маш
- свойств конструкционных материалов (8.4), М геом
- геометрических шраметр°в (8.5Х Мшермфунк -
термодинамических функций (8.6) и т.д.
Опыт обработки результатов эксперимента показывает, что элементы матриц не только отражают свойства нелинейности собираемой информации, но и разные по информационному представлению параметры системы. Полевые локальные параметры микроуровня соседствуют с макроуровневыми среднеинтегральными параметрами, что требует некоторого организационного представления экспериментальных данных путем обработки их численными методами интегрирования или дифференцирования функций.
Для вычисления слагаемого (6) из формулы (2) требуется использовать уравнение сохранения меха-
нической энергии для нескольких сечений в проточной части ЭТГ (рис. 7). Уравнение Бернулли [7, 8] записывается для входного и выходного сечений проточной части из условия, что энергия в первом сечении равна энергии во втором, в случае учета потерь механической энергии между сечениями
кв
(9)
квх вых ~ (Увх Увых) + _ вх,вых Тех,вых
2 2
вых + а1 вхивх~а2выхивых , (9)
2'8
где б1
, а 2
вх) 2 вых
— коэффициенты Кориолиса,
хх - средние скорости потока жидкости на
1вх’ 2вых
входе и выходе; Рх Рвых - давление на входе и выхо-
де, Увх У
геометрические отметки на входе и
вх, вых
выходе.
Экспериментальная функция диссипационных потерь в проточной части ЭТГ при температуре теплоносителя равной температуре окружающей среды представлена на рис. 5. При получении этой зависимости учитывались возможности регулировки расхода жидкости от 150 до 900 кг/ч. Вторая функция на этом графике получена по формуле Дарси-Вейсбаха, в которую подставлялись коэффициенты трения сопротивления Я и местных сопротивлений £ по данным [7, 8]. Различие в результатах составляет величину, приближающуюся к 100%.
Лж'оишяюмныс потери уяельиий механический экержи
• Расчет по формуле ДарсиВейсбаха * Эксперимент. формула (9)
Рис. 5. Сравнение экспериментальных и расчетных данных
Путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных (рис. 5) получена универсальная зависимость для суммарного коэффициента гидравлического трения и местных сопротивлений аппарата, (рис. 6) для разных режимов.
Рис. 6. Зависимость суммарного коэффициента сопротивления от расхода жидкости в ЭТГ
Использование уравнения неразрывности по средней скорости, кривой для потерь напора (рис. 5), зависимости коэффициент местных сопротивлений
(КМС) от расходных характеристик (рис. 6), экспериментальных расчетных осредненных данных в матрицах (8.2), (8.3), (8.4), (8.5), а также данных других авторов [6, 8], позволило определить основные феноменологические коэффициенты к уравнениям стационарного теплообмена, такие как коэффициенты теплоотдачи, теплопередачи, а по ним тепловые потоки для нескольких характерных теплогидравлических режимов работы ЭТГ.
Рис.7. Сечение ЭТГ в системе координат с термопарами 1-7 Схема ЭТГ с нанесенным шаблоном конечноразностной сетки с шагом Дх = И; Ду = Ь в сечении теплогенератора в координатах (хОу) с указанием координат точкек в которых расположены термопары, показано на рис. 7.
Для реализации предлагаемой методики обработано 6 режимов работы установки. Опыты отличаются тем, что к исследуемой системе применялись свои условия принуждения, изменялись воздействующие параметры. Основные результаты моделирования в (табл. 1, 2).
Таблица 1
Обозн. Эксперименты
№1 №2 №3 №4 №5 №6
Ж, ос 44,90 29,31 47,38 47,06 37,93 48,09
t ос UCT, 43,18 26,92 46,69 44,15 35,02 45,18
G, кг/ч 780 660 300 280 420 600
I, А 23,00 18,00 18,00 12,00 18,00 14,00
T , сек 32,00 20,00 60,00 266,00 32,00 300,00
Vcp, м/с 0,32 0,28 0,12 0,13 0,18 0,25
Вт/м2*оС 364 331 371 366 348 368
ав, Вт/м2*оС 5,5 4,2 5,7 5,6 4,9 5,6
К, Вт/м2*0С 0,48 0,34 0,52 0,52 0,46 0,54
AQ\ Дж 813128 93649 505998 2065991 221654 5208628
ASX, Дж/оС 18124 3202 10702 44001 5939 108452
где, г
ср
1ст, - среднеарифметическая температура
жидкости (10), температура стенки характеризующие некоторое условное их энергетическое состояние,
иЖР - среднеарифметическое значение для четырех
сечений (11), 0, 8 -суммарные (2) тепловые и энтропийные потоки за время т. С помощью формул (12),(13),(14) найдены коэффициенты теплоотдачи
аж, ав, теплопередачи К по всей поверхности корпуса, (табл.1.).
ср ж2( т)+Ж з(т)+Ж4( т)+гЖ5( т)+Жб( т)+Ж7(т)
ж 6
54,08+49,67+54,03+51,21+23,21+37,34 0
----------------------------------- = 44,92 С
6
2,2 ,2 ,2 исР = и1-1 +и2-2 +и3-3 +и4-4 ж 4
\т л лл1 d 0,8 ^ 0,25 I Ргж
Nu , = 0,021 • Re • Pr ’ ■ —ж
вод ж I Pr
\ 1
0,25
Nu
возд
= 0,75 • (Pre -Or)0,25 -I ^
ст у 0,25
РГс
К =■
1
1 1 , d2 1
-+— ln-^+-
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
аж с1\ 2Х с1\ ав d2 Диссипационная составляющая воспроизводства энтропии показана на рис. 8.
Диссипационная энтропийная функция
0,40
й 0,35 ^ 0,30
d 0,25 tf 0,20 § 0,15
§ 0,10 * 0,05
0,00
<5>
о
30 35 40 45
Температура жидкости, 0С
Рис.8. Функция воспроизводства энтропии с поверхности ЭТГ
Уравнение (4) для проточной части ЭТГ имеет вид (15)
Д^1 =
б х - б х
_ вх вх вых вых
2 ■ g
(15)
Функции воспроизводства механических составляющих энтропии представлены на рис. (9)-(10).
Расход жидкости, кг/ч “Гидравлическая энтропия
Рис. 9. Функция воспроизводства механической энтропии
при потерях напора
Из сопоставления (1) и (2) следует (16)
ASEt ^ ASt = AStau + ASt + ASTr + AST r ,(16)
AU duccU L duccL
25
50
m-g
где Л?Ет - энтропия подведенного потока энергии АБо.с! (1).
Подвод энергии ДБо.с1 в систему реализуется в форме электрической энергии (17) на ТВЭЛы (18) и
насос (19) эквивалентен энтропии 2 О .
X ' сіЕ сіЕ..ел сіЕ.ел твэл насос ’ (17)
/^\Е.ел. аЕ.е.ел. °твэл Л, . Гтвэл. _ т • ф 1 ц (18)
Г Е. ел. (• т • я ) твэл. <тг т 1 • з ц эл (19)
Е.эл. О _ 3 • 1 • и • сов ф ■ ^твэл ^ (20)
где I - сила тока, А, и - линейное напряжение в сети, В; СОБ^ для симметричного распределения тока между фазами; 3 - число ТВЭЛов; Н - напор насоса; пэл - электрический КПД насоса.
Результаты расчета по (16) представлены в табл. 2. и обобщаются с помощью функционала (22).
Д5Т [д4 , Д5%дисси , , ^%диссЬ ] = Рг [ и,»ст,IЖ , 1 ] ,(22)
где I = 1...6 число исследуемых режимов, Б -
оператор состояния системы.
XX X
[ и. ‘ст,‘Ж ■1 ]■
- выходные
Доля выделившейся тепловой формы энергии, определяемой по закону Джоуля - Ленца (20)
евыд.тепп. _ Овыд.тепл. Т _ 3-/-и-т °полезн. _ Ополезн. ¡4 Т
ц
(21)
параметры системы.
Знание потенциального веса слагаемых уравнения (21) позволяет оценивать количество энергии, идущее на нагрев рабочего тела, совершение им работы, потери от диссипационных процессов в окружающую среду.
Таблица 2
Сравнение основных потоков
Режимы Наим. Ед.изм. №1 №2 №3 №4 №5 №6
1. С поверхности ЭТГ Т ДГдисси Дж/0С 8,14 1,59 17,49 76,45 6,18 92,19
2. Потери напора в проточной части ЭТГ X ДГдиссі Дж/0С 1,19 0,77 0,32 1,00 0,42 5,78
3. Затраченная механическая энергия и ДЛ[ Дж/0С 7,58 6,31 5,87 24,81 5,37 53,64
4. Изменение внутренней энергии д^ Дж/0С 18110 7548 15266 64333 9845 160201
5. Электрическая энергия от ТВЭЛОВ § ^ ^ ! Дж/0С 18687 14002 25985 77324 17562 99563
6.Электрической энергии на привод насоса с<Е.ел. насос. Дж/0С 47,05 39,26 36,76 155,50 33,57 334,11
7.Выделившаяся тепловая энергия С<выд.тепл полезн. Дж/0С 18687 14002 25985 77324 17562 99563
Результаты сравнения потоков энтропии расчетов по формуле (21) представлены в табл.2.
200000
150000
О
, 1 100000 К
50000
0
Сравнение потоков энтропии
Расход жидкости, кг/ч - При изменении внутренней энергии_а Электрической энергии ТВЭЛОВ
Рис.11. Функции среднеинтегральных потоков энтропии
Функции среднеинтегральных потоков энтропии при изменении внутренней и суммарной электрической форм энергии в зависимости от расхода жидкости представлены на рис. 11. Из графика следует, что величина внутренней энергии в зоне максимума в 1,6 раза больше. Скорость изменения энтропии на рис. (12) и (13).
Функции изменения скорости энтропии ДО т/т от расхода жидкости и температуры цикла представлены на рис. (12) и (13). Область определения указанной функции определяется в соответствии с (22) имеет вид
“и (242;566).І5 дисси (».»в;».31) “і (^О,31)^диссі (°038;0 04)_
‘ж (29.3;48.1) с(280;780) и(0. 12;°.зз), 1 (12;зз)( ст,(27;45)
(23)
у 800
700 600 И 500 ^ 400 Ц 300
о 200 & 100
п 0
Сравнение потоков энтропии
(60 460 560 660
Расход жидкости, кг/ч
- при изменении внутренней энергии,
- электрической энергии Т ВЭЛОВ.
Рис. 12. Функции изменения скорости энтропии от расхода жидкости
от температуры цикла
Точки пересечения функций указывают на наличие переходных процессов связанных с расходом жидкости и силой тока.
I
260
360
460
560
660
760
260
Сравнение функций суммарных потоков энтропии за все время эксперимента (рис. 11) с величинами ее изменения в единицу времени рис. 12-13 позволяет сказать, что главным фактором воздействия на изменения составляющих ДО является сила тока, и расход жидкости.
тЕ
Поделим (16) на ДО получим (24)
1. Коэффициент трансформации механической формы энергии
AS1
- AS
диссЬ
(25)
трансф AiТ + ASт
L диссЬ
2. Коэффициент трансформации тепловой формы энергии
AS
тЕ
AS
ASL
AS
duccU
AS
AS
Е
AS
Е
диссЬ
Е
AS
(24)
где кли + к дисси + кАЬ + к дисс1 - к°эффщиешы, убывающие на отношения потоков энтропии при изменении внутренней энергии, работы проталкивания и расширения, диссипационных потерь к суммарному ее потоку, подведенному из вне. Результаты расчета коэффициентов по формуле (24) представлены в табл. 3 (см. пункты 5,6,7,8).
Если под энтропией подразумевать величину энергии на 1 градус за время цикла, то можно ввести коэффициенты трансформации механической (25) и тепловой форм (26), преобразования электрической формы энергии (27) и полезного действия (28).
Здесь коэффициенты трансформации указывают на формопреобразование в пределах одной, а коэффициенты преобразования в пределах разных форм энергии.
тепл и
K =-----------------------. (26)
трансф as Т + AS т
U дисси
3. Коэффициент преобразования электрической энергии
(27)
преобр.
S тЕ..ел + s тЕ.ел твэл насос
4. Коэффициент полезного действия системы характеризует отношение количества выработанной (полезной) во всех формах энергии ко всем затраченным формам.
Пп.д. =
AS т -AS^U AS Е
(28)
В соответствии с результатами расчетов приведенных в (табл.2) и по формулам (25) - (28) имеем следующие значения для группы показателей работы ЭТГ (табл.3).
Таблица 3
Численные значения коэффициентов для разных режимов ЭТГ
Наименования Вел-нь №1 №2 №3 №4 №5 №6
1. Коэффициент трансформации механической формы энергии (25) к 0,73 0,78 0,90 0,92 0,85 0,81
2. Коэффициент трансформации тепловой формы энергии (26) тепл к трансф 1,000 1,000 0,999 0,999 0,999 0,999
3. Коэффициент преобразования электрической энергш в теплоту (27) к преобр. 0,967 0,538 0,586 0,830 0,560 1,603
4. Коэффициент полезного действия (28) Ппд 0,968 0,538 0,588 0,832 0,560 1,605
5. Составляющая механической работы (16) KAL 0,0004 0,002 0,0005 0,0005 0,0009 0,0005
6. Составляющая изменения внутренней энергии (16) KAU 0,967 0,538 0,586 0,830 0,560 1,603
7. Составляющая тепловой диссипации (16) KдиссЦ 0,0005 0,0005 0,002 0,002 0,001 0,0009
8. Составляющая механической диссипации (16) KдuссL 6,6E-05 0,00024 3,0E-05 2,2E-05 7E-05 5E-05
L
мех
K
Т
U
L
+
+
+
KAU + K дисси + KAL + K диссЬ
Г
г
г
г
г
AS* +AS
+ AA* + AS
U
L
K
S
Значение коэффициента преобразования энергии, полезного действия значительно отличается в режимах №1, 6, 4, откуда видно направление работы по совершенствованию процессов энергоформопре-образования. Завышенные значения коэффициентов для режима №6 объясняются изменением силы тока в процессе опыта.
Основные выводы и результаты
Разработана методика моделирования воспроизводства энтропии в преобразователе энергии дисси-пационного типа, который является элементом системы теплоснабжения.
Одной из особенностей модели является то, что в качестве показателя характеризующего процессы
энергоформопреобразования в установке понятие энтропии используется как интегральная функция, характеризующая обобщенное энергетическое состояние всего объекта в целом.
Разработанная методика позволяет найти каждую из диссипационных составляющих суммарного потока воспроизводства энтропии, регулировать их через условия принуждения, с целью удержания оптимального производства энергии в форме теплоты и работы.
Построен функционал для параметров термодинамической системы, позволяющий определять связь между параметрами состояния выходной траектории системы и параметрами входящими в условия ее принуждения.
Показана возможность вычисления коэффициентов трансформации, преобразования и полезного действия, характеризующих работу ЭТГ.
Из анализа результатов опытных данных следует, что средние значения всех характеристических коэффициентов для разных режимов работы электротеплогенератора не превышают 100% .
Значение коэффициента преобразования энергии, полезного действия значительно отличается в режимах №1,6,4 откуда видно, направление работы по совершенствованию процессов энергоформопре-образования. Завышенные значения коэффициентов для режима №6 объясняются изменением силы тока в процессе опыта.
Для построения модели наряду с первым законом энергоэнтропики, записанными в диссипацион-ной форме, использованы её феноменологические законы Джоуля - Ленца, Ньютона - Рихмана, Дарси -Вейсбаха.
Особенность модели состоит в том, что для её построения взяты формулы, из различных источников предназначенные для расчета стационарных термогидравлических процессов теплотехнических устройств другого типа и назначения.
Осредненное макроуровневое представление объекта моделирования, по мнению авторов, имеет очевидные недостатки, заключающиеся в неадекватном не полевом отображении процессов происходящих во всех структурных элементах изучаемой термодинамической диссипативной структуры.
В разработке методики моделирования микро-уровневого энергетического состояния системы авторы видят одно из направлений при продолжении дальнейших исследований процессов для данных технически организованных условий взаимных фор-мопреобразований энергии.
Литература
1. Заводской теплогенератор трансзвуковой Фисен-ко ТТФ -6, заводской №6-014, ООО «ИК Фисоник - Фи-сенко», 2006.
2. Дмитриенко, А.В. Введение в феноменологическую термодинамику: учебное пособие/А.В. Дмитриенко, В.Г. Попов. - М.: МАТИ, 2007. - 180 с.
3. Дьярмати, И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. - М.: Мир, 1974. ■ 303 с.
4. Седов, Л.И. Механика сплошной среды: В 2 т. Т. 1 /Л. И. Седов; гл. ред. Физ.-мат. лит. изд-ва «Наука». - Л.: «Наука», 1976. - 576 с.
5. Игонин, В.И. Пути повышения эффективности теплоэнергетических систем: монография. - Вологда: ВоГТУ, 2007. - 119.
6. Недужий, И.А. Техническая термодинамика и теплопередача/ И.А. Недужный А.Н. Алабовский.- Киев: Издательское объединение «Высшая школа», 1978.224 с.
7. Альтшуль, А. Д. Гидравлика и аэродинамика: учебник для вузов/А.Д. Альтшуль, Л.С.Животовский., А. П. Иванов. - М.: Стройиздат, 1987. - 414 с.
8. Ухин, Б.В. Гидравлика: учеб.пособие /Б. В. Ухин. - М.: ИД «ФОРУМ»; ИНФРА-М, 2009. - 464 с.: ил.
9. Игонин, В.И. К локально-модульной организации лучисто-конвективного энергообмена элемента промышленной теплоэнергетической системы/В.И. Игонин, Э.В. Титов, В.Н. Чучин// Вестник Московского авиационного института. - 2007. - № 4 , Т.14. - С. 16-43.
10. Особенности энтропийной математической модели процессов теплопередачи в системе"Источник-приемник энергии" / В. И. Игонин, А. С. Пешков [и др.] // Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта (ИНФ0С-2009) : 5-я междунар. науч.-техн. конф., 26-27 июня 2009 г. / [отв. ред. В. А. Горбунов] . - Вологда, 2009 . - С. 114-120.
11. Игонин, В.И. Методика исследования процессов энергообмена в термомеханических системах /В. И. Игонин, Д.А. Белянский, О.В. Стратунов// Вестник Череповецкого государственного университета: естественные и технические науки.-2008. - №3 (18). - С. 87 - 82.
12. Вукалович, М.П. Техническая термодинамика/ М.П. Вукалович, И.И. Новиков. - М.: «Энергия», 1968. -480 с.
13. Фурмаков, Е.Ф Могут ли гидродинамические теплогенераторы работать сверхэффективно? / Е. Ф. Фурмаков // Проблемы исследования вселенной. - 2004.
- С. 16-19.
Вологодский государственный технический университет TECHNIQUE OF MODELLING OF REPRODUCTION OF ENTROPY IN THE ENERGY CONVERTER V.I. Igonin, O.V. Stratunov
In work technique creation the entropy is presented model, with reference to object of system of a heat supply which is realised at the first stage of researches by an estimation averaged on a surface and time on-currents in a kind of complexity of the studied phenomenon, results of a part are illustrated is settlement-experimental researches thermodynamic processes transformations of forms energy in the heat-generator transonic type of a name of Fisenko. Are defined the dissipation components total the entropy a stream, factors of transformation of mechanical and thermal forms of energy, transformation and efficiency duty for proceeding processes in source
Key words: modelling technique, energy losses, set of functions, entropy stream
