CC BY
28
строительная теплофизика и энергосбережение
Особенности первичной структурной идентификации энтропийной модели электротеплогидравлического типа
В.И. Игонин, О.В. Стратунов
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 ее феноменологические законы Джоуля — Ленца, Дарси — Вейсбаха. Гидравлические, термогидравлические параметры работы электротеплогенератора (ЭТГ) получены расчетно-экспери-ментальным 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 ус-
тановка 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 АБо ^ (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 элемен-
Рисунок 1. Схемотехническое решение электротеплогидравлического 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 теплоотдатчики 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.
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 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.
ты 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. 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.
Ввиду сложности изучаемого явления на первом этапе его исследования представляется интересным 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-эксперименталь-ного 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 ис-
Рисунок 3. Балансовая структуризация в элементарном преобразователе энергии
строительная теплофизика и энергосбережение
следуемой системе в единицу времени, имеем соответственно, (1), [5]
ДЕ 1 ^ О = [Ди + Ди + ДL + ДL ] (1)
о.с1 ь дисс диссл 4 '
и учитывая, что ДО = TdS, [2] есть суммарная теплота эквивалентная энергии ДЕо , получим уравнение (2).
В конечном счете, высокопотенциальная взятая тем или иным образом из окружающей среды энергия ДЕо с1 после разнообразных утилизационных и диссипационных эффектов ее превращения в формах внутренней энергии Ди, Дидисс и работы Д^ ДLдисс, рассеивается в окружающей среде ДЕо но с другим более низким потенциалом.
Рассмотрим основные слагаемые (1) для элементарного циклического процесса с температурой Т = Т . Тогда для элементарного рабочего тела с массовым расходом т можно записать
ди Дип Т т
ДL Д1п ■ + — + -
Т т
_ Д$и + ДЗдисси + +
(2)
дисс1
ДSU = (С ДТ )/Т ,
и Р т" ц
(3)
Расш + Д1"Р°Т _ Дс + дс
Т + Т - псрасш1-+ пспрот1-
'ц 'ц
(4)
ной поверхности корпуса устройства определяется с использованием уравнения стационарной теплопередачи через цилиндрическую стенку с диаметрами d1 и d2, длиной I и коэффициентом теплопроводности стенки X [6]
(
дб
ДБ
дисси
дисси
л
уоб.т ^о.ср
1
2Хс.
I 62
-т—2 -
аЛ 2
, (5)
Для элементарного преобразователя, имеем соответственно (3),(4),(5),(6)
где Ср — коэффициент чаще всего изобарной теплоемкости рабочего тела нагретого или охлажденного до конечной разности температур ДТ
Д^ т (рДу + уДр)
дисси _ — = Т =
'ц 'ц
где изобарический рДу и изохорический уДр процессы реализуются для рабочего тела в формах работ расширения ДL или проталкивания ДL
1 1 1 расш 1 прот
с характерным энергообменом, наблюдаемым для значительного большинства технически организованных систем, р — давление; у — удельный объем, ДSраCшU, ДSпроти — 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 наруж-
где аж, ав — коэффициенты теплоотдачи от потока жидкости со среднемассовой температурой tоб т к внутренней поверхности корпуса и от наружной поверхности корпуса к окружающей среде с температурой 0 .
Потери диссипации энергии связанные с производимой работой (6).
ДS ,, = /Т = (тдДЬ )/Т , (6)
дисси дисс' ц 4 пот" ц 4 '
где Ьпот — потери механической энергии, которые чаще всего находятся по формуле Дарси — Вейсба-ха [7] для единицы веса рабочего тела, д — 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 ДЕо с1, 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 Д$и, совершением работы ДSL, и ДSдиссL, ДБдисси диссипацией.
В соответствии, с условиями организации дис-
строительная теплофизика и энергосбережение
Циклы
Параметры
-К -v>
Термические Мт = {Р, V, Т}
Калорические МК={У, Б, и}
Мощности
Коэффициенты
сипационные составляющие должны быть минимальными настолько, чтобы была возможность удержать систему в стабильном либо в метастабильном 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.
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, принимающих 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
Функции
Функции связи между Мт и Мк термодинамические потенциалы
Потенциалы
U(V, S); Y(P, S); F{T, V); Ф(Р, T); Э(Т0.ср1 S)
Рисунок 4. Схема термодинамического анализа.
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 ее источники для термоконвекторов 8 и создания дополнительного напора для насоса 4.
В термоконвекторы поступают потоки термогидравлической энергии, а теплопередача в окружа-
строительная теплофизика и энергосбережение
ющую 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 ДL с последующей трансформацией механической формы энергии от уровней «холодного источника» Ь , t до уровней горячего источника Ь , t для
вх вх ' 1 1 вых вых
потребителей 7, 8 и возвратом не использованной ее 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 ее слагаемых для реализации алгоритма (рис. 4) необходимо заполнить матрицу экспериментальных параметров Мэ,
М = [Мп, Мт, М , М },
3 11 I сч ск.р.нас '
(7)
Мгеом — геометрических параметров (8.5), Мтерм функ — 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 макроуров-невыми 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 механической 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 Ь
= (Ув
с) +
2 2 Рвх — Рвых , а1вхUвх — а1вь/хивы
Ув.
2д
(9)
где а , а2вых — коэффициенты Кориолиса, ивх, ивы/х — средние скорости потока жидкости на входе и выходе; Р , Р — давление на входе
вх вых
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
4 ' ск.р.нас 1 1
сети и насоса. Из элементов матрицы (7) формируется матрица параметров МпАр для термодинамического анализа
Мплр = (М^, Мт, М , М , М , М , }, (8)
IIAH К I св.р.т к.маг геом терм.функ N '
где Мк — калорические (8.1), Мт — термические (8.2), Мсв^т — свойств рабочего тела (8.3), М — свойств конструкционных материалов (8.4),
входе и выходе, YBX, YBblx — удельный вес жидкости на входе и 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 Дар-си-Вейсбаха, в которую подставлялись коэффициенты трения сопротивления X и местных сопротивлений Z по данным [7, 8]. Различие в результатах составляет величину, приближающуюся к 100%.
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.
Использование уравнения неразрывности по средней скорости, кривой для потерь напора (рис. 5), зависимости коэффициент местных сопротивлений (KMC) от расходных характеристик (рис. 6),
и выходе, y , y — геометрические отметки на
ВХ ВЫХ
строительная теплофизика и энергосбережение
о i О
бо-з
® Ф ° ÍI *
in г
га
х К
Ф S
2 -с"
х <
а
ф
н
о С
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,2
к вых 1 (Ü)
s*
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Диссипационные потери удельной механической
энергии
расчет по формуле Дарси - Вейсбаха эксперимент, формула (9)
Рисунок 5. Сравнение экспериментальных и расчетных данных.
У i
3
i l
3
/
1
•
ti
1
1
Рисунок 7. Сечение ЭТГ в системе координат с термопарами 17.
i- к
I X (D I
§s
х m
t* -9- о
m О. О с * О
II
II
>. и
800 700 600 500 400
300
K=f(G)
200 400 600 800
расход жидкости, кг/ч
1000
Рисунок 6. Зависимость суммарного коэффициента сопротивления от расхода жидкости в ЭТГ.
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 теплогид-равлических режимов работы ЭТГ.
Схема ЭТГ с нанесенным шаблоном конечно-разностной сетки с шагом Ах = Ь; Ау = 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), где /жср, i — среднеарифметическая температура жидкости (10), температура стенки характеризующие некоторое условное их энергетическое состояние, Х>жР — среднеарифметическое значение для четырех сечений (11), О, 5 — суммарные (2) тепловые и энтропийные потоки за время Т. С помощью формул (12),(13),(14) найдены коэффициенты теплоотдачи а.ж, (Хв, теплопередачи К по всей поверхности корпуса, (табл.1).
tcp =
tc¿ 2(т) + С 3(т) + С 4(т) + С 5(т) + С 6(т) + С 7(т)
54,05 + 49,67 + 54,03 + 51,21 + 23,21 + 37,34 ,, „, ■ 0°) :-= 44,92
ср = U-1 + U2-2 + U3-3 + и2-4
U ^ =
4
.0,8
(11)
Nu = 0,021 • Re0'8 • Pr 0'25 • (Pr /Pr )0'25 ■ (12)
ж ж ж ct
\0,25
)0,25 \0,25
Nu = 0,75 • (Pr • Gr)°'25 • (Pr /Pr )°'25. (13)
ВОЗД 4 В ' 4 ж CT' 4 '
6
строительная теплофизика и энергосбережение
Обозначения Эксперименты
№1 №2 №3 №4 №5 №6
х ср ог 'ж I 44,90 29,31 47,38 47,06 37,93 48,09
t "С 'СТ1 ^ 43,18 26,92 46,69 44,15 35,02 45,18
G, кг/ч 780 660 300 280 420 600
1, А 23,00 18,00 18,00 12,00 18,00 14,00
т, сек 32,00 20,00 60,00 266,00 32,00 300,00
«жСР, м/с 0,32 0,28 0,12 0,13 0,18 0,25
аж, Вт/м • °С 364,43 331,29 371,32 366,38 347,84 368,41
а в, Вт/м • °С 5,49 4,17 5,71 5,55 4,85 5,59
К, Вт/м2 ■ °С 0,481 0,341 0,523 0,519 0,463 0,543
дат, Дж 813128 93649 505998 2065991 221654 5208628
ДБХ, Дж/°С 18124 3202 10702 44001 5939 108452
Таблица 1. Элементы параметрической матрицы.
0,40 U 0,35 0,30 \0,25 =10,20 ¡0,15
Q.0,10 н
« 0,05 0,05
Диссипационная энтропийная функция
25 30 35 40 45 Температура жидкости, °С
50
Рисунок 8. Функция воспроизводства энтропии с поверхности ЭТГ.
K =
1 1 . d2
+-\п — + -
aжd1
2К
aBd 2
(14)
Поток энтропии
Диссипационная составляющая воспроизводства энтропии показана на рис. 8.
Уравнение (4) для проточной части ЭТГ имеет вид
200
300 400 500 600 Расход жидкости, кг/ч
700 800
Рисунок 9. Функция воспроизводства механической энтропии.
Поток энтропии механической диссипационной составляющей
Е 100 200 300 400 500 600 700 800 900 m Расход жидкости, кг/ч
Рисунок 10. Функция воспроизводства энтропии при потерях напора.
asl = =
вх / вых
)+-
2g
g , (15)
Функции воспроизводства механических составляющих энтропии представлены на рис. 9—10. Из сопоставления (1) и (2) следует (16)
АБЕх ^ А& = Д^,,т + Д5 ,, + ДБ,т + Д5 ,т, (16)
и дисси ь диссЬ 4 '
где А5Ет — энтропия подведенного потока энергии
ДЕ . (1).
о.с1 4 '
Подвод энергии АЕо с) в систему реализуется в форме электрической энергии (17) на ТВЭЛы (18) и насос (19) эквивалентен энтропии Х5Е.
1ST = S (17)
+ S
т
ц
строительная теплофизика и энергосбережение
S
ТВ&1 (18)
Q
= (Q.
■зл/г ) • т,
твел ' ц'
= (H • m • g/7) • т,
(19)
выд.тепл _
= 3 • I • U • С05ф.
(20)
Доля выделившейся тепловой формы энергии, определяемой по закону Джоуля — Ленца (20)
S выд.тепл = q выд.тепл / j =
полезн полезн ' ц
= (3 • I • U • cos9)/T ,
где I — сила тока, А; и — линейное напряжение в сети, В; созф 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).
AS [AS, ,т, AS ,,т, ASт, AS
L U дисси L диссЬ
= F [G, и, и , t ср, I],
/ L гт* ж J
] =
(22)
где I = 1...6 — число исследуемых режимов; Р — оператор состояния системы; [А5иТ, д$диссиТ,
— условия принуждения; [б, и, ист, tжсp, I] — выходные 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.
Результаты сравнения потоков энтропии расчетов по формуле (21) представлены в табл.2.
«=и s °
я *
О. S £ >
С[
179980 159980 139980 119980 99980 79980 59980 39980 19980 -20
Сравнение потоков энтропии
260 360 460 560 660 Расход жидкости, кг/ч
760
при изменении внутренней энергии
при изменении суммарной электрической энергии
(21) Рисунок 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 АSт/т от расхода жидкости и температуры цикла представлены на рис. 12 и 13. Область определения указанной функции определяется в соответствии с (22) имеет вид
AS
= F
ASU (242; 566), ASmhccU (0,08; 0,31), ASl (0,1; 0,31), ASMHCCL (0,038; 0,04) G(280;780),(0,12;0,33)^ . (23)
ter (27; 45), С (29,3; 48,1) _ Точки пересечения функций указывают на нали-
S
час
Режимы Наим. Ед.изм. №1 №2 №3 №4 №5 №6
1. С поверхности ЭТГ AS дисси Дж/°С 8,14 1,59 17,49 76,45 6,18 92,19
2. Потери напора в проточной части ЭТГ Д&дисс!. Дж/°С 1,19 0,77 0,32 1,00 0,42 5,78
3. Затраченная механическая энергия и ASl Дж/°С 7,58 6,31 5,87 24,81 5,37 53,64
4. Изменение внутренней энергии AS и Дж/°С 18110 7548 15266 64333 9845 160201
5. Электрическая энергия от ТВЭЛОВ <- х Е.зл ^твел Дж/°С 18687 14002 25985 77324 17562 99563
6.Электрической энергии на привод насоса - т Е.зл Ьнас Дж/°С 47,05 39,26 36,76 155,50 33,57 334,11
7.Выделившаяся тепловая энергия s т Jполезн выд.тепл Дж/°С 18687 14002 25985 77324 17562 99563
Таблица 2. Сравнение основных потоков энтропии для разных режимов.
3 2010 435
строительная теплофизика и энергосбережение
X ° С Z
a. s £ >
m 36 С[
800 700 600 500 400 300 200 100 0
Сравнение потоков энтропии
—f к - ^^^
*■- М»
260 360 460 560 660 Расход жидкости, кг/ч
760
при изменении внутренней энергии при изменении энергии ТВЭЛОВ
■Г О 0,4
| ° 0,4
Я 5 8'1
О. и 0,3
Е \ 0,2
m X 0,2
Сравнение потоков энтропии
с поверхности ЭТГ механической энергии на выходе от потерь напора
Рисунок 12. Функции изменения скорости энтропии от расхода жидкости.
Рисунок 13. Функции потоков энтропии в зависимости от температуры цикла.
чие переходных процессов связанных с расходом жидкости и силой тока.
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 А5 является сила тока, и расход жидкости.
Поделив (16) на А5тЕ, получим
ASE
ASE
AS Т
ase
asU aset
As
дисси
as
Et
AS%l
"AS^
As
ДиссL
as
Et = KAU + Кдисси + KAL + Кдисси
, (24)
где Кди, Кдисси, V Кдиссь — коэффициенты, указывающие 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.
1. Коэффициент трансформации механической формы энергии
K трансф = (AS, Т - AS t
АЛ&Х 4 /
(25)
диссС
)/(AV +
)
2. Коэффициент трансформации тепловой формы энергии
K трансф = AS ,T/(AS ,t + AS
трпп IJ ' 4 IJ
дсссО
(26)
Наименования Вел-ны №1 №2 №3 №4 №5 №6
1. Коэффициент трансформации механической формы энергии (25) „ мех Ктрансф 0,73 0,78 0,90 0,92 0,85 0,81
2. Коэффициент трансформации тепловой формы энергии (26) „ мех 1^тепл 1,000 1,000 0,999 0,999 0,999 0,999
3. Коэффициент преобразования электрической энергии в теплоту (27) К-преобр 0,967 0,538 0,586 0,830 0,560 1,603
4. Коэффициент полезного действия (28) Пп.д 0,968 0,538 0,588 0,832 0,560 1,605
5. Составляющая механической работы (16) K-ÁL 0,0004 0,002 0,0005 0,0005 0,0009 0,0005
6. Составляющая изменения внутренней энергии (16) Кд и 0,967 0,538 0,586 0,830 0,560 1,603
7. Составляющая тепловой диссипации (16) Кдисси 0,0005 0,0005 0,002 0,002 0,001 0,0009
8. Составляющая механической диссипации (16) Кдисс!- 6,6Е-05 0,0002 3,Е-05 2,ЗЕ-05 7,1Е-05 5,ЗЕ-05
Таблица 3. Численные значения коэффициентов для разных режимов ЭТГ.
Т
строительная теплофизика и энергосбережение
3. Коэффициент преобразования электрической энергии
_А5Т+А5\жси + А51+А5\исс1 _ А5 т
преобр 5%Е.эл + 5ТЕ.ЭЛ А5тЕ ' . (27)
5твэл + 5нас. А5
4. Коэффициент полезного действия системы характеризует отношение количества выработанной (полезной) во всех формах энергии ко всем затраченным формам
Пп.д = (А^ - ^дИссиХ)/А^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).
Значение коэффициента преобразования энергии, полезного действия значительно отличается в режимах №1, 6, 4, откуда видно направление работы по совершенствованию процессов энергофор-мопреобразования. 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 дис-сипационного 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 энер-
гии, полезного действия значительно отличается в режимах №1,6,4 откуда видно, направление работы по совершенствованию процессов энергофор-мопреобразования. 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 ее феноменологические законы Джоуля — Ленца, Ньютона — Рихмана, Дар-си — Вейсбаха.
Для анализа картины протекающих процессов в системе использованы численные методы обработки с применением программного обеспечения пакетов Excel и Mathcad.
Особенность модели состоит в том, что для ее 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 формопреобразований энергии.
Литература
1. Заводской теплогенератор трансзвуковой Фисенко ТТФ-6, заводской №6-014, май 2006 г, ООО «ИК Фисоник — Фисенко».
2. Дмитриенко A.B. 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 г. — 303 с.
4. Седов Л.И. Механика сплошной среды, т. II./ /Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука». 1976. — 576 стр.
5. Игонин В.И. Пути повышения эффективности теплоэнергетических систем: Монография. — Вологда: ВоГТУ, 2007. — 119 с.
6. Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача/ И.А. Недужный А.Н. Алабовс-кий.: Киев, Издательское объединение «Высшая школа», 1978, 224 с.
строительная теплофизика и энергосбережение
7. Альтшуль, А. Д. Гидравлика и аэродинамика: Учебник для вузов/А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский.,
A. П. Иванов. — М.: Стройиздат, 1987. — 414 с.
8. У хин Б.В. Гидравлика/учебное пособие//. — М.: ИД «ФОРУМ», ИНФРА-М, 2009. — 464 с.
9. Игонин В.И. К локально-модульной организации лучисто-конвективного энергообмена элемента промышленной теплоэнергетической системы/
B.И. Игонин, Э.В. Титов, В.Н. Чучин// Вестник Московского авиационного института, — 2007. — №4 — том 14.
10. Игонин, В.И., Пешков A.C., Белянский Д.А. Карпов Д.Ф, Павлов Н.В.. Особенности энтропийной математической модели процессов теплопередачи в системе «Источник энергии — приемник» Информационные технологии в проектировании и производстве №4., 2009. с. 76-81.
11. Игонин В.И. Методика исследования процессов энергообмена в термомеханических системах./ Д.А. Белянский, О.В. Стратунов// Научный журнал Вестник Череповецкого государственного университета: естественные и технические науки. ГОУ ВПО ЧГУ, №3 (18), 2008, сентябрь. — 159 с.
12. Вукалович М.П. Техническая термодинамика/ М.П. Вукалович, И.И. Новиков — М.: «Энергия», — 1968 г.
13. Фурмаков Е.Ф. Могут ли гидродинамические теплогенераторы работать сверхэффективно? / Фурмаков, Е.Ф// В сб. «Проблемы исследования вселенной»: С.-Пб. 2004.
Особенности первичной структурной идентификации энтропийной модели электротеплогидравлического типа
В настоящее время вопросы моделирования безтопливных систем теплоснабжения в разнообразного типа строительных конструкциях приобретают все большую актуальность. Особенно для территориальных районов в которых наблю-
дается дефицит возобновляемых энергетических ресурсов. Поэтому появились различного типа преобразователи энергии (вихревые, электровихревые, кавитационные и т.д.), в которых отсутствует топливная составляющая. Однако методики расчета таких устройств, как правило, не публикуются. Все это сделало актуальными вопросы создания моделей диссипационного типа, где используются обобщенные показатели, учитывающие все формы пребразования энергии в явном виде.
Technique of modelling of reproduction of entropy in the energy converter
by V. Igonin, O. Stratunov
Now modelling questions not fuels heat supply systems in various type building designs get the increasing urgency. Especially for territorial areas in which deficiency of renewed power resources is observed. Therefore there were various type energy converters (vortical, electrovortical, cavitations etc.) in which there is no fuel component. However design procedures of such devices as a rule are not published. All it has made actual questions of creation of models energy losses type where the generalised indicators considering all forms of transformation of energy in an explicit form are used.
Ключевые слова: безтопливный преобразователь энергии, энтропийная модель, экспериментально-расчетная методика моделирования, коэффициенты энергоформопреобразования.
Key word: not fuel converter of energy, the entropy model, experimentally-settlement technique of modeling, factors of transformation of one form of energy in another.
