Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

THE ROLE OF THE INITIAL SUBMISSION OF DISSIPATIVE COMPONENTS FOR MODELING THE THERMAL-HYDRAULIC SYSTEMS

Igonin V.I. 1
1 VPO «Vologda State University»
The work is devoted to the analysis of macro-level conditions of applicability of a dissipative integral formulation of the first and second laws of thermodynamics on the model tax structuring heat hydraulic system. Consistent coverage of problems of creation of the unified or integrated models used to assess the effectiveness of energy technical system. Search generalized integral energy indicator in the conditions of integration and transformation of Sciences of existing knowledge.
Subject formula for the simulation of different systems
non-equilibrium thermodynamic system
dissipative thermodynamic entry model
heat hydraulic system
exit to the entropic wording
the coefficient of energy dissipation
the organization of the set of bifurcation systems
self-regulation conditions
degradation and development
conditions of perfection of processes in the energy system.

В настоящее время имеет место более широкая трактовка понятия технического объекта как диссипативной технически организованной системы, в которой энергия взятая из окружающей среды в любом случае в нее возвращается. Но чтобы ее удержать для использования в формах теплоты и работы требуется специальная организация диссипативных неравновесных процессов[1]. Субъект всегда имеет ввиду, что организованные технические системы являются человекомерными и диссипативными[2],[3]. Сознательное конструирование явлений с диссипативными составляющими в настоящее время являются наиболее важной проблемой, с которой сталкивается субъект при проектировании систем, в которых идут многочисленные энергетические превращения из одной формы энергии в другую. Диссипативная составляющая не теряется, и не концентрируется в одной точке. Субъект отмечает, что только через контроль диссипативных процессов в исследуемой системе успешно рассматриваются понятия эффективности условий энергосбережения за счет уменьшения потерь энергии при ее концентрации в нужной для исследователя области[4],[5].

Процессы происходящие с рабочим телом в теплогенерирующей системе как правило нестабильны, не равновесны, нестационарные и субъект вынужден обращать внимание на узлы перехода энергии из одной формы в другую, где явления диссипации энергии наиболее сильно проявляются. Для учета энергопревращений, возникающих по ходу энерготехнического процесса получения электричества и теплоты выстроена цепочка коэффициентов полезного действия характеризующая все этапы преобразования энергии в полезно используемую[6].

Субъект вводит в классическую запись закона превращения энергии диссипативные составляющие, для того, чтобы он получил возможность увидеть визуальную аналитическую модель в виде уравнения, в котором изначально присутствуют нужные для достижения целевой функции диссипативные составляющие.Например для термомеханической системы записывается уравнение (1) [7]:

102984.jpg.(1)

Коэффициент диссипации изменения энергии ηдисс в случае термомеханической системы имеет вид (2)

, (2)

103011.jpg

где окр.ср. ΔЕ о.ср. – энергия из окружающей среды, 102785.jpg-полученные целевые формы энергии после преобразований, ΔUдисс + ΔLдисс – диссипативные составляющие.

Очевидно, что коэффициент ηдисс для достижения целевого полезного эффекта должен быть определенным образом подобран.Он представляет собой отношение полного диссипативного термомеханического превращения энергии в системе к энергии полезно использованной. Коэффициент диссипации энергии в большинстве случаев меньше единицы. Что соответствует здравому физическому смыслу, когда в системе идут процессы со значительным превалированием полезных эффектов над диссипативными. Однако, если например ΔUдисс используется полезно, то переход в знаменатель уменьшает численное значение коэффициента (3).

. (3)

103024.jpg 

Так для отопительной системы помещенной в ограждающие поверхности диссипативные превращения механической энергии за счет сил вязкого трения могут значительно менять внутреннюю энергию рабочего тела, а комфортная температура в помещении напрямую зависит от диссипативной способности элементов установки отдавать тепло[8].

В последнее время методология неравновесной термодинамики претендует на роль междисциплинарной науки. Однако модели технических энергетических систем в большинстве своем построены без учета закономерных особенностей их совершенствования на основе знания процессов самоорганизации и саморазвития. Это становится возможным после того, как в модельную реальность осознанно вводится понятие «человекомерности» энергетической системы. Здесь субъект признает формулу построения основных функциональных закономерностей в виде последовательного ряда действий «субъект один» – «субъект два» и т.д. [5].

Признание такого подхода позволяет взять за основу в субъективной части модели междисциплинарную методологию, которая построена на общих системных законах развития, управления и опирается на новые методические концепции наследственности, видоизменчивости, нестационарности, нелинейности присущие неравновесной термодинамике, синергетике и т.д.

Рассматривая термодинамические особенности функционирования диссипативных энергетических систем под призмой моделей неравновесного энергообмена субъект пытается понять, как происходит обмен энергии в диссипативной системе. Ранее упоминается об очевидности проявления свойств интегральности, при совместном использовании первого и второго закона для анализа диссипативных термомеханических систем[7]. Чаще всего в термодинамике распространено следующее допущение, что если энергия взята из окружающей среды, то она, как правило, превращается в теплоту, которая рассеивается затем в окружающую среду. Таким образом, взятая для использования в той или иной форме энергия переходит в теплоту и рассеивается в окружающую среду (4):

окр.ср. ΔЕ => ∆Q . (4)

Используется возможность ввести в (4) энтропию. Из классической термодинамики известно, что

∆Q = T∆S (5)

Подставляя, после некоторых преобразований, (5) в (4) субъект получает возможности энтропийного анализа системы.

Чтобы получить полезный эффект субъект должен иметь «рабочее тело» с помощью которого организовывается возможность удержания энергии в пространстве и во времени с созданием разности тепловых потенциалов, которые используются для совершения полезного для субъекта действия. Организованная нужным для субъекта образом энергия в форме термомеханической энергии идет на изменении внутренней энергии рабочего тела, на совершение с помощью рабочего тела работы и на необходимые для процесса структурной организации диссипативные потери (6):

103068.jpg

Из (4) и (6) следует, что вся выделенная субъектом энергия неорганизованная или организованная для ее полезного использования уходит в окружающую среду. Необходимое условие организации – наличие рабочего тела и создание управляемой временной и пространственной архитектуры и конечной разности энергетического потенциала.

Поскольку уровень теплового энергетического потенциала зависит от «степени нагретости» рабочего тела, т.е. от какой-то взятой за точку отсчета температуры, то говорят о температурах Т1 и Т2 – которые условно отражают уровни энергетических тепловых потенциалов (4) в виде «горячего» и «холодного» источников теплоты. Разность температур указывает на тот энергетический потенциал технической энергетической системы, который формирует субъект для удовлетворения своих полезных целей, например создания условий комфортности для того или иного технологического процесса в системе ограждающих конструкций [8]. Цели достигаются итерационным характером реализации закономерностей субъект – объект (С→О) с последующей трансляцией в закономерность вида субъект – субъект (С→С). Рефлексивно меняются структуры объекта и свойства среды. Субъект воздействует на среду, осознает ее влияние и меняет ее и себя.

Условие наличия конечной разности тепловых потенциалов, а значит разностей термических параметров (температур, давлений, удельных объемов) подразумевает организацию, двух источников теплоты с разными температурами, каждый из которых можно назвать приемником или источником энергии в зависимости от нужной потребительской полезности. Иллюстрацией этого факта и возможности выбора саморазвивающимся субъектом разных по потребительским свойствам энерготехнических моделей в бифуркационном поле предложений служат следующие рассуждения через понимание модели «множество источник – потребители», рис. 1.

Модели рис. 1а и б, формулы (7),(8) записаны субъектом для энергосистем с диссипативными составляющими. Такая запись позволяет увидеть связи между моделями. Получение энергии в форме работы и теплоты всегда требует диссипационных составляющих не целевого ее использования. Вся взятая из окружающей среды энергия уходит опять в окружающую среду.

Для организации множества бифуркационных систем разному назначению моделей следует разная комбинации одних и тех же форм энергии, т.е. потоков теплоты и работы. В случаях : а) – получение системой внешней полезной работы и теплоты за счет организации процессов подвода теплоты и механической работы к рабочему телу через горячий источник ГИ и отвода через ХИ; б) – организация ГИ за счет процессов подвода к системе внешней теплоты в ХИ и механической работы ∆L к рабочему телу.

103188.jpg 

Рис. 1а. Графическая модель соответствует формуле (7)
для получения механической и тепловой форм энергии

120562.jpg 

Рис. 1б. Графическая диссипативная энергетическая модель энергосистемы
для получения холода и теплоты. Модель соответствует аналитическому выражению (8).

120422.jpg (7)

120430.jpg. (8)

В первой модели (рис.1,а) энергия ∆Ео из окружающей среды подводится для создания потенциала (Г.И.) горячего источника с энергией теплоты ∆Q1 и механической энергией ∆Lо1 для проталкивания рабочего тела (РТ) с последовательным отводом энергии от (РТ), в форме полезной работы ∆Lо. Для создания полезного эффекта теплота ∆Q2 выбрасывается в окружающую среду в специально организованном (ХИ) холодном источнике. В этом случае в окружающую среду уходят все диссипационные составляющие не использованные при создании полезного эффекта. Отличие в организации второй системы заключается в последовательном подводе энергии в виде теплоты ∆Q2о к рабочему телу в ХИ, а затем к РТ в эквивалентной форме в виде внешней работы ∆Lо.ср. (возможно из модели рис.1а.), что требует создания ГИ с отводом теплоты в окружающую среду и ХИ для получение холода.

К особенности построения моделей описанного типа следует отнести тот факт, что в обеих случаях рабочие тела в процессе организации меняют свое фазовое состояние. Периодически организуются процессы конденсация и парообразования. Для получения холода, электричества и теплоты используются теплоносители с разными энергиями фазовых переходов. Субъект может предположить, что модель на рис.1.а. является источником централизованного производства энергии для множества моделей рис.1б. Модели рис1б являются разнородными потребителями разных форм энергии. Они связаны между собой сетевой структурой. Тогда множество источников тепловой формы энергии типа ∆Q2а связаны через сети с множеством потребителей ∆Q2б , а множество механической или электрической форм ∆Lа с множеством потребителей ∆Lб . Примером являются системы централизованного тепло и электроснабжения организованные через тепловые и электрические сети. Где ∆L эквивалентное количество электрической энергии отдаваемой централизованно и потребляемое на концевых участках сети. Если на рис.1а модель теплоэлектроцентрали, то на 1б множество моделей большого количества потребителей- это холодильные установки, тепловые насосы, системы внутридомового теплового и электрического потребления и т.д. Это сетевые структуры работающие на переходных нестационарных режимах работы потребления. В зависимости от их целевого назначения они, то образуются, то исчезают в пространстве и во времени.

Субъект организует и наблюдает саморегулирующийся процесс с постоянным обменом веществом энергией и информацией с внешней средой и самими подсистемами. В результате непрерывно имеет место замена одного инварианта хаотично работающей структуры другими. Налицо видны процессы саморегуляции и саморазвития, идущие через свойство “человекомерности”. Если наращивание системой новых уровней организации “оптимальное” , то процесс самоорганизации сопровождается без ущерба от деградации изменения энергетического пространства состояния, что позволяет ей расширять “горизонты своего существования”.

Очевидно, что в моделях (1-8) несложно найти связи между отдельными членами, которые укажут субъекту на весь комплекс преобразований энергии в системе. При известных членах уравнений в (7,8) определены диссипационные слагаемые. Они как правило представляют потери от целевого ее использования. Тогда коэффициенты диссипации(2),(3) указывает на совершенство идущих в системе процессов. Для этого требуется сравнивать их численные значения в сформированных действительных и нормативных реальностях до тех пор, пока невязка их значений не устремится к нулю. С этой целью применяются соответствующие процедуры минимизации [7].

Из рассмотренного материала субъект делает вывод о том, что диссипативное представление законов классической термодинамики позволяет сразу написать формулы для моделей разных энерготехнических систем с последующим определением коэффициентов диссипации преобразования энергии. Присутствие в моделях слагаемого указывающего на связь с окружающей средой позволяет не забывать о законах экологии при создании инновационных энергетических систем [9]. Синергетический анализ указывает на сетевые бифуркационные структурные свойства системы. Всякое саморазвитие требует управления. Это возможно только лишь через учет “качественных” обратных связей между социальными, техническими и природными блоками модели[1],[3].

Через анализ диссипационных составляющих возникающих в результате превращения энергии следует вести оценку пространственно – энергетического наполнения термогидравлической системы и прогнозировать целевые возможности ее функционирования во времени.