В настоящее время в литературе 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], [2], [4], [5], [6], [15], [24], [32]. Субъект всегда имеет ввиду, что организованные технические системы являются человекомерными и диссипативными [2], [3], [4], [13], [17]. 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], [6], [25], [26].
Процессы, происходящие с рабочим телом в теплогенерирующей системе как правило нестабильные, неравновесные, 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 походу энерготехнического процесса получения электричества и теплоты выстроена цепочка коэффициентов полезного действия характеризующая все этапы преобразования энергии в полезно используемую [6], [30], [33].
Для того, чтобы объяснить все сказанное выше, субъект приводит иллюстрацию основных идей с помощью обобщенных моделей связывающих равновесную и неравновесную части энерготермодинамического изложения.
Для каждого блока структуры определяются входные и выходные потоки. Организация модельного представления показана (рис. 1) в виде алгоритмической обобщенной модели преобразования параметров и определения скрытой искомой функции процессов диссипации энергии [16], [28]. На обобщенный характер анализа указывает наличие блока с рабочим телом (РТ), горячим источником теплоты (ГИТ) и холодным источником теплоты (ХИТ). Термодинамические особенности модели ГИТ → РТ → ХИТ описаны в [4]. Для получения полезного эффекта необходимо организовать разность потенциалов, т.е. реализовать условно горячие и холодные источники теплоты для рабочих тел.
Функционально состояние системы описывается термическими параметрами: Т – температурой, Р – давлением, v – удельным объемом рабочего тела.
Термические параметры функционально связаны с калорическими параметрами: Y – энтальпией, S – энтропией, U – внутренней энергией рабочего тела. В свою очередь, знание термических и калорических параметров позволяет получить функции потоков энергии в формах теплоты ∆Q, работы ∆L и внутренней энергии ∆U [16], [23].
На рис. 2. к блокам равновесного изложения добавлен блок диссипационного превращения энергии. Добавление блока диссипационной формы превращения энергии при разработанности модели позволяет усилить общность представления, что требуют условия междисциплинарности при изложении ряда теплотехнических дисциплин.
Эта общность достигается введением цикла последовательных преобразований диссипационной формы энергии внутри системы с условиями соблюдения минимума количественного ее отклонения для получения того или иного полезного для субъекта эффекта [1], [3], [5], [13]. Т.е. субъект организует нужные ему процессы внутри системы с минимально возможными затратами диссипационной формы энергии, которая необходима для удержания полезно используемой энергии в рамках термодинамической организации той энергетической установки которая создается для тех или иных целей [14], [21], [23], [24], [27], [28].
При уходе минимальной части диссипационной энергии в окружающую среду работоспособность и полезность системы сохраняются с обеспечением минимума отклонения от нуля диссипационной составляющей.
Субъект достигает своей цели введением итерационного цикла последовательных преобразований диссипационной формы энергии внутри системы с условиями соблюдения количественного минимума ее отклонения для создания того или иного полезного для эффекта. Т.е. субъект организует нужные ему процессы внутри системы с минимально возможными затратами диссипационной формы энергии, которая необходима для удержания полезно используемой энергии в рамках термодинамической организации той энергетической установки которая создается для тех или иных целей. При уходе минимальной части диссипационной энергии в окружающую среду работоспособность и полезность системы сохраняются с обеспечением минимума отклонения от нуля потенциала энергосбережения [23].
Рис. 1. Равновесное описание последовательности преобразования параметров термодинамической структуры модели полезного использования энергии
Рис. 2. Предлагаемое неравновесное описание последовательности преобразования параметров термодинамической структуры к полезному использованию энергии
Рис. 3. Структурная схема основных потоков для выработки электрической и тепломеханической форм энергии
Модель термодинамической структуры рис. 2 имеет традиционные для равновесной термодинамики блоки: горячего источника теплоты (Г.И.Т), рабочего тела (Р.Т.), холодного источника теплоты (Х.И.Т.). Блоки связывают между собой первый и второй законы термодинамики через термические P, v, T и калорические I, U, S параметры процессов, образующих функциональные связи и обеспечивающие нужные энергетические формопреобразования.
Здесь ΔE1 – энергия, взятая из окружающей среды, ΔE2 – выходные формы энергии, возвращаемые в окружающую среду, ΔEдис. – диссипационные формы энергии, рассеивающиеся в окружающую среду или циркулирующие до какого-то момента в установке, min ΔEдис. – минимально необходимые диссипационные формы энергии служащие для удержания полезно используемой энергии и обеспечивающие наличие полезного эффекта, ΔU, ΔL, – энергия в форме теплоты и работы.
Первый закон термодинамики является универсальным законом для описания энергетического состояния человека и энергетической системы. Поскольку люди энергетические системы, то они берут энергию из окружающей среды и обратно в нее ее возвращают. На этом принципе основаны особенности работы всех организованных субъектом технических объектов [3], [17].
Поэтому мы можем сказать, что рис. 2 соответствует математическая модель в виде формулы (1), которая показывает, что субъект берет из окружающей среды энергию ΔЕос1 и превращает её в теплоту ΔQ, при этом изменяется внутренняя энергия рабочего тела ΔUр. т., или рабочее тело совершает необходимую работу ΔLр.т. Принимается, что потери механической формы энергии переходят в тепловую ее форму. В процессе изменения внутренней энергии имеет место аналогичное равенство. Дале обязательное условие, что вся взятая из вне энергия тем или иным способом возвращается в окружающую среду ΔЕос2. [21].
Таким образом мы имеем первоначально созданный ΔЕо.с1 – запас энергии в той или иной ее форме; а затем возврат созданного запаса после его использования в виде ΔЕо.с2 в окружающую среду. Полученный энергетический баланс имеет вид формулы (1) [7], [20], [22].
(1)
Действительно в (1), ΔЕо.с.1 – запас первоначальной энергии, ΔQ – теплота в которую превратилась эта энергия, ΔU – изменение внутренней энергии рабочего тела; ΔL – совершённая работа теплоносителем или подведенная к нему; ΔQΔL, ΔQΔU – возможные потери энергии от явления диссипации. Используя (1) субъект видит аналитическую запись разности (рис. 2) энергетических потенциалов (ΔЕо.с1 – ΔЕо.с2), которые он создает.
За счет записи разности потенциалов в аналитическом виде визуально планируется серия взаимопревращений энергии из одной формы в другую. Часть энергии полезно используется в формах теплоты и работы, а часть рассеивается в окружающей среде, создавая условия существования другим субъектам и т.д. Цикл повторяется по заранее предписанному субъектом алгоритму до тех пор, пока не исчезнут условия целесообразности или причинности его осуществления.
Для организации множества бифуркационных систем разному назначению моделей [4] следует разная комбинации одних и тех же форм энергии, т.е., например, потоков теплоты и работы. Формулы (2) и (3) показывают субъекту, что разность потенциалов создается по разным алгоритмам. Рассмотрим два алгоритма: а) –прямой термодинамический цикл- организация подвода и получения системой из окружающей среды энергии в виде работы и теплоты (∆Q1 + ∆Lр1) идет через ГИТ, а отвод неиспользованной энергии через ХИТ (∆Q2) см. формулу (2); б) – организация функции ГИТ создается за счет процессов подвода к системе из окружающей среды энергии в форме теплоты (∆Q2о) в ХИТ и механической работы (∆Lо.ср.) к рабочему телу. В этом случае выражение (3) соответствует описанию цикла теплового насоса или холодильной установки.
(2)
(3)
Более подробно формулы (2) и (3) можно объяснить следующим образом.
В первой модели (2) из окружающей среды подводится энергия ∆Ео для создания механического ∆Lр1 и теплового ∆Q1 потенциалов горячего источника. Рабочее тело получает от ГИТ внутреннюю энергию (ΔU + ΔUд) механическую энергию (∆Lо. + ∆L.Д). Слагаемые описывают работу проталкивания и перенос тепловой формы энергии (РТ) с соответствующими изменениями тепловой и механической диссипационными составляющими. ∆Q2 – тепловая форма энергии рассеивается с течением времени в окружающую среду с помощью специально организованного (ХИТ) холодного источника. В этом случае в окружающую среду уходят все диссипационные составляющие не использованные при создании полезного эффекта.
Отличительная особенность организации второй системы заключается в последовательном подводе из окружающей среды энергии в виде теплоты ∆Q2о к рабочему телу в ХИТ, а затем к РТ. К рабочему телу подводится механическая энергия ∆Lо.ср. (возможно из модели 2.), что позволяет создать ГИТ ∆Q1о. Такая комбинация потоков энергии с отводом теплоты в окружающую среду в ГИТ и подводом теплоты в ХИТ позволяет подавать в окружающую среду тепло и холод одновременно. Создавать холодильные и теплонасосные установки.
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.
Модели (2) и (3) позволяют вести количественные относительные оценки форм превращения энергии. Для этого субъект вводит коэффициент диссипации изменения энергии ηдисс. В случае термомеханической системы он имеет вид (4)
(4)
где ∆U + ∆L – полученные после преобразований целевые формы энергии, 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 полезно использованной энергии. Коэффициент диссипации энергии в большинстве случаев меньше единицы. Что соответствует здравому физическому смыслу, когда в системе идут процессы со значительным преобладанием полезных эффектов над диссипативными.
Однако, если, например, ΔUдисс используется полезно, то переход в знаменатель уменьшает численное значение коэффициента (5).
. (5)
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], [10].
Субъект может предположить, что модель (а), (2) является источником централизованного производства энергии для множества моделей (б), (3). Блоки модели (3) являются разнородными потребителями разных форм энергии. Они связаны между собой сетевой структурой. Тогда множеству моделей соответствует множества источников тепловой, механической и других форм существования энергии.
Положим, что воспроизводство энергии осуществляется в цикле Ренкина [16], [30]. Транспорт энергии идет через сети для множества потребителей. Множество потребителей получают механическую или электрическую формы. Субъект имеет пример энергетической системы централизованного тепло и электроснабжения. Где ∆L эквивалентное количество электрической энергии, отдаваемой централизованно и потребляемое на концевых участках сети. На концевых участках энергопроводов идущих от теплоэлектроцентрали субъект имеет множество моделей большого и разнообразного количества потребителей – это холодильные установки, тепловые насосы, системы внутридомового теплового и электрического потребления и т.д.
Для иллюстрации модели рис. 2 и аналитических выражений (2), (3) субъект рассматривает принципиальную схему тепло и электроснабжения, рис. 3.
На схеме представлены основные конструктивные элементы, которые лежат в основе централизованного производства электрической и тепловой форм энергии. Это многоконтурная система. Преобразования энергии в ее разнообразные формы идут в объектах, расположенных по контурам, в которых осуществляется движение целого ряда рабочих тел. Здесь же отчетливо видны связи рассматриваемой системы с окружающей средой. Основные структурные элементы схемы организованы между собой таким образом, чтобы выполнялись законы термодинамики, рис. 1 и 2. Субъект видит, что энергия, взятая из окружающей среды служит для создания энергетического потенциала, который выше потенциала окружающей среды. Полученная разность энергетических потенциалов предназначена для получения и использования энергии в тепловой, механической, электрической формах. Структурная организация позволяет создавать объекты, работающие в зонах положительных и отрицательных температур.
В четырехконтурной системе движутся разные теплоносители. Первый контур с рабочим телом (вода-пар-вода) организован для получения электрической и тепломеханической форм энергии. Часть тепломеханической энергии во втором контуре циркулирует через сетевые подогреватели, системы тепловых потребителей уходит на нужды горячего водоснабжения, отопления, вентиляции. В третьем контуре обеспечивается работа промышленных производственных установок с возвратом конденсата в систему первого контура. Четвертый, и пятый и другие контура условны, так как завязаны на окружающую среду. Это трансмиссионные потоки энергии через ограждающие поверхности обогреваемых зданий и сооружений, потоки, связанные с циркуляционной водой, идущей через конденсатор турбины, с уходящими газами продуктов сгорания, которые уходят через дымовую трубу.
С точки зрения неравновесной термодинамики такого рода термосистема энергоснабжения является открытой, поскольку оформлен обмен с окружающей средой энергией и массой. В окружающую среду для получения полезного эффекта поступают продукты сгорания, электрическая и тепловая формы энергии, пар на производство, циркуляционная вода для охлаждения конденсатора. Из ОС забирается холодный воздух и топливо, возвращается конденсат с производства.
Наличие такой обобщенной схемы открытого типа [18], [29], указывает на применение экотехнологий для урегулирования антропогенного воздействия технической системы на окружающую среду. Это регуляторы связей с окружающей средой: электрические фильтры, скруберные установки, дымовые трубы, продукты загрязнений, остающиеся после промывки различного рода фильтров химводоочистки, промывочных вод, продувочного пара и шлама из котельного агрегата, продувочных агрессивных сред из деаэраторов, систем золоудаления. Здесь возникают вопросы специальной утилизации такого рода потоков вещества и энергии [9], [30].
Таким образом, субъект видит несколько контуров, замкнутых на окружающую среду, в которую уходят диссипационные потоки энергии:
● «Рабочее тело – топливо – воздух – продукты сгорания»;
● «Рабочее тело – электроэнергия»;
● «Рабочее тело – циркуляционная вода»;
● «Рабочее тело – сетевая вода»;
● «Рабочее тело – сетевая вода – отопление, горячее водоснабжение, вентиляция»;
● «От необратимости процессов передачи теплоты через ограждающие поверхности»;
● «Транссмисионные потоки энергии через ограждающие поверхности зданий сооружений и тепловых сетей»;
● «Диссипационные потоки энергии от гидравлического сопротивления рабочему телу в трубопроводах различного назначения».
Это потоки диссипационного типа рис. 2, которые в основном циркулируют в замкнутых контурах и их трубопроводных системах. Следует отметить, что элементы многоконтурной тепловой схемы выполняют различные функции в энергетическом цикле. Часть из них трансформирует энергию (понижает ее потенциальные параметры) форма энергии остается неизменной (сетевой подогреватель) – это трансформаторы энергии. Другая часть осуществляет преобразование одной формы в другую – (турбина -электрогенератор). Это объекты преобразователи энергии. Присутствуют в схеме и смешанные системы. Так необходимым элементом для перехода ∆Е1ос от окружающей среды к рабочему телу является котельный агрегат, который представляет собой систему теплообразующих устройств, одно из которых – это преобразователь энергии (горелочное устройство), а остальные – это трансформаторы теплоты. Такая классификация энергетических объектов позволяет думать о том, что элементы имеют разные схемы моделирования.
То есть энергия топлива ∆Е1ос организованно забирается из окружающей среды субъектом для получения полезного эффекта. После его получения в большинстве случаев предоставляются условия в случае необходимости организованного рассеивания с понижением выходного потенциала во времени и пространстве до уровня потенциала окружающей среды (1), (2) ∆Е2ос.
Субъект имеет возможность записать комплекс уравнений содержащих диссипационные формы превращения энергии. Для простоты принимается, что, пусть Qр теплотворная способность топлива. По мере движения энергии по своему маршруту, который обеспечивает полезный эффект часть энергии превращается в диссипационную форму ∆Qдис. Не использованная ее часть уходит по своему маршруту, рис. 2. Энергетический потенциал от объекта к объекту уменьшается. Обозначим маршруты уменьшения энергии до энергии окружающей среды. В соответствии со схемой № 3 рассматриваются пути движения электрической и тепловой форм. Пусть субъект видит двенадцать уровней преобразования энергии (6)–(18).
Источником энергии является котельный агрегат имеющий свою диссипационную составляющую энергии 
уравнение (6).
, (6)
где 
– энергия на выходе из к.а. Следуя по трактам получения электрической и тепловой форм энергии получим следующую систему уравнений:
, (7)
где 
– энергия на выходе из трубопроводов соединяющих к.а. со стопорным клапаном турбины. 
– составляющая изменения энергии в трубопроводах до стопорного клапана.
, (8)
где 
– составляющая изменения энергии на стопорном клапане. 
– энергия на входе в турбину.
, (9)
где 
– составляющая изменения энергии в проточной части турбины. 
– энергия на входе в конденсатор турбины.
, (10)
где 
– составляющая изменения энергии на входе в конденсатор турбины. 
– составляющая изменения энергии диссипации в конденсаторе.
, (11)
где 
– составляющая изменения энергии в электрогенераторе. 
– энергия на выходе из генератора.
, (12)
где 
– составляющая изменения энергии в электрических сетях. 
– энергия на входе в электрические потребители.
, (13)
где 
– составляющая изменения энергии в электрических потребителях. 
– энергия на выходе из электрических потребителей.
, (14)
где 
– составляющая изменения энергии в окружающей среде. 
– электрическая энергия на входе в окружающую среду.
, (15)
где 
– составляющая изменения энергии в проточной части тепловой сети. 
– энергия на входе из тепловых сетей.
, (16)
где 
– составляющая изменения энергии в сети здания. 
– энергия на выходе через сети в здания.
, (17)
где 
– составляющая изменения энергии в помещениях зданий. 
– энергия на выходе ограждающих поверхностей зданий.
, (18)
где 
– составляющая изменения энергии при переходе энергии в окружающую среду. 
– поток энергии в окружающую среду.
Из полученных выше исследований следует, что наблюдая за коэффициентами диссипационного преобразования энергии субъект имеет возможность найти и предоставить заказчику те параметры системы, которые вытекают из условий рис. 2 (2, 3) – минимума обобщенной диссипационной составляющей удерживающей энергетическую систему в том или ином работоспособном состоянии.
Субъект последовательно, рассматривая контур за контуром циркуляции рабочих тел (замкнутый или разомкнутый с окружающей средой), диссипационные формы, связанные с самим процессом получения полезного эффекта и через выходы в окружающую среду получает визуальную возможность оценить падение, набранного после преобразования химической энергии топлива, потенциала по мере приближения рабочего тела к потребителю. Для первой итерации справедлива укрупненная оценка энергетических балансовых соотношений, полученная на основе формул (1–17).
Библиографическая ссылка
Игонин В.И., Мнушкин Н.В. ИЛЛЮСТРАТИВНОСТЬ НЕРАВНОВЕСНОЙ ДИНАМИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ДИССИПАТИВНЫМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 1-1. – С. 23-30;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=34985 (дата обращения: 21.11.2024).