Трансформация тепловой энергии

Ранее было сказано, что если температуры источника и приемника тепловой энергии существенно различаются, то процесс теплообмена сопровождается значительными потерями энергии. Величину возрастания энтропии, которая в данном случае характеризует степень необратимости процесса, можно рассчитать по формуле.

При этом передача тепловой энергии сопровождается ее диссипацией. Распространенный способ нагрева воды для бытовых и технических нужд в котельной является примером неэффективного использования химической энергии углеводородного топлива.

В результате бытовой и производственной деятельности остается большое количество низкопотенциальной тепловой энергии (вода в системах охлаждения, сточные воды и т. д.). Эксергия рабочего тела при температуре, близкой к температуре окружающей среды, очень мала. Желательно иметь возможность утилизации этой низкопотенциальной энергии.

Можно преобразовать некоторое количество тепловой энергии при высокой температуре в большее количество тепловой энергии при более низкой температуре так, чтобы потери энергии вследствие диссипативных процессов были минимальны. Таким же образом можно преобразовать низкопотенциальную энергию рабочего тела в более удобную для использования за счет совершения работы. В частности, для этой цели можно применять тепловой насос. Как в первом, так и во втором случаях речь идет о преобразовании (трансформации) теплоты.

Теоретически потерь энергии быть не должно, когда преобразование энергии происходит обратимо. Если для преобразования энергии используется обратимый прямой цикл Карно между источником теплоты с температурой Т_х и окружающей средой с температурой Т₀, то при переносе тепловой энергии (2, можно получить полезную работу.

Если использовать эту работу на проведение обратного цикла Карно с источниками теплоты с температурами Т₀ и Т₂, Т₂ < Т_и то можно передать тепловую энергию Q₂ от холодного тела к горячему:

Таким образом,.

Иными словами, израсходовав тепловую энергию Qj при температуре 7), можно получить тепловую энергию Q₂ при температуре Т₂. Отношение.

называется коэффициентом преобразования тепла от температуры 7', до Т₂. Как следует из (9.1) и (9.2),.

В частности, если Г, = 1000 К, Т₂ = 320 К, Т₀ = 300 К, ср₁₂ = 11,2, т. е. для получения примерно 11 кДж тепловой энергии при 320 К (47°С) достаточно затратить 1 кДж при температуре 1000 К. Для сравнения, в обычной отопительной установке 1 кДж тепловой энергии при высокой температуре переходит в 1 кДж тепла при низкой температуре. Таким образом, с точки зрения термодинамики отопительная установка, которая в результате теплообмена необратимо передает тепловую энергию от источника с температурой 1000 К потребителю теплоты с температурой 320 К, примерно в 11 раз менее эффективна, чем теплопреобразующая установка, работающая обратимо.

Однако следует помнить, что величина теплового потока, которая определяет скорость процессов теплообмена, пропорциональна разности температур источника и приемника тепловой энергии:

Устройство, позволяющее в обратимом процессе передавать тепло от источника с одной температурой потребителю с другой температурой, называется термотрансформатором. Если преобразование энергии осуществляется с понижением температуры, то термотрансформатор называется понижающим, в противном случае — повышающим.

Цикл понижающего трансформатора состоит из двух циклов — прямого и обратного. Схема работы понижающего трансформатора представлена на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Схема работы понижающего трансформатора Тепловая энергия Q, передается от горячего источника с температурой Г| тепловой машине I, работающей по обратимому циклу Карно. Машина совершает работу W, а тепловая энергия Q₂ передается потребителю тепловой энергии при температуре Т₂. Работа тепловой машины W затрачивается на приведение в действие теплового насоса II. Тепловой насос II преобразует тепловую энергию Qq, которую он забирает из окружающей среды, в тепловую энергию ()" , передаваемую потребителю теплоты при температуре Т₂.

Таким образом, в результате действия двух машин I и II потребитель теплоты получает энергию

при температуре Т₂.

Если предположить, что обе машины работают обратимо по циклу Карно, то термический КПД первой машины равен, а совершаемая этой машиной в цикле работа равна.

Величину передаваемой тепловой энергии можно найти из закона сохранения энергии

Отопительный коэффициент теплового насоса II равен откуда.

Суммарное количество тепловой энергии, полученное потребителем теплоты, равно.

Итак, мы рассмотрели принцип работы понижающего трансформатора. Принцип работы теплового насоса (повышающего трансформатора) рассмотрен выше.

Следует отметить, что приведенный выше анализ нетрудно сформулировать для стационарного состояния в терминах «поток тепловой энергии» и «мощность». В этом случае соотношение (9.3) будет иметь вид

т.е. поток тепловой энергии к потребителю теплоты складывается из потоков энергии от тепловой машины I и теплового насоса II.