Применение термодинамического анализа для оценки эффективности холодильных машин

В современных условиях, учитывающих высокий темп развития холодильных машин и установок, появляется необходимость не только в качественном способе их производства, но также и в нахождении оптимальной методики проектирования этих систем. Такая методика должна быть универсальной и гибкой, а также отвечать всем современным требованиям оптимизации различных стадий проектирования. Другими словами, «оптимальная» методика анализа холодильных машин и установок должна быть применима к большинству их виду, при этом обеспечивать максимальную точность результатов и возможность «предугадать» показатели и рентабельность холодильной машины уже на ранних стадиях ее проектирования. термодинамика пинч-анализ цикл Учитывая то, что холодильная машина относится к классу энергопреобразующих систем, то есть систем термодинамических, основным требованием к методике энергетического анализа таких систем является ее базирование на принципах и законах термодинамики. Отсюда следует заключение, что практически все предложенные сегодня методы определения энергетической эффективности холодильных машин и установок относятся к разделам термодинамического анализа.

Термодинамический анализ представляет собой метод термодинамического исследования технических (в данном случае, холодильных) систем как в целом, так и посредством разделения, расчленения их на составные части с целью получения наиболее полной информации о процессах преобразования энергии, происходящих в таких системах.

Так как в холодильных системах энергетические превращения, изучаемые посредством второго начала термодинамики, занимают существенное место, другими словами, в энергетических превращениях таких систем достаточно важную роль играют такие, которые характеризуются энтропией, поэтому они могут быть изучены методами термодинамического анализа.

Термодинамический анализ проводится на основе уже заранее известных термодинамических параметров системы (получаемых либо в эксперименте, либо расчетным путем). Минимальное число этих параметров должно быть таким, чтобы для изучаемой системы и любой ее анализируемой части можно было составить материальный, энергетический и эксергетический балансы. С более общей точки зрения необходимо располагать данными для балансов, отражающих закон сохранения материи, закон сохранения энергии (в его частной форме первого начала термодинамики) и, наконец, второе начало термодинамики (как сумму двух законов — постоянства энтропии в обратимых процессах и ее возрастания в необратимых). Последний вид баланса — эксергетический баланс завершает систему уравнений и основан на первых двух.

Метод термодинамического анализа сводится к операциям, производимым в два этапа.

На первом этапе в зависимости от целей исследования выделяют для анализа любую часть, включающую элемент или группу элементов рассматриваемой системы и составляют соответствующие эксергетические балансы. Для анализа нужно знать только необходимые для составления балансов параметры на контрольной поверхность анализируемой части системы. В пределе контрольная поверхность может заключать всю систему.

Второй этап — составление на основе эксергетических балансов термодинамических характеристик двух видов — абсолютных и относительных. Первые дают величины эксергии различных видов на входе (расход) и выходе (производительность), а также значения потерь. Вторые показывают степень термодинамического совершенства и относительное значение данной части во всей системе. Для нахождения перечисленных характеристик разработан комплекс как аналитических, так и графических приемов, составляющих, собственно, основную часть методики анализа.

Проведенный таким путем термодинамический анализ позволяет получить разностороннюю и весьма подробную информацию об энергетических превращениях как в самой рассматриваемой системе и ее частях, так и о взаимодействиях системы с равновесной средой и находящимися в этой среде другими объектами. Эта информация используется для дальнейшей работы над усовершенствованием установок и их частей. Однако, возможности термодинамического анализа не ограничены указанной информацией, включающей абсолютные и относительные характеристики. Метод и результаты термодинамического анализа могут быть использованы по крайней мере еще в двух направлениях.

Первое из них основано на том, что термодинамический анализ, как и всякий другой анализ, непосредственно связан с синтезом. Методы термодинамического анализа позволяют решать некоторые задачи, включающие элементы синтеза новых процессов, а также термодинамической оптимизации (как было указано выше).

Второе направление опирается на то, что между термодинамическими и экономическими величинами имеются определенные объективные связи. Эти связи носят сложный характер. В частности, экономический оптимум, как правило, не совпадает с оптимумом термодинамическим; лучшая установка не всегда та, которая в термодинамическом отношении наиболее совершенна. Связи между термодинамическими и экономическими характеристиками в ряде случаев могут быть с пользой применимы для решения технико-экономических задач.

Термодинамический анализ цикла холодильной машины и теплового насоса необходимо проводить при сравнении действительного цикла машины с теоретическим для определения необратимостей и поиска путей их минимизации.

Термодинамический анализ цикла является той базой, на которой можно решать более сложные задачи, например, проводить термодинамическую и термоэкономическую оптимизацию, синтезировать новые схемные решения.