ОБ ОЧЕВИДНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ СВОЙСТВ ИНТЕГРАЛЬНОСТИ ПРИ СИСТЕМНОМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

ОБ ОЧЕВИДНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ СВОЙСТВ ИНТЕГРАЛЬНОСТИ ПРИ СИСТЕМНОМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Научная статья

Игонин В.И

Вологодский государственный технический университет, Волгоград, Россия

Аннотация

Об интегральном способе построения термодинамической модели диссипационного типа.

Применение. Описание эффективности работы теплоэнергетических систем.

Ключевые слова: Интегральность первого и второго закона термодинамики.

Keywords: Integralness of the first and second law of thermodynamics

По мере развития человечества описание явления или объекта связанного с его жизневоспроизводством (построение модели)   - это первостепенная задача любой инженерной и научной деятельности. Однако в связи с непрерывным ростом технических объектов нужных для  условий комфортности проживания растет и количество требуемых моделей для их описания[1  ],[2 ].

В наше время идет процесс объединения (или трансляции) отдельных наук, В связи с кризисами разного типа и природными катаклизмами актуальны вопросы создания критериев комплексной оценки такого рода человеческой деятельности.

Процесс создания комплексных критериев требует  разработки к  ним обобщенных моделей  описывающих энергетическую систему и как следствие обобщенных параметров,  которые их характеризуют.

Понятие обобщенности требует  составлять математические модели различного типа и назначения по единому алгоритму. Теплотехнические и энергетические установки довольно разнообразны по своей конструкции и назначению, что приводит к дополнительным трудностям связанными с единым модельным представлением и ценообразованием. На помощь приходят методы системного анализа.  С помощью методов системного  анализа удается строить процедуры имеющие свойства обобщенного характера.

К одному из эффективных способов получения обобщенного единого алгоритма приводит принятие положения, о том, что рассматриваемый объект его структурные элементы будут  представлены в виде  преобразователей  энергии.

Если каждый структурный элемент исследуемой энергоустановки (термодинамической диссипационной системы)  представить как преобразователь энергии, то неизбежно потребуется определить связи между элементами. Для термодинамического анализа свойственно связи определять через термодинамические  потоки, которые зависят от сил и свойств рабочего тела. Если появляется общность в силах, потоках и свойствах, то можно говорить о передаче субстанции, которая имеет параметры в виде потоков энергии и массы.

Поскольку деятельность инженера разнообразна в своих приложениях и сводится к проектированию, к эксплуатации, к оценке работоспособности существующего оборудования, то чтобы сравнивать различные описания одной установки (термодинамической системы) целесообразно понятия модели и его объекта дополнить понятиями первичной, вторичной - множественности реальностей. Тогда появляется возможность сравнивать между собой энергетические потенциалы разных «реальностей».

Чтобы это было удобно делать энергетические «реальности» сравниваются по одним и тем же показателям. Удобнее всего брать для сравнения удельные показатели, вычисленные как отношение энергетической «субстанции» к уровню температуры, вырабатываемой продукции, расходу рабочего тела, цене устройства и т.д.

К первичной реальности можно отнести реально существующие производственные объекты и их узлы. Узлами для энергосистемы считаются двигатели, теплообменники, котельные агрегаты, тепловые сети. Степень дробления системы на узлы  зависит от целей,  поставленных перед исследователем.

Ко вторичной и другим из множества реальностей относятся все продукты субъективного представления о первичной реальности. Чтобы построить субъективную модель лучше всего начинать с представления структурных элементов  в виде – последовательной цепочки преобразователей и трансформаторов энергии. Что позволит получать модели энергетической системы в виде обобщенных структур с однотипными алгоритмам и процедурами.

Слово реалность может показывать глубину отображения свойств моделируемого существующего объекта в зависимости от целевого потребительского назначения рассматриваемой энергосистемы. Например, 1-я реальность – первый прикидочный уровень описания явления, 2-я реальность – более подробное изучение явления,3-я реальность – компьютерное представление работы каждого блока описываемого явления, подструктуры или структуры и т.д..

Получается так, что одно и тоже явление может быть описано в разных реальностях, а в каждой реальности на нескольких иерархических уровнях.Схематическое или схемотехническое  представления зависят от вида реальности и могут быть выполнены в ввиде: принципиальной, рабочей или монтажной схем.

То же можно сказать и о любом другом проектном представлении, которому соответствует свой объект.Тогда мы можем сказать, что объект субъективно отображен во множестве реальностей. Появляется возможность при описании (назвав ее своим именем) говорить о каждой реальности и сопоставляя говорить преимуществах и недостатках каждой.

Следующим приемом моделирования является систематизация моделей по иерархическим уровням представления каждой реальности с ее структурами и межструктурными связями. Здесь речь идет о традиционных микро-, макро- и метауровневых представлениях. Удобство состоит в том, что уровни представления модели  всегда связаны между собой  одинаковыми математическими операциями.

Для примера: для гидравлической системы при известном функциональном описании на микроуровне поля скоростей применение операции интегрирования к функции поля скоростей дает  макроуровневвые значения функции средней скорости движущегося потока жидкости. Таким образом осуществляется стандартная опрерация   перехода от одного уровня описания с оператором F₁ к уровню описания с оператором F_2.

Универсальность принятой  концепции с применением трехуровневого иерархического описания  создает возможности для моделирования различных природных процессов по одной и той же системной схеме.  Например, для систем: теплоноситель- твердое тело, источник - приемник энергии и т.д.

Единый подход к изучению и моделированию идет по схеме: поля потенциалов субстанции, силы вызывающие потоки субстанции, свойства субстанции вызывающие полезный эффект или действие.

Построение и описание многоуровневых моделей позволят  более наглядно проиллюстрировать признаки управляемости, выявить роль элементов управления и перечислить характерные параметры, которыми должна обладать система, чтобы считаться управляемой.

Кроме того, этот алгоритм исследования  может послужить основой для решения экспертных задач, классификации, прогнозирования и других целевых функций  на всех стадиях инвестирования субъектом того или иного энергетического  проекта.

Многие параметры энергосистем (тариф, энергоемкость, теплоемкость, удельный расход топлива, электрической, тепловой энергии) характеризуют лишь энергосостояние системы, но не оценивают ее работоспособность, поскольку 1 Гкал теплоты можно представить с температурой теплоносителя  t=20⁰C и t=100⁰С. Поэтому требуется введение такого параметра, с помощью которого можно было бы описывать полное энергетическое состояние объекта, который характеризовал бы её работоспособность. К такому параметру можно отнести  параметр состояния термодинамической системы такой, как удельная суммарная энергия с единицей измерения  кВт/кг*град. Иначе говоря, это полная энергия в кВт единицы субстанции в 1кг в единицу времени с температурой в один градус. Пусть эта полная энергия подводится к рабочему телу. Считается, что имеет место термодинамическая система (ТС) диссипативного типа. В отличие от традиционного термодинамического представления классической термодинамики запишем первый и второй закон термодинамики в одном уравнении с диссипативными  слагаемыми, указывающими на использование  энергии в разных формах ее представления.

Пусть энергия в виде топлива DE_{окр.ср.1}. подводится из окружающей среды  к ТС для создания конечной разности потенциалов, за счет которой она должна совершать полезные действия. В ТС энергия топлива под воздействием субъекта увеличивает внутреннюю энергию рабочего тела. Полученное количество теплоты за вычетом  потерь предназначено для совершения полезного действия в виде теплоты используемой на  производственные или бытовые нужды в соответствии с требованиями субъекта.

При определенной технической организации субъектом процесса для совершения полезного действия теплота передается  к рабочему телу. Рабочее тело поглощает теплоту DU и переносит ее в нужное заранее организованное место  потребления.

Потребитель теплоты использует внутреннюю энергию рабочего тела для поднятия потенциала другого рабочего тела до величины, требуемой например, для создания микроклимата в зданиях и сооружениях субъекта.

 В общем случае субъект  для удовлетворения своих потребностей в тепле, холоде, электрической энергии должен создать запас термомеханической формы энергии, т.е.

ΔQ₁= ΔQ_{1т.м. ,}

 ΔQ_1т.м. = (ΔLмех +ΔU + ΔU_dис + ΔL_dис),

которая состоит из  термической и механической форм энергии движущегося потока рабочего тела.

Именно этот суммарный запас энергии нужен для создания температурного, механического, электрического  потенциалов. Этот запас нужен для совершения работы проталкивания жидкости  по трубопроводам, в рабочей части турбогенератора, холодильной установки, для технической работы  вращения вала генератора, с целью  получения электричества. Суммарная энергия  нужна для доставки теплоты в системы теплоснабжения и на погашение всех диссипационных составляющих требуемых для обеспечения того или иного технологического производства.

 ΔQ_1т.м. =  (ΔUмех +ΔLмех.т.)+ (ΔUмех.эл. +ΔLмех.эл.) + (ΔU_d+ ΔL_d.),

где      ΔU_dис, ΔL_dис – необходимые расходы  внутренней энергии и механической работы на диссипационные процессы. Таким образом, вся приходящая энергия  уходит в окружающую среду

ΔE_{окр.ср.1.} ® ΔQ₁ = ΔU +(« ) ΔL + ΔU_d+ ΔL_d ® ΔE_{окр.ср.2.},

тогда можно написать, что

ΔE_{окр.ср.1.}= ΔE_{окр.ср.2..}

Однако, следует иметь ввиду, при рассмотрении последнего равенства, что субъект   создает разность температурных, электрических  потенциалов для совершения полезного действия. Количество энергии, взятое из окружающей среды, возвращается обратно в окружающую среду,  но с гораздо меньшим потенциалом.

Все выше сказанное указывает на то, что первый и второй законы не могут быть поняты в раздельном их изложении. Что только в интегральном изложении  субъект может сформировать необходимую глубину понимания совместного действия двух существующих концептуальных положений. Именно такое интегральное представление позволяет с большей наглядностью описать  основные закономерности взаимопревращения как минимум нескольких форм энергии. Такого рода интегральная общность после соответствующего разъяснения дает ключ к пониманию процессов идущих в большинстве физико-технических систем.

Таким образом, после совершения субъектом термодинамического цикла по полезной переработке энергии вся оставшаяся  не востребованная  энергия в виде теплоты с пониженными параметрами рассеивается  в окружающую среду.

Значит, задача технической организации состоит в том, чтобы последовательно создать нужные полезные  реальности с конечной разностью термодинамических сил, термодинамических потоков с необходимыми свойствами рабочих тел и выгодно в смысле ценообразования их использовать.

Список литературы / References

1. Игонин, В.И. Пути повышения эффективности теплоэнергетических систем: Монография./ В.И. Игонин. – Вологда: ВоГТУ, 2007. – 119 с.
2. Игонин, В.И. О принципах интегральности и системности и жизневоспроизводства. / Игонин В.И.  // Экология и безопасность. Газета МАНЭБ- №7- 2009г.