Влияние промышленности и транспорта на окружающую среду. Взаимодействие тепловой машины с внешней средой

Основными процессами при воздействии промышленности и транспорта на окружающую среду являются:

- горение, термогазодинамические процессы в двигателях, технологических печах и устройствах сжигания твердых, жидких и газообразных ископаемых топлив для получения электрической, тепловой энергии, пара, сжатого воздуха;

- каталитическая нейтрализация, абсорбция, перегонка жидкостей, жидкостная экстракция, адсорбция, сушка, растворение и экстрагирование, кристаллизация, массообмен, реализуемые на этапах ЖЦ объектов транспорта;

- испарение, потери топлива, эксплуатационных жидкостей, лакокрасочных и других материалов при создании, обслуживании и ремонте транспортной техники;

- износ деталей, узлов машин, элементов транспортных средств, дорожной одежды (выбросы частиц конструкционных материалов, продуктов износа шин, дорожного покрытия, фрикционных материалов);

- пластическая деформация, механическая, электромеханическая обработка материалов, очистка деталей на этапах жизненных циклов объектов транспорта;

- виброакустическое излучение движущихся объектов транспорта и частей машин, а также электромагнитное излучение электрических машин и электронных устройств, используемых для управления в технологических процессах реализации жизненных циклов объектов транспорта и управления движением, другие виды энергетического загрязнения;

- ландшафтные нарушения.

С помощью транспортных средств осуществляется перемещение материальных объектов в пространстве, источником энергии которых являются тепловые двигатели, преобразующие химическую энергию топлива в механическую работу.

Тепловые потоки, образующиеся при сжигании топлива автомобильным транспортом, а также в результате изменения характеристик подстилающих поверхностей (заасфальтированные территории) оказывают заметное влияние на параметры окружающей среды (температуру, давление, влажность атмосферного воздуха, направление, скорость ветра и др.) в крупных мегаполисах.

Тепловая машина (двигатель внутреннего сгорания) работает, взаимодействуя с атмосферой. Двигатель внутреннего сгорания меняет рабочее тело в каждом цикле. Такой массообмен осуществляется с атмосферой. В процессе получения полезной работы происходит теплообмен все с той же окружающей средой, т. е. принцип работы тепловой машины предполагает ее взаимодействие с окружающей средой в соответствии с законами

термодинамики.

Термодинамический процесс — переход системы из одного состояния в другое в результате ее взаимодействия с окружающей средой. Если процесс происходит со скоростью значительно меньшей скорости релаксации, то на любом его этапе значения всех интенсивных параметров системы будут успевать выравниваться.

Этот процесс представляет непрерывную последовательность бесконечно близких друг к другу равновесных состояний, которые называют квазистатическими или равновесными. Равновесные процессы допускают графическое изображение в пространстве и на {плоскостях параметров состояния.

Равновесный процесс может идти как в направлении возрастания, так и убывания любого из параметров состояния, т. е. как в одном, так и в противоположном направлениях. При этом система каждый раз будет проходить через те же состояния, но в обратном порядке. Поэтому равновесные процессы являются обратимыми. При возвращении системы в исходное состояние окружающей среды полностью возвращается и ранее полученная от нее теплота. Таким образом, при течении в обратном направлении первоначальный процесс как бы «стирается» и никаких («следов» его не остается).

Отсутствие каких-либо остаточных изменений в системе и в окружающей среде при возвращении системы в исходное состояние является отличительным свойством обратимого процесса. Процесс, не Обладающий этим свойством, называется необратимым. Если система совершила необратимый процесс, то ее возвращение в исходное состояние требует дополнительных энергозатрат со стороны окружающей среды. Так, работа, совершенная системой в необратимом процессе, недостаточна для обратного ее перехода в начальное состояние. Как отмечал Планк (1858—1947), «с каждым необратимым процессом система делает некоторый такой шаг вперед, следы которого ни при каких обстоятельствах не могут быть уничтожены».

Все реальные процессы вследствие трения, теплообмена при конечной разности температур и ограниченности времени их протекания необратимы.

Понятие обратимого процесса возникло как результат идеализации реальных необратимых процессов. Мерой необратимости служит энтропия. Она характеризует:

а) ценность теплоты (ее работоспособность и технологическую эффективность). Чем выше температура теплоносителя Т при том же количестве теплоты q, т. е. чем меньше энтропия s =(q/Т), тем теплота ценнее, поскольку шире может быть использована не только для совершения работы, но и для технологических нужд. При температуре окружающей среды Т₀ (энтропия максимальна) теплоту никак нельзя использовать;

б) потери работы из-за необратимости реальных процессов;

в) меру беспорядка. При подводе теплоты увеличивается хаотическое движение частиц (беспорядок), отводе — уменьшается неупорядоченность и, следовательно, энтропия вплоть до величины покоя (при нуле абсолютной температуры).

В общем случае бесконечно малое изменение энтропии системы определяется выражением dS=dS_e+dS_i, где dS_e - изменение энтропии системы, связанное с ее взаимодействием с окружающей средой; dS_i - изменение энтропии системы, обусловленное возможным протеканием внутри нее необратимых процессов, например, в ходе установления в ней внутреннего равновесия.

Если рассматривать простые однородные системы с двумя степенями свободы, то речь идет об установлении механического (выравнивание давления) и теплового (выравнивание температуры) равновесия.

В неравновесной изолированной ( dS_е = О) системе энтропия системы в ходе установленного внутреннего равновесия изменяется следующим образом. В ней подвод теплоты происходит к менее нагретой части от более нагретой. Именно такое направление имеют естественные процессы теллообмена, наблюдаемые в природе.

Увеличение энтропии системы при протекании в ней необратимых процессов иногда называют производством энтропии. По мере приближения изолированной системы к состоянию равновесия производство энтропии будет замедляться, а при установлении равновесия вовсе прекратится. Условие dS_i = О будет означать, что энтропия системы максимальна. Обобщая сказанное, можно записать dS_i ≥О.

При любом переходе энергии из одного вида в другой некоторое количество первичной энергии всегда теряет свое качество (ценность), т. е. способность выполнять полезную работу. Обычно эта часть энергии вследствие трения теплопроводности или конечности времени их протекания рассеивая в виде теплоты. Высококачественная энергия (обладает низкой энтропией) в отличие от вещества не может быть восстановлена или использована повторно. Избежать увеличения энтропии (снижения качества энергии) окружающей среды в статистических системах невозможно, но можно пытаться сократить или свести к минимуму количество произведенной энтропии.

Превращение тепловой энергии в любой другой вид энергии в открытом термодинамическом процессе возможно лишь однократно, т. е. до того момента, пока рабочее тело из неравновесного состояния 1(рис. 2) не перейдет в состояние равновесия с окружающей средой 2. Чтобы продолжить превращение, необходимо возвратить рабочее тело из состояния 2в состояние 1, т. е. замкнуть процесс 1-А-2, например, по линии 2-В-1.

Рис 2 - Прямой и обратный произвольный термодинамический цикл

Замкнутый термодинамический процесс называется циклом. Все тепловые машины работают по тепловым циклам. Необходимым условием получения работы с помощью тепловых машин является наличие как минимум двух источников теплоты: горячего (верхнего) и холодного (нижнего). Это связано с тем, что теплота, полученная рабочим телом от верхнего источника, не может быть полностью превращена в механическую работу. Часть ее должна быть обязательно отдана нижнему источнику теплоты.

Для оценки эффективности циклов используется термический коэффициент полезного действия η_t — отношение rколичества полученной работы w = q₁ - q₂ к количеству затраченной работы q_i:

η_t=w/q₁=1-(q₂/q₁) (1)

Оценку совершенства рабочего gпроцесса тепловых двигателей можно вести относительно идеала — цикла Карно (рис. 3), в котором идеальный (без потерь) подвод теплоты от источника с неизменной температурой T₁ к рабочему телу осуществляется по изотерме (T₁ -const). Здесь и отвод теплоты от рабочего тела к источнику с неизменной температурой T₂ также осуществляется изотермически (T₂ -const). Поскольку другие источники теплоты отсутствуют, переходы с температурного уровня T₁ на уровень T₂ и обратно возможны лишь по адиабатам, т. е. при q₁ - const и q₂ – const.

Рис 3 - Идеальный цикл тепловых машин (цикл Карно):

а – с произвольным рабочим телом; б – с паром; в – генераторный

Термический КПД цикла Карно равен

η_tк =1-(q₂/q₁)=1-(T₂/T₁), (2)

т. е. не зависит от свойстврабочего тела, а целиком определяется температурами источниковT₂и T_1.

С помощью энтропии можно показать, что теплота теряет свое качество превращаться в работу при понижении температуры горячего источника, т. е. теряет свою работоспособность.

Рис. 4 - Циклы Карно в Т-_s - координатах при одинаковом количестве подведенной теплоты q₁, реализуемые в разных интервалах температур

Рассмотрим график, изображенный на рис. 4, где представлены три цикла Карно, в которых температура холодного источника одинакова и равна температуре окружающей среды, т.е. T₂ = T₁ =сопst, а температура горячего источника разная - T₁ >Т₁^́́́́́>T₁˝. Подводимая теплота во всех трех циклах одинакова и равна q₁. Отводимая теплота в первом цикле равна q₂=T₀∆s₁, во втором q́₂=T₀∆s₂ и в третьем q˝₂=T₀∆s₃. Из графика следует, что при одинаковой подводимой во всех трех случаях теплоте q₁ отводимые теплоты q₂>q́₂>q˝_2.

В полезную работу в первом цикле (где T₁ >Т₁^́́́́́>T₁˝) превратится максимальное количество теплоты и приращение энтропии будет минимальным. Чем в большей степени при подводе теплоты к рабочему телу увеличивается энтропия, тем КПД цикла меньше и подведенная теплота менее эффективна т. е. менее работоспособна. Следовательно, при понижении температуры горячего источника работоспособность теплоты уменьшается. При определении термического КПД цикла по традиционной формуле (2) это качество теплоты не учитывается.

Эксергия (техническая работоспособность e_q) - количество полезной энергии, полученной из исходных энергоресурсов за вычетом затраченной на ее получение полезной энергии, т. е.

e_q =q₁-T₀s₁=q₁-T₀(q₁/T₁) (3)

где T₀ температура окружающей среды, в которую отдается часть теплоты после совершения работы (Т₁>Т о).

В силу необратимости реальных процессов ни одна тепловая машина не работает по циклу Карно. Но теоретические циклы их по совершенству использования теплоты оцениваются степенью приближения термического КПД к значению КПД идеального цикла Карно. Большинство инженерных решений, используемых для усовершенствования тепловых двигателей, направлены на приближение их цикла к циклу Карно (регенерация, промежуточный подогрев рабочего тела при подводе теплоты, промежуточное его охлаждение при отводе теплоты и др.). Теоретическое количествотеплоты, которое может быть выделено при сжигании топлива, никогда не используется по назначению полностью. Часть ее теряется. В тепловых двигателях до 60—7О%.

Для анализа эффективности работы двигателей используют тепловой баланс вида

Ǫ_пр=Ǫ_пол+Ǫ_пот, (4)

Ǫ_пр=H_u+Ǫ_г+Ǫ_о, (5)

Ǫ_пот=Ǫ_уг+Ǫ_хнс+Ǫ_мнс+Ǫ_ту+Ǫ_ос+Ǫ_нп+Ǫ_охл+Ǫ_м, (6)

где Ǫпр - приход теплоты;

Ǫпол - полезно использованная теплота;

Ǫпот - потери теплоты;

Hu- низшая теплота сгорания топлива;

Ǫг - физическая теплота, вносимая с топливом;

Ǫо - физическая теплота, вносимая с окислителем‚

Ǫуг - теплота, потерянная с отработавшими газами;

Ǫхнс - теплота, недовыделившаяся из-за химической неполноты сгорания (недостатка окислителя), а также из-за диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре;

Ǫмнс - теплота, недовыделившаяся из-за механической неполноты сгорания (уноса и потерь частиц горючего);

Ǫту - теплота, израсходованная на нагрев двигателя от температуры окружающей среды до рабочей температуры;

Ǫос - теплота, теряемая в окружающую среду за счет прямой теплопередачи двигателя;

Ǫнп - неучтенные потери теплоты;

Ǫ_охл - теплота, потерянная с охлаждающими агентами (антифризом, маслом, стенками цилиндров);

Ǫ_м - теплота, эквивалентная работе, затраченной на привод вспомогательных механизмов, на преодоление трения между деталями[3].

Способы уменьшения тепловых потерь, идущих в конечном итоге на подогрев окружающей среды, зависят от многих факторов. Так:

Ǫ_уг уменьшается при снижении молярной массы и температуры отработавших газов, а также с помощью регенерации, т. е. подогрева уходящими газами горючего и окислителя;

Ǫ_хнс уменьшается при улучшении смесеобразования, правильном выборе состава топливо-воздушной смеси и поддержания температуры горения до 2300 К;

Ǫ_мнс зависит от вида топлива. Твердое горючее теряется в горелочных устройствах, проваливаясь через колосники; пылевидное легко уносится, не догорев, с уходящими газами. Жидкое и газообразное топливо уносится редко, но при больших скоростях потока в топке или камере сгорания возможен и его унос;

Ǫ_ту уменьшается с уменьшением размеров энергоустановки, теплоемкости материалов из которых она изготовлена, ее рабочей температуры и снижением излучающей способности (наружной) поверхности;

Ǫ_ос уменьшается с уменьшением размеров энергоустановки, коэффициента теплоотдачи через ее стенки и коэффициента излучения поверхности в окружающую среду;

Ǫ_м уменьшается с улучшением качества смазки трущихся деталей (поршень и цилиндр, например), зависит от конструкции, скорости их движения и состояния поверхностей трения;

Ǫ_охл зависит от особенностей рабочего процесса и других факторов.

Тепловой баланс дает количественную картину распределения потерь теплоты, ничего не говоря о эксергии (работоспособности) теплоты.

В термодинамических системах, которыми являются тепловые двигатели со сменяемым рабочим телом, термодинамическую эффективность можно оценить также по эксергетическому балансу или уровню эксергетических потерь по формуле[4]

D=T₀∑∆S_i=T₀(-)+∆Ǫ, (7)

где и - расход и энтропия i-го потока соответственно на выходе и входе соответствующего элемента системы; ∆Ǫ - тепловые потери, т. е. количество теплоты, переданного окружающей среде разными способами.

Эксергетический анализ тепловых потерь дополняет тепловой баланс, позволяя лучше оценить качественную картину энергетических потерь в тепловых двигателях при оценке их взаимодействия с окружающей средой.

Дата добавления: 2014-01-13