Динамическое отопление в “бытовом” применении

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Южный Федеральный Университет

Физический Факультет

Курсовая работа

По дисциплине “Молекулярная физика”

По теме “Динамическое отопление Кельвина”

Выполнили:

Студенты 1 курса, группы №7

Специальности радиофизика (03.03.03)

Боткин Д. А.

Аржановский Е. А.

Научный руководитель:

Фаин М. Б.

Ростов – на – Дону

2021

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ...……………………………………………………………………..3

Глава 1. (Теоретическая) ……………………………………………………...5

1.1 Молекулярная физика…………………………………………………………...5

1.2 Статистическая физика………………………………………………………….5

1.3 Термодинамика………………………………………………………………...5

1.4 Тепловая машина……………………………………………………………….7

1.5 Холодильная машина…………………………………………………………...8

1.6 Понятие КПД…………………………………………………………………..9

1.7 Цикл Карно…………………………………………………………………..10

1.8 Краткая биография лорда Кельвина……………………………………………...12

Глава 2. (Практическая)……………………………………………………...13

2.1 Качественное рассмотрение…………………………………………………….13

2.2 Количественное рассмотрение………………………………………………….15

2.3 Динамическое отопление в “бытовом” применении……………………………….16

Заключение …………………………………………………………………...17

Список литературы …………………………………………………………..18

ВВЕДЕНИЕ

Разного рода коммуникации играют важную роль в жизни любого владельца загородного дома, но вот что действительно должно безукоризненно работать, так это отопительные системы для помещений. Это особенно касается регионов в северной части страны, где отопительное оборудование должно быть самого высокого качества, дабы обеспечить оптимальный температурный режим. Но для начала нужно разобраться, какие системы отопления вообще существуют. Основным параметром, по которому определяется работоспособность систем, является возможность обеспечения комфортного микроклимата в доме.

Дома и квартиры обогреваются искусственным путем для того, чтобы компенсировать потери тепла, происходящие из-за понижения температуры снаружи на улице. Существует специальное оборудование, которое эффективно справляется с этой задачей. Но то, какое оборудование будет в итоге выбрано для установки, напрямую зависит от того, каким способом будет добываться тепловая энергия. В связи с этим, отопительные системы для дома делятся на следующие несколько категорий:

· водяные отопительные системы

· паровые

· воздушные

· инфракрасное

· динамическое отопление (о котором сегодня и будет идти речь).

Прогресс на месте не стоит, а движется много мильными шагами, отопительные технологии постоянно совершенствуются. Одним из подобных инновационных способов обогрева является динамический. Он заключается в том, что при работе одна часть выработанной тепловой энергии передается в помещение, а другая тратится на работу насоса, располагающегося между внешней средой и домом.

Таким образом главная цель нашего исследования заключается в изучении принципа работы тепловой и холодильной машин.

Глава 1

В механике рассматривалось движение материальных точек или твердых тел, форма которых была постоянной. Процессами, которые происходят внутри данных тел, мы не интересовались. Изучением внутренних свойств вещества занимается молекулярная физика.

Молекулярная физика — это раздел физики, в котором изучаются свойства вещества на основе молекулярно-кинетических представлений. Здесь учитывается, что все вещества состоят из молекул и рассматриваются различные формы движения этих же молекул (колебания, перемещения, столкновения и др.).

При изучении веществ приходится иметь дело с системами, содержащими огромное число элементов. Так, например в 1 см³ воздуха при нормальных условиях содержится около 3*10^19 молекул. Описать движение всех молекул невозможно и не нужно. Для изучения систем, состоящих из большого количества частиц, также созданы специальные разделы физики: статистическая и термодинамика.

Статистическая физика — это раздел физики, в котором свойства веществ исследуются статистическими методами. К таким методам можно отнести теорию случайных процессов, теорию вероятности, математическую статистику и ряд других разделов математики. Молекулярная физика является одним из элементов статистической физики.

Термодинамика — это раздел физики, в котором изучаются общие свойства макроскопических систем с позиций термодинамических законов. Сами термодинамические законы являются обобщением опытных данных. В термодинамике не учитывается молекулярная структура вещества, и ее выводы справедливы для всех макроскопических систем.

Молекулярная физика и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя единое целое, но различаются методами исследования.

Мы будем рассматривать равновесную термодинамику, т. е. изучать общие свойства макроскопических систем, которые находятся в состоянии равновесия, а также переходные процессы между состояниями равновесия. Существует также неравновесная термодинамика, позволяющая с позиций общих законов рассматривать неравновесные процессы.

Равновесным называется такое состояние, которое характеризуется при неизменных внешних условиях постоянности параметров во времени и отсутствием в системе любых потоков. Состояние термодинамической системы, при котором во всех ее частях температура одинакова, называют термическим равновесным состоянием. Неравновесной же называется система, выведенная из состояния термодинамического равновесия.

Любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров, называется термодинамическим процессом.

Также нам следует ознакомиться с некоторыми необходимыми понятиями, которые помогут получить представление об устройстве динамического отопления Кельвина:

Тепловой двигатель (тепловая машина) – устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Логика всех тепловых машин, в теории, одинакова.

Классическая тепловая машина состоит из нагревательного элемента, рабочего тела и холодильной установки. Каждый из этих элементов с инженерной точки зрения может выглядеть как угодно. В качестве рабочего тела чаще всего выступает газ. Нагреватель отдает рабочему телу теплоту , при этом рабочее тело (газ) расширяется и совершает работу ( ), часть энергии уходит к холодильнику (на самом деле, холодильником может служить окружающая среда и — это банальные теплопотери).

Тогда, исходя из закона сохранения энергии получим выражение:

где

○ — теплота, отданная нагревателем (принятая рабочим телом),

○ — модуль теплоты, принятая холодильником (отданная рабочим телом),

○ — работа газа.

Холодильная машина — тепловая машина, работающая по обратному циклу, т. е. круговому циклу, в котором рабочее тело совершает отрицательную работу. Визуализации таких машин условно одинакова.

Классически, холодильная машина состоит нагревательного элемента, рабочего тела и холодильной установки. Каждый из этих элементов может инженерно выглядит, как угодно, рабочее тело чаще всего газ. Рабочее тело, совершая работу ( ), забирает энергию у холодильника ( ) и передаёт её нагревателю ( ). Нагревателем в данной системе также может быть окружающее пространство. Примером такой холодильной машины может служить обычных домашний холодильник. Электрический ток совершает работу по охлаждению внутренней камеры холодильника, передавая избыток теплоты на внешний радиатор.

Тогда, исходя из закона сохранения энергии:

где

○ — внешняя работа над газом,

○ — теплота, отданная нагревателю,

○ — теплота, полученная от холодильника.

Для характеристики тепловой или холодильной машины вводят понятие КПД (коэффициент полезного действия). КПД, как физический параметр, везде одинаков: отношение полезной работы к затраченной. В нашей системе полезной является работа газа ( ), затраченной, является энергия, принятая от нагревателя ( ), тогда:

Цикл Карно — четырёхтактный цикл, включающий в себя две изотермы и две адиабаты и имеющий максимально возможное КПД при заданных температурах нагревателя и холодильника (рис. 1).

Внешний вид изотермического и адиабатического процессов, по сути, одинаковы. Однако адиабаты идут несколько «круче». Рассмотрим данный циклический процесс по частям. Процесс 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3 — изотермическое расширение, 3-4 — адиабатическое расширение, 4-1 — изотермическое сжатие.

В случае, если рассматривать цикл Карно в качестве обычного цикла, тогда его КПД можно рассчитать, как:

где

o — КПД цикла Карно (и любого другого),

o — работа газа,

o — тепло, полученное от нагревателя,

o — тепло, отданное холодильнику.

Если ввести температуры нагревателя ( ) и холодильника ( ) и считать, что в рамках процесса они не меняются, можно ввести КПД цикла Карно, характеризующее саму машину:

(2)

где

o — КПД цикла Карно,

o — температура нагревателя,

o — температура холодильника.

Краткая биография

Уильям Томсон (лорд Кельвин) - британский физик, механик и инженер. Известен своими работами в области термодинамики, механики, электродинамики. Член и президент Лондонского королевского общества, иностранный член Парижской академии наук, иностранный член-корреспондент и почетный член Петербургской академии наук.

Принимал участие в таких важных научных работах, как изучение явления распространения тепла и электрического тока (1842), вопрос об охлаждении Земли (1842), как следует изменить принцип Карно (1824) и др.

В 1852 году Томсоном была высказана следующая идея, касающаяся нового способа отопления помещений: тепло, полученное при сжигании топлива, используется не для непосредственного обогрева отапливаемого помещения, а направляется в тепловую машину для получения механической работы. С помощью полученной работы приводится в действие холодильная машина, которая отнимает тепло от окружающей среды и отдает его воде в отопительной системе.

Глава 2

Качественное рассмотрение

При динамическом отоплении часть теплоты, полученной из топки, поступает в обогреваемое помещение. Остальная же часть затрачивается на работу, производимую тепловой машиной (двигателем). Нагревателем в двигателе является топка, а холодильником — отапливаемое помещение. Производимая двигателем работа используется для приведения в действие холодильной машины (или теплового насоса), включаемой между окружающей средой и помещением: холодильная машина забирает тепло от окружающей среды и передает его помещению. Так помещение получает теплоту и от горячей топки, и от окружаю среды. Таким образом, общее количество теплоты может превзойти теплоту, полученную при типичной для большинства отопительных систем передаче всего тепла от топки в помещение.

Количественное рассмотрение

Пусть T₁ , T₂, T₃ — температуры (в Кельвинах) топки, отапливаемого помещения и окружающей среды соответственно.

1) От источника тепла поступает количество тепла Q₁ тепловой машине(heating machine). Из него Q₂ отдаётся помещению, играющему для этой машины роль холодильника. Совершенная машиной работа A=Q₁-Q₂ идёт на включение холодильной машины. Эта работа затрачивается холодильной машиной для получения тепла Q₃ из окружающей среды и передачи тепла Q₂' в помещение. Для этого над холодильной машиной тепловая машина совершает работу Q₂'-Q₃. Отсюда по закону сохранения энергии Q₂'-Q₃ = Q₁-Q₂.

2) Можно, рассматривая двигатель и холодильную машину как одну систему, записать, что она:

1. получила Q₁ при температуре T₁ от топки

2. получила Q₃ при температуре T₃ из окружающей среды;

3. получила -q = -Q₂ - Q₂' из помещения.

По соотношению Клаузиса, сумма отношений полученных количеств теплоты к температурам, при которых они получены, равна 0:

Пользуясь соотношением Q₂'-Q₃ = Q₁-Q₂ из пункта 1 рассуждений, можно записать выражение без Q₃:

Отсюда переданное помещению количество тепла:

Так как T1 > T2 > T3, то отсюда следует, что q > Q₁. Например, при T₁ = 500 К, T₂=300 К и T₃=250 К, отношение q/Q1 = 3; таким образом, при сжигании в топке топлива, дающего «обычно» 1 Дж тепла, при динамическом отоплении можно получить приближённо 3 Дж тепла.

Динамическое отопление в “бытовом” применении

В России работает очень много так называемых конденсационных тепловых электростанций. Термодинамические циклы тепловых двигателей этих станций осуществляются с помощью паров воды. Тепло же при этой температуре выбрасывается в окружающую среду. Возникает возможность использования этого тепла при разности между температурами конденсации 25–30 градусов и воздуха в зимнее время минус 10 - минус 15 градусов для получения работы с дальнейшим ее использованием в цикле динамического отопления.

Система динамического отопления, состоящая из тепловой и холодильной машины, может работать в холодное время года, используя для производства работы разность температур, имеющуюся очень часто в природных условиях. Например, на Севере существует разность между температурами воды, находящейся подо льдом, и наружного воздуха. Работа, получаемая в этом случае, может быть использована как раз для осуществления цикла динамического отопления. При этом, чем ниже будет температура наружного воздуха, тем большую работу даст тепловой двигатель и большее количество тепла может быть получено с помощью цикла динамического отопления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технологические трудности и необходимость значительных начальных вложений капитала задерживают широкое распространение этого способа отопления. Возможно, что по мере дальнейшей централизации отопления динамическое отопление найдёт широкое применение. Так, например, в Швеции, богатой стране с развитой технологией и дефицитом топлива, динамическое отопление уже находит заметное применение.

Список литературы:

1) https://ru.wikipedia.org/wiki/Томсон,_Уильям_(лорд_Кельвин) Дата посещения: 5.06.2021

2) https://v-teplo.ru/otopitelnie-sistemi-dlya-doma.html#i-6 Дата посещения: 5.06.2021

3) https://ru.wikipedia.org/wiki/Динамическое_отопление Дата посещения: 11.06.2021

4) https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1299286 Дата посещения: 11.06.2021

5) http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/sgr/ch3/texthtml/ch3_1.htm. Дата посещения: 13.06.2021

6) Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с.

7) Белонучкин В. Е., Заикин Д. А., Ципенюк Ю. М. Основы физики. Курс общей физики. В 2 т. Т. 2. Квантовая и статистическая физика / Под ред. Ю. М. Ципенюка. — М.: Физмалит, 2001.

8) Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Издание 5-е, исправленное. — М.: Физматлит, 2005. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.

9) Белонучкин В. Е., Заикин Д. А., Ципенюк Ю. М. Основы физики. Курс общей физики. Т. 2. Квантовая и статистическая физика, — М.: Физмалит, 2007.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 188; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!