Предисловие
Содержание книги по тепловым насосам
Книги по холодильной технике стали выходить в свет более 100 лет назад, однако неизменной оставалась их структура. Теоретическим основам холодильных машин было отдано не более 10 ... 15% всего объема информации. Остальную часть составляло подробное рассмотрение современных вопросов в холодильной технике на период создания книги. Так, например, в первых книгах особое значение имело рассмотрение вопросов эксплуатации, так как специалисты, занимающиеся созданием и эксплуатацией холодильного оборудования, чаще всего были энергетиками по образованию и знания в области холодильной техники получали самостоятельно через соответствующую литературу. В 1920-ые годы приоритет отдавался описанию различных методов холодильной обработки и хранения пищевых продуктов. Далее этот раздел холодильной техники превратился в самостоятельную дисциплину, появились книги исключительно по холодильной технологии хранения и переработке пищевых продуктов. В 1930-ых годах в книгах по холодильной технике присутствовал расширенный объем информации в области холодильного машиностроения, подробному рассмотрению подвергались выпускаемые конструкции компрессоров, создавались многочисленные методики расчета тепло- обменного оборудования. С 1950-ых годов значительно расширились главы книг по холодильной технике, где описывались новые рабочие вещества, методики расчетов термодинамических и теплофизических свойств рабочих веществ и их смесей. Появление новых типов компрессорного и тепло- обменного оборудования в 1970-ые годы вновь возвращает авторов к подробному рассмотрению этих вопросов. В 1990-ых годах появляются книги, в которых подробно рассматриваются вопросы математического моделирования процессов и элементов холодильных машин и тепловых насосов как основы автоматизированных расчетов и последующей оптимизации. Таким образом теоретические основы холодильных машин, к которым традиционно относят термодинамический анализ схем и циклов, остается почти в том виде, в котором он был представлен в ранних изданиях, например, в учебниках И.И.Левина и В.Е.Цыдзика 1930-ых годов.
Качественное отличие можно наблюдать в двух книгах. Первая - «Холодильные машины» В.С.Мартыновского, вышедшая в свет в 1950 году, к
сожалению, малым тиражом. Эта книга содержит уникальную информацию обо всех новинках (на период написания книги) в области термодинамики обратных термодинамических циклов. Многие холодильные машины, описанные В.С.Мартыновским как «новые», получили развитие в двух изданиях A955 и 1960 годов) «Холодильные машины и аппараты» Л.М.Розенфельда и А.Г.Ткачева. Издание 1960 года справедливо считается одним из лучших учебников в мире в области холодильных машин. На этом история термодинамического превалирования в книгах по холодильной технике заканчивается.
Таким образом, первая особенность настоящей книги заключается в том, что после более чем 50-летнего перерыва вновь внимание читателей будет привлечено к подробному рассмотрению вопросов прикладной термодинамики в применении к холодильным машинам и тепловым насосам. Очевидно, что за такой длительный период подвергнулся совершенствованию как объект изучения (холодильные машины и тепловые насосы), так и инструмент для анализа (прикладная термодинамика). Описание конструкций отдельных элементов и их расчеты даны только лишь в том объеме, который необходим для целостного понимания теории. Методологической основой настоящей книги являются учебные программы курсов, читаемых кафедрой холодильных машин Одесской государственной академии холода: «Теоретические основы холодильной техники» (для студентов-бакалавров, обучающихся по специальности «Холодильные машины и установки»), «Современные теплоиспользующие холодильные машины» и «Термодинамический анализ циклов холодильных машин и тепловых насосов» (для магистров, обучающихся по специальности «Холодильные машины и установки»). Опыт чтения перечисленных курсов показал, что у студентов- бакалавров имеет место большой разрыв между изучением термодинамики как самостоятельной дисциплины и последующим применением методов классической термодинамики в анализе холодильных машин и тепловых насосов. Эта же ситуация наблюдается у студентов-магистров между изучением экономики как самостоятельной дисциплины и экономическим анализом технических систем. Вопросы оптимизации, которые традиционно рассматриваются в курсе математического моделирования, являются слишком абстрактными, а само слово «оптимизация» чаще всего ассоциируется с прямым перебором большого числа результатов расчетов.
Современная деятельность инженера немыслима без комплексной оценки целесообразности принимаемых решений, которые, естественно, должны быть оптимальными как с точки зрения техники, так и с точки зрения экономики. Формирование дилеммы оптимизации иногда оказывается сложнее проведения самой оптимизации. Когда автор говорит
об оптимизации, подразумевается именно описание проблемы, которая должна быть решена в процессе оптимизации. Технико-экономический анализ, как заключительный аккорд любого технического проекта, представляет результат последовательных расчетов по цепи: термодинамика —> тепломассообмен и гидрогазодинамика —> экономика. Технико-экономическая оптимизация является пошаговым приближение системы к оптимуму. Описанная цепь должна быть повторена и-раз, пока найденное решение не будет признано оптимальным. При этом обратная последовательность проведения анализа невозможна. Проанализируем несколько парадоксальных ситуаций, встречающихся при выполнении технико-экономического анализа. Величина «срока окупаемости» является одной из ключевых и, обычно, завершает технико-экономический анализ любой технической системы. Как можно определить срок окупаемости бытовой техники (холодильника, кондиционера), личного автомобиля и т.д.? Определение «стоимости 1000 кДж холода». Эта величина имела некоторые стандартные значения в бывшем СССР. Могут ли 1000 кДж холода при температуре 0°С иметь одинаковую стоимость с тем же количеством холода, но произведенным при температуре -50°С? В постановочной части технико-экономического анализа при определении стоимости аппарата в него также вкладывают стоимость рабочего вещества. В результате расчетов часть рабочего вещества, непрерывно циркулирующая в энергопреобразующей системе, в разных элементах имеет разные сроки окупаемости.
Подобных примеров имеется большое количество, особо ярко недостатки технико-экономического анализа проявляются при анализе и оптимизации теплообменных аппаратов.
Различие в технико-экономическом анализе и термоэкономическом (эксергоэкономическом) состоит в том, что характерной особенностью термоэкономики является сочетание экономических и термодинамических положений с самого начала анализа. Термоэкономика как инструмент для анализа, синтеза и оптимизации действительных технических систем представляет уникальную комбинацию термодинамического (эксергетического) и стоимостного анализов и способна обеспечить проектировщика или эксплуатационника широкой информацией о внешней и внутренней экономике технической системы, которую на основании однокритериальных анализов (раздельно термодинамического и экономического) получить невозможно. Термоэкономику рассматривают как метод, способный указать пути сокращения стоимости системы как при ее создании, так и дальнейшей эксплуатации. Кроме того, термоэкономика (эксергоэкономика) является мощным инструментом для понимания взаимосвязи между термодинамикой и экономикой на любом уровне проведения анализа. Объективность получаемых результатов при использовании методов термоэкономики привело к тому, что все больше и больше специалистов отказываются от технико - экономического анализа и становятся приверженцами термоэкономики. Технико-экономический анализ принципиально отличается от термоэкономического, поэтому эти понятия не следует путать, пытаться подменять одно другим или соединять при выполнении исследований. Русская терминология в области холодильных машин (тепловых насосов) сформировалась к 1970-ым годам, многие авторы ее использовали достаточно корректно. «Вольности», появившиеся в 1990-ых годах, чаще из-за некачественного прямого перевода с иностранных языков и стремления авторов использовать так называемую «современную терминологию», нарушили структуру определений, а, иногда, привели к ошибкам в изложении материала, и, естественно, непониманию со стороны читателей. Терминология - основа любой науки. Сохранение единой терминологии и обозначений величин на протяжении одной книги является залогом преемственности материала и формирования системности знаний у читателей. Некоторые обозначения, многие годы применявшиеся в русскоязычной технической и термодинамической литературе, устарели. В мире (в том числе и в Украине) появились новые стандарты. Широкое использование новых обозначений возможно только тогда, когда к ним студенты привыкают в процессе обучения, это значительно облегчит им в дальнейшем чтение современных периодических изданий. Иная ситуация наблюдается при условном изображении схем холодильных машин и тепловых насосов. В настоящее время в мире не существует каких-либо строгих стандартов на выполнение графического материала. Графический материал должен быть наглядным и простым в восприятии. Автор умышленно использует разные варианты изображения схем холодильных машин и тепловых насосов, чтобы научить читателей (особенно студентов) легко ориентироваться в любом графическом изображении, используя текстовое описание и, что более важно, изображение цикла в любой из термодинамических диаграмм состояний рабочего вещества.
В книге созданы предпосылки для универсального использования изложенного материала: описание теоретических основ холодильных машин и тепловых насосов для студентов и создание направлений научного поиска для магистров, аспирантов и докторантов. Каждая глава содержит два типа разделов. Первоначально даны разделы для студентов, далее следует углубление теоретических основ путем использования сложных видов анализа с элементами оптимизации. Естественно, эти разделы предназначены для исследователей и инженеров-практиков и не являются обязательными для студентов.
Книга содержит «Контрольные вопросы и задания» к каждой главе.
Материал, вынесенный в эти разделы, подразумевает контроль знаний студентов. Впервые среди вопросов присутствуют такие, в которые требуется проведение качественного анализа, т.е. описание анализируемой величины по пяти критериям: очень высокое значение (почти нереальное), высокое, нормальное, низкое, очень низкое (почти нереальное). Такой подход является современным с точки зрения инженерного менеджмента и подразумевает знания некоторых средних (классических, традиционных) численных значений величин и умение сравнивать с ними значения, полученные в результате расчетов или эксперимента. Опыт в проведении качественного анализа может быть получен только на основе большого числа выполненных расчетов и обязательное их сравнение с данными, приведенными в учебной, научной литературе или информации промышленности.
Список литературы, приведенный в книге, демонстрирует объем переработанной автором информации. В тексте книги нет ссылок на литературные источники, что не является необходимым. Однако имена авторов и год публикации дают возможность найти полную ссылку на интересуемый литературный источник. Многие источники, увы, являются редкими уже даже для частных технических библиотек из-за давности изданий или малого тиража, многие представляют научные статьи в сборниках докладов конференций, конгрессов и симпозиумов. Автор приложил максимум усилий для того, чтобы объем информации, впервые появившийся в настоящей книге, был достаточным для понимания сути без необходимости чтения первоисточника. Естественно, углубленное знание потребует расширенный поиск публикаций в этом направлении. В завершение автор хотел бы предупредить ошибку, наиболее часто встречающуюся в современных изданиях в области холодильной техники, а именно, в корректном употреблении терминов «холодильная машина» и «холодильная установка» («холодильная система»), а также «тепловой насос» и «теплонасосная установка» («теплонасосная система»). Холодильная машина является составной частью холодильной установки (системы), соответственно, тепловой насос - составной частью теплонасосной установки (системы). Термодинамический анализ можно проводить как для холодильной машины, так и для холодильной установки (теплового насоса и теплонасосной системы), однако холодильная и теплонасосная установки (системы) не имеют термодинамического цикла! Термодинамический цикл может описывать только схемное решение холодильной машины или теплового насоса.
Книга выходит в свет в год 100-летия со Дня рождения Владимира Сергеевича Мартыновского. Автор считает свои долгом с благодарностью вспомнить имя человека, который более 30 лет назад собрал все лучшее и современное, что существовало в холодильной технике и прикладной (инженерной) термодинамике в мире, развил это и создал предпосылки для дальнейшего совершенствования. Автор хотел бы выразить признательность всем, некогда работавшим и ныне работающим преподавателям кафедры холодильных машин Одесской государственной академии холода, общий научно-педагогический опыт которых на протяжении с 1949 года при чтении курса «Холодильные машины» создал предпосылки для обобщения всего накопленного методического материала, подготовки
курсов лекций, читаемых авторов, а также написания этой книги. В книге широко использованы результаты научных исследований, проведенных на кафедре холодильных машин ОГАХ за последние 10 лет. Эти разработки являются основой еще не защищенных кандидатских диссертаций, поэтому автор, во избежание недоразумений, считает необходимым указать фамилии аспирантов, в работах которых появятся фрагменты книги: Соколовская В., Морозюк Е., Лозовский С, Неуров Е., Кали- берда Б., Бабич В. В этом случае приоритет имеют научных публикации в периодических изданиях, вышедшие в свет ранее книги. В книге также использованы результаты научных работ магистров кафедры холодильных машин ОГАХ Колосовой С. и Сироты В. B001 год), Бышляги С. и Лукьянчука А. B002 год), Гуцу В. B003 год).
Автор выражает глубокую признательность Р.К.Никульшину (ОГАХ), в соавторстве с которым были написаны книги «Теоретико-графовые методы в термодинамическом анализе, синтезе и оптимизации холодильных машин» A995), «Термодинамические основы и методы получения низких температур в холодильной и криогенной технике» A999 год) и «Термодинамика в задачах и решениях» B003 год), некоторые фрагменты которых нашли отражение в «Теории холодильных машин и тепловых насосов».
За предоставление современной информации в области использования С02, как рабочего вещества холодильных машин и тепловых насосов, автор выражает благодарность А.В.Роженцеву (ОГАХ). Автор с благодарностью отмечает позитивные результаты научно педагогического визита в департамент прикладной термодинамики и холодильной техники Шведского королевского технологического института - КТН (грант TEMPUS IMG-UKR3015-2004), по итогам которого некоторые главы книги были дополнены ранее неизвестной информацией, в том числе многочисленными историческими сведениями.
Особую благодарность автор выражает Дж.Тсатсаронису
(Берлинский Технический Университет), благодаря научным контактам с которым был собран уникальный материал в области современной прикладной термодинамики, в частности, по термоэкономическому (эксергоэкономическому) анализу и оптимизации.
Неоценимую помощь в работе над книгой оказала моя мама, коллега и друг Морозюк Лариса Ивановна, которая взяла на себя огромный труд по одновременному оппонированию, рецензированию и лингвистической правке книги. Ей же написан раздел «Абсорбционно-диффузионные машины».
В заключение, следует высказать признательность рецензентам.
Автор Т. В. Морозюк
