I. Второй закон: у тепла есть «направление»
Первый закон ведает «количеством»; второй закон — «возможностью». Он говорит нам две вещи: тепло самопроизвольно течёт от высокой температуры к низкой; и невозможно превратить всё тепло одного источника в работу без прочих изменений. Иными словами, для теплопередачи нужна разность температур, и чтобы повторно использовать тепло уходящих газов, сначала должна быть разность температур.
II. Цикл Карно и потолок эффективности
Цикл Карно — обратимый цикл из двух изотермических и двух адиабатических процессов, дающий теоретический верхний предел эффективности тепловой машины:
η_Карно = 1 − T_хол / T_гор (используется абсолютная температура К)
Например, при использовании дымового газа 300°C (573 К) для выработки электроэнергии со стоком 30°C (303 К) теоретический максимум эффективности — лишь около 47%, что на практике значительно ниже. Это объясняет, почему тепло уходящих газов средней и низкой температуры больше подходит для прямого теплоиспользования (подогрев, отопление), чем для выработки электроэнергии — чем ниже потенциал, тем хуже эффективность Карно.
III. Понятие «потенциала» тепла уходящих газов
Одни и те же 100 кВт тепла сильно различаются между дымовым газом 400°C и сточной водой 60°C. Чем выше температура, тем выше потенциал и тем больше задач оно может решать. Первый шаг подбора теплообменника — оценить потенциал тепла уходящих газов:
- Высокотемпературное тепло уходящих газов (>400°C): Может вырабатывать электроэнергию или пар;
- Тепло средней температуры (100~400°C): Технологический нагрев, подогрев приточного воздуха для сушки;
- Низкотемпературное тепло (<100°C): Отопление, горячая вода, абсорбционное охлаждение.
IV. Что это даёт для проектирования теплообмена
Второй закон напоминает: стремление к более низкой температуре выброса требует увеличения площади теплопередачи, но по мере сокращения разности температур теплопередача замедляется и отдача падает. При проектировании нужно найти баланс между «ценностью возвращённого тепла и стоимостью оборудования», а не бесконечно снижать температуру на выходе. При этом противоточная схема ближе подходит к использованию малой разности температур в смысле Карно, чем прямоточная, что подробнее разберём в статье про LMTD.