34.Парожидкостная компрессионная холодильная установка.

Трансформаторы тепла

Устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой Тн (теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой Тв (теплоприемнику), называются трансформаторами тепла. Чтобы осуществить такое преобразование тепла, необходимо затратить внешнюю энергию: механическую, электрическую, химическую и др. В зависимости от того, на каком температурном уровне по отношению к температуре окружающей среды То работают трансформаторы тепла, они подразделяются на холодильные (криогенные) и теплонасосные установки.

По принципу работы трансформаторы подразделяются на компрессионные (паровые и газовые), сорбционные, струйные, термоэлектрические и магнитные установки.

Установки для трансформации тепла различаются по следующим признакам: 1) по принципу работы; 2) по виду цикла; 3) по характеру трансформации; 4) по периодичности.

По виду осуществляемого процесса различают трансформаторы тепла, работающие по замкнутому циклу и разомкнутому процессу. В первой группе рабочий агент циркулирует в замкнутом контуре (паровые компрессорные, абсорбционные и некоторые газовые и струйные эжекторные установки). Во второй - агент при работе полностью или частично выводится из установки (в виде полезного продукта или отхода). Взамен отведённого в установку подаётся такое же количество рабочего агента извне. По разомкнутому процессу работают установки для ожижения и замораживания газов и в ряде случаев газовые компрессионные и струйные установки.

По характеру трансформации различают повысительные и расщепительные установки. В установках, работающих по повысительной схеме, подведённое низкопотенциальное тепло преобразуется в высокопотенциальное; по этой схеме работает большинство холодильных, теплонасосных и комбинированных установок. В ращепительных схемах поток тепла среднего потенциала расщепляется на два потока тепла - низкого и повышенного потенциала. Работа установки осуществляется за счёт энергии теплового потока среднего потенциала. По ращепительной схеме работают струйные вихревые установки и некоторые типы компрессионных и абсорбционных установок.

По периодичности работы различают трансформаторы тепла непрерывного и периодичного действия. Установки периодического действия применяются для некоторых типов трансформаторов тепла (абсорбционные установки) небольшой производительности. Они могут быть выполнены с меньшим числом элементов оборудования благодаря возможности совмещения функций отдельных элементов установки в одном аппарате.

Схемы и циклы холодильных машин

В холодильных установках температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды, т. е. Тн < То, а температура теплоприемника равна температуре окружающей среды, т. е. Тв = То. Холодильные установки (уровень отвода теплоты То ( 120 К) предназначены для охлаждения и поддержания при низких температурах различных объектов и технических систем.

Холодильные установки в зависимости от агрегатного состояния рабочего тела делятся на следующие типы:

1) Газовые - такие установки, в которых рабочее тело во всех процессах остаётся в газообразном состоянии.

Газовые компрессионные холодильные машины. В воздушных холодильных машинах получение низких температур осуществляется за счёт адиабатного расширения воздуха при совершении внешней работы. Схема работы идеальной воздушной холодильной машины приведена на рис.

Воздух из охлаждаемого помещения 4 при температуре Т1 засасывается компрессором 1 и после адиабатного сжатия до давления р1 подаётся в охладитель 2, где охлаждается водой при постоянном давлении. Затем сжатый охлаждённый воздух поступает в детандер 3 (расширитель), где совершает полезную работу при адиабатном расширении до первоначального давления р0.

В газовых компрессионных холодильных машинах рабочее тело во всех процессах остаётся в газообразном состоянии. Наиболее распространены из них воздушные и гелиевые. Установки такого типа практически не применяются из-за их неэкономичности и больших расходов воздуха (т. к. этот хладоноситель обладает малой теплоёмкостью), что делает установку громоздкой и повышает её стоимость.

2) Газожидкостные - установки, в тёплой части которых рабочее тело находится в виде газа при температурах, далёких от критической, а в холодной части - в виде влажного пара и жидкости.

3) Парожидкостные - установки, в которых рабочее тело находится либо в виде жидкости и влажного пара, либо перегретого пара при температурах ниже критической, или близкой к ней. Парожидкостные холодильные установки в зависимости от принципа работы делятся на три вида: парокомпрессионные, абсорбционные и струйные.

3.а) Парокомпрессионные - их работа основана на сжатии в компрессоре сухого насыщенного или незначительно перегретого пара рабочего тела.

Паровые компрессионные холодильные машины. В цикле паровой компрессионной холодильной машины происходит непрерывное фазовое превращение рабочего тела (кипение, испарение, а затем конденсация). Принципиальная схема одноступенчатой идеальной паровой холодильной машины приведена на рис. Основными элементами оборудования установки являются компрессор, конденсатор, детандер (расширитель) и испаритель. Цикл машины, представляющий собой обратный цикл Карно, происходит в области влажного пара.

Холодильный агент кипит в испарителе 1 при давлении и температуре Т0; при этом подводится тепло q0 от охлаждаемого тепла. Влажный пар из испарителя засасывается компрессором 2 и сжимается адиабатно с повышением температуры до Т. Компрессор нагнетает свежий пар в конденсатор 3, где пар конденсируется при постоянных давлении и температуре Т, отдавая охлаждающей воде тепло q. Жидкий хладоагент поступает в детандер 4 и расширяется адиабатно, производя полезную работу за счёт внутренней энергии. Далее хладоагент поступает в испаритель, и рабочий цикл повторяется снова.

3.б) Абсорбционные - сжатие пара основано на абсорбции рабочего тела (поглощении из раствора или смеси газов твёрдым телом или жидкостью) при температуре окружающей среды и его десорбции (выделении в окружающую среду из твёрдого тела) при более высокой температуре. Установки такого типа наиболее распространены из-за их прстоты, надёжности и экономичности.

В абсорбционных холодильных машинах применяется бинарная смесь, компоненты которой имеют различные температуры кипения при одинаковом давлении. Холодильный агент должен иметь низкую температуру кипения, абсорбент (поглотитель) - более высокую.

Наибольшее распространение получили водоаммиачные растворы, в которых аммиак является холодильным агентом, а вода - абсорбентом. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной машины приведена на рис. Пары аммиака, образовавшиеся в испарителе 4 при давлении ро и температуре to, засасываются в абсорбер 5, где поглощаются слабым водоаммиачным раствором. Теплота Qа, выделяющаяся при поглощении паров аммиака, отводится охлаждающей водой. Процесс абсорбции происходит при постоянном давлении, несколько меньшем давления в испарителе ро. Полученный в абсорбере раствор насосом6 перекачивается в генератор (кипятильник) 1. При этом насосом затрачивается работа lн. В генераторе водоаммиачный раствор выпаривается при давлении, несколько большем, чем давление в конденсаторе рк. Тепло Qг, затраченное на получение водоаммиачного пара, подводится от внешнего источника (пар, горячая вода). Водоаммиачный пар с большой концентрацией аммиака поступает в конденсатор 2 и в нём конденсируется, отдавая тепло Qк охлаждающей воде. Из конденсатора жидкий аммиак через регулирующий вентиль (дроссель) 3 направляется в испаритель, где кипит, производя охлаждающий эффект Q0.

3.в) Струйные (пароэжекторные). Особенность пароэжекторной холодильной машины состоит в том, что для её работы используется кинетическая энергия струи рабочего пара. В этих машинах в качестве хладоагента обычно применяют воду.

Отсутствие в пароэжекторных машинах промежуточного теплоносителя позволяет получить температуру охлаждаемой воды, равную температуре кипения в испарителе, что повышает тепловую эффективность и экономичность холодильной машины. К достоинствам пароэжекторной машины следует отнести также простоту конструкции и обслуживания в работе. Однако с помощью таких машин можно получить холод при положительных температурах 0-10 оС.

4) Твёрдотелые - установки, в которых для охлаждения используется твёрдое рабочее тело. Эти установки пока применяются преимущественно для физических исследований в области температур ниже 20 К.

Теплонасосные установки.

В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, а температура теплоприемника значительно выше температуры окружающей среды, т. е. Тн ( То. Тепловыми насосами называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения. Основное назначение этих установок состоит в использовании теплоты низкопотенциальных источников, например, окружающей среды.

В настоящее время разработаны и находят применение три основные группы тепловых насосов: 1) компрессионные (паровые); 2) струйные (эжекторного типа); 3) абсорбционные.

1) Компрессионные тепловые насосы. Компрессионные насосы применяются для теплоснабжения отдельных зданий или групп зданий, а так же для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок.

В качестве рабочего агента в теплонасосных установках используются обычно фреоны.

На рис. 4.1 приведена принципиальная схема идеального парокомпрессионного теплового насоса. В испаритель I подводится располагаемая теплота низкого потенциала при температуре Тн. Пары рабочего агента поступают из испарителя I в компрессор II в состоянии 1 сжимаются до давления рк и соответствующей ему температуре насыщения Тк. В состоянии 2 сжатые пары рабочего агента поступают в конденсатор III, где передают теплоту теплоносителю системы теплоснабжения. В конденсаторе пары рабочего агента конденсируются. Из конденсатора рабочий агент поступает в жидком виде в детандер IV (устройство, в котором расширение рабочего тела, производимое совместно с охлаждением, происходит с совершением полезной работы), где происходит расширение рабочего агента от давления рк до давления ро, сопровождающееся снижением его температуры и отдачей теплоты. Из детандера рабочий агент поступает в испаритель I и цикл замыкается.

Схема тепловых насосов, работающих по замкнутому циклу (рис. 4.5) принципиально ничем не отличаются от схемы паровых компрессионных холодильных установок.

2) Струйные тепловые насосы. В настоящее время широкое применение получили струйные тепловые насосы эжекторного типа. Пар высокого давления поступает в струйный аппарат, и за счёт использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока. Из аппарата выходит смесь двух потоков. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура. Сжатый поток пара затем выводится из установки.

Струйные тепловые насосы получили в настоящее время наибольшее распространение благодаря простоте обслуживания, компактности, отсутствии дорогостоящих элементов.

3) Абсорбционные тепловые насосы. Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения водяного пара водными растворами щелочей (NaOH, KOH). Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т. е. с выделением тепла. Это тепло расходуется на подогрев раствора до температуры, значительно превышающей температуру абсорбируемого пара. Нагретый раствор щёлочи по выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель, где генерируется вторичный пар более высокого давления, чем первичный пар, поступающий в абсорбер. Таким образом, в абсорбционных тепловых насосах процесс получения пара повышенного давления осуществляется за счёт использования тепла, подведённого извне.

Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий к. п. д., у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготолено. Однако абсорбционные насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими.

Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности.

Трансформатор тепла может работать одновременно как холодильная и теплонасосная установка; при этом Тн < То и Тн > То. Такой процесс называется комбинированным. В комбинированном процессе происходит одновременно выработка тепла и холода - охлаждается среда А и нагревается среда Б. Таким образом, в холодильных установках осуществляется искусственное охлаждение тел, температура которых ниже температуры окружающей среды. В теплонасосных установках используется тепло окружающей среды или других низкопотенциальных сред для целей теплоснабжения. Холодильный процесс протекает следующим образом. Охлаждаемое тело отдаёт тепло хладоагенту при температуре Тн < То: затем в холодильной машине за счет подведенной механической энергии происходит повышение температуры хладоагента до температуры То. Нагретый хладоагент передает в окружающую среду количество тепла qв = qн + l. Процесс в тепловом насосе протекает аналогично, но при других температурных потенциалах в соответствии с назначением установки - передать нагреваемому телу Б часть тепла окружающей среды с более низкой температурой.

Рабочие агенты и теплоносители (хладоносители) в трансформаторах тепла.

Для осуществления процессов в трансформаторах тепла применяют рабочие вещества (агенты), обладающие необходимыми термодинамическими, физико-химическими свойствами. Они могут быть однородными или являются смесью нескольких, обычно двух, веществ. У большинства трансформаторов тепла рабочие вещества подвергаются фазовым превращениям. В настоящее время в трансформаторах тепла применяют следующие рабочие вещества:

а) холодильные агенты - вещества, имеющие при атмосферном давлении низкую температуру кипения от +80 до -130 °С. Холодильные агенты с температурой кипения от +80 до -30 °С применяются обычно в теплонасосных установках, а с более низкими температурами кипения от 0 до -130 °С - в установках умеренного холода;

б) газы и газовые смеси (также воздух) с низкими температурами кипения;

в) рабочие агенты и абсорбенты абсорбционных установок;

г) вода, применяемая по своим теплофизическим свойствам в холодильных установках, где температура нижнего источника, тепла tн> О °С, например для кондиционирования воздуха.

Для экономичной и безопасной работы трансформаторов тепла холодильные агенты должны удовлетворять следующим требованиям:

а) иметь невысокое избыточное давление при температуре кипения и конденсации, большую теплопроизводительность 1 кг агента, малый удельный объем пара (при поршневых компрессорах), малую теплоемкость жидкости и высокие коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи;

б) иметь невысокую вязкость, возможно более низкую температуру затвердения, не растворяться в масле (при поршневых компрессорах);

в) быть химически стойким, негорючим, невзрывоопасным, не вызывать коррозии металлов;

г) быть безвредным для организма человека;

д) быть недефицитным и недорогим.

Рабочие агенты газовых холодильных установок должны иметь низкую нормальную температуру кипения, малую вязкость, большую теплопроводность и теплоемкость Ср, мало зависящую от температуры и давления.

Рабочие агенты абсорбционных установок, кроме удовлетворения вышеперечисленных требований, должны хорошо абсорбироваться и десорбироваться в сочетании с соответствующими сорбентами.