9.1. Классификация, принципы действия и области применения трансформаторов теплоты

В установках для трансформации теплоты (трансформаторах теп­лоты) производится отвод энергии от объектов с низкой температурой к объектам с более высокой температурой, обычно большей температуры окружающей среды T_о.с или равной ей. Из термодинамики извест­но, что такой процесс должен сопровождаться затратой энергии извне.

В зависимости от значений температур объектов с низкой Т_н и вы­сокой Т_в температурами по отношению к температуре окружающей среды трансформаторы теплоты разделяют на три основные группы.

При Т_н<Т_о.с и Т_в≈Т_о.с осуществляется отвод теплоты от объекта .с низкой температурой с целью его охлаждения. Такие трансформато­ры теплоты называют холодильными установками. При температурах отвода теплоты Т_н≤120 К установки называют криогенными. При T_H≈T₀.c и Т_В>Т₀._С назначение установки состоит в переносе теплоты к объекту с температурой более высокой, чем Т₀._с. Такие установки на­зывают тепловыми насосами.

При Tн<Tо.с и Т_В>Т₀._С установка работает по комбинированной схеме, сочетающей холодильную установку и тепловой насос.

Эффективность холодильной установки определяется количеством теплоты, отведенной от объекта с температурой Т_н, и называется холо­дильной мощностью (холодопроизводительностью):

Рис. 9.1. Идеаль­ный обратный обра­тимый цикл холодиль­ной (а), теплонасос­ной (б) и комбини­рованной (в) уста­новок

, (9.1)

где Δs – разность энтропии в процессах подвода или отвода теплоты. Эффективность теплового насоса определяется количеством тепло­ты подведенной к объекту с температурой Т_в:

, (9.2)

Теоретическая основа трансформаторов теплоты связана с исполь­зованием обратного термодинамического цикла. На рис. 9.1 показаны такие циклы соответственно для холодильной, теплонасосной и комби­нированной установок. При этом принято, что все процессы, составля­ющие циклы, идеальные, т. е. в данном случае рассматривается иде­альный обратный обратимый цикл Карно.

Принцип работы трансформатора теплоты обобщенно может быть представлен следующей последовательностью процессов. В процессе 1-2 осуществляется повышение давления рабочего тела с помощью подвода работы извне. Далее необходим отвод, теплоты на температур­ном уровне Т_в (процесс 2-3–охлаждение или конденсация рабочего тела). В процессе 3-4 происходит расширение в определенном диапазоне давлений, и, наконец, цикл замыкается процессом 4-1, в котором к рабочему телу подводится теплота на нижнем температурном уровне Т_н. Такой цикл чаще всего используется при оценке показателей иде­альных и действительных трансформаторов теплоты, в которых могут быть использованы циклы, значительно отличающиеся от цикла Карно. Области применения трансформаторов теплоты широки и разнооб­разны. Холодильные установки, в которых осуществляется охлаждение объектов до температур Т_н в интервале 293–120 К, используют в пи­щевой промышленности, сельском хозяйстве и торговле для хранения и транспорта продукции; в системах кондиционирования воздуха про­изводственных и бытовых помещений для обеспечения комфортных ус­ловий для людей и технологического оборудования; в медицинской,, биологической и фармацевтической отраслях промышленности при производстве и хранении биологических продуктов, а также при изго­товлении препаратов, содержащих летучие вещества; в химической промышленности при производстве искусственного волокна и пласт­масс; в горной промышленности и строительстве при сооружении пло­тин, подземных сооружений и туннелей, для замораживания водонос­ных грунтов и плывунов; для создания искусственных ледяных катков.

Криогенные установки, в которых необходима температура 120 К' и ниже, используют: в металлургии, где продукты разделения возду­ха– кислород, азот, инертные газы – широко применяют для интенси­фикации процессов выплавки чугуна, стали и других металлов и спла­вов; в машиностроении, при обработке металлов в среде с низкой тем­пературой с целью увеличения их твердости и износоустойчивости, а, также при дроблении материалов и сборке деталей; в химической про­мышленности при разделении газовых смесей и сложных растворов; в газовой промышленности при разделении газовых смесей и получения гелия, при получении, хранении и транспорте сжиженных газов, а так­же для выделения из них, ценных продуктов; в авиации и космонавтике при обеспечении кислородом экипажа, работающего на больших высо­тах, и при получении топлива и окислителей; в энергетике для созда­ния и эксплуатации современных электротехнических устройств (сверх­проводящих или с очень малым электрическим сопротивлением); в радиотехнике и электронике для обеспечения оптимальных условий эксплуатации приборов и их чувствительных элементов; в медицине при создании специального криохирургического инструментария.

Тепловые насосы и комбинированные установки (ТНУ) в последнее время получают широкое распространение при утилизации низкопо­тенциальной теплоты (уровень температур t=10÷50°С).

ТНУ для систем утилизации низкопотенциальной теплоты разраба­тывают и совершенствуют в двух направлениях: для централизованно­го теплоснабжения проектируют крупные парокомпрессионные ТНУ и водогрейные котлы; для децентрализованного теплоснабжения целесо­образно использовать ТНУ малой мощности парокомпрессионного и термоэлектрического типов. Такие установки применяют в сельском хо­зяйстве, в промышленности, в жилищно-бытовом секторе.

Классификация трансформаторов теплоты может быть проведена обобщенно для холодильных установок и тепловых насосов ввиду того, что теоретические основы их работы одинаковы. По принципу действия наибольшее распространение получили трансформаторы теплоты термомеханического типа, в которых используют процессы повышения и понижения давления рабочего тела. Эти установки делятся на комп­рессионные, сорбционныё и струйные. Кроме термомеханических нахо­дят применение также трансформаторы теплоты электромагнитного типа, принцип работы которых основан на использовании постоянных или переменных электрического или магнитного, полей [71]. Более рас­пространены термоэлектрические трансформаторы теплоты, основан­ные на использовании эффекта Пельтье. Сведения о них можно полу­чить в специальной литературе [71].

Компрессионные установки могут быть паро- (или газо-) жидкост­ными и газовыми в зависимости от характера изменения состояния ра­бочего тела. В паро- и газожидкостных установках сжатие рабочего тела осуществляют при температурах ниже критической, в газовых – при температурах выше критической. Для процесса сжатия в компрессионных установках обычно используют электрическую или механиче­скую энергию.

В сорбционных установках (они могут быть как абсорбционными, так и адсорбционными) давление рабочего тела повышается в резуль­тате последовательно осуществляемых процессов поглощения рабочего агента сорбентом, сопровождающегося отводом теплоты, и дальнейше­го выделения рабочего агента с помощью подвода теплоты (десорб­ция). В качестве носителя энергии в установках сорбционного типа ис­пользуют пар, горячую воду или газы.

Струйные установки основаны на использовании кинетической энер­гии рабочего потока для повышения давления сжимаемого агента. Струя рабочего пара или газа, выходящая с большой скоростью из соп­ла, эжектирует сжимаемый поток (всасывание), затем происходит сжа­тие смеси в диффузоре.

По характеру процесса трансформации теплоты установки могут быть разделены на две группы: работающие по повысительной или по расщепительной схеме. В повысительной схеме теплота подводится к, установке на нижнем температурном уровне Т_н, а отводится на уровне Т_в. В установках с расщепительной трансформацией теплота подводит­ся к установке на некотором среднем температурном уровне Tср; далее имеются два потока – один на низком температурном уровне Т_н, дру­гой– на высоком T_в. В отличие от схем с повысительной трансформа­цией в расщепительной установке необходимы два цикла: один – пря­мой для получения работы, другой – обратный, в котором использует­ся работа для отвода теплоты со среднего температурного уровня Т_ср на верхний T_в.

В качестве показателей эффективности трансформаторов теплоты используют коэффициенты, представляющие собой отношение эффек­та, созданного установкой, к затрате энергии на ее работу. Для иде­альной холодильной установки такой коэффициент представляет собой отношение холодильной мощности установки q₀ к затраченной работе l и называется холодильным коэффициентом е:

. (9.3)

Для аналогичной характеристики теплового насоса соответственно используют соотношение

. (9.4)

называемое коэффициентом трансформации.

Оба коэффициента не могут быть названы КПД установок, так как не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к этому критерию [71] (в частности, оба могут иметь численные значения, большие единицы, что противоречит второму закону термодинамики). В формулах сопоставляются качественно различные виды энергии – теплоты и ра­боты. Известно, что качество вида, энергии определяется его способно­стью превращаться в другой вид энергии. Если работа в идеальном процессе может быть полностью превращена в другой вид энергии, то теплота даже в, идеальном процессе лишь частично превращается, на­пример, в работу. Степень такого превращения теплоты в работу ха­рактеризуется работоспособностью или эксергией потока теплоты и су­щественно зависит от температурного уровня потока теплоты, а также от температуры окружающей среды.

Соответствующие показатели трансформаторов теплоты – эксергетические η – наряду с коэффициентами ε и φ широко применяют при анализе этих установок и определяют следующими формулами [71]:

для холодильной установки

. (9.5)

для теплонасосной установки

. (9.6)

где ω_q – температурная функция или коэффициент работоспособности теплоты, определяемая как

; (9.7)

здесь Т – температурный уровень потока теплоты.

Вещества, применяемые в холодильных и теплонасосных установ­ках (хладагенты и хладоносители), должны удовлетворять некоторым общим для трансформаторов теплоты требованиям [71].

Для хладагентов основные требования сводятся к следующему:

1) давление конденсации р_к при заданной температуре в конденса­торе должно быть ниже критического р_кр, что облегчает конструкцию компрессора, снижает утечки, увеличивает КПД компрессора;

2) давление в испарителе р_о должно быть равно атмосферному или чуть выше, чтобы не было подсоса наружного воздуха и атмосферной влаги в установку, ухудшающих теплообмен между хладагентом и хладоносителем и вызывающих коррозию;

3) хладагент должен иметь большую удельную холодильную мощ­ность q₀ что снижает потери от дросселирования;

4) удельный объем паров на входе в компрессор должен быть ма­лым, если используется поршневой компрессор (это уменьшает его га­бариты), и, наоборот, достаточно большим, если в установке применя­ется турбокомпрессор (это при прочих равных условиях позволяет из­готовить проточную часть компрессора с высоким КПД);

5) хладагент должен иметь малую вязкость для получения высоких коэффициентов теплоотдачи, уменьшения гидравлических сопротивле­ний и обеспечения малых утечек через неплотности;

6) хладагенты должны быть нетоксичными, негорючими, взрывобезопасными, химически инертными и стабильными.

По степени безвредности хладагенты разделяют на классы [71]: причем выше класс безвредности, тем слабее воздействие паров агента на организм человека. Особенно ядовиты сернистый ангидрид и аммиак. Наиболее распространенные хладагенты и их свойства приведены в табл. 9.1.

Воду используют как рабочее тело в пароэжекторных и абсорбцион­ных холодильных установках. Достоинства аммиака как хладагента объясняются его малым удельным объемом и большой удельной тепло­той парообразования. Аммиак токсичен, но его утечки легко обнару­живаются, вследствие резкого запаха.

Широкое применение в современных холодильных и теплонасосных установках находят хладоны (фреоны) – галоидопроизводные предель­ных углеводородов. Они химически инертны и взрывобезопасны.

Хладоносители (теплоносители) используют в системах трансфор­матор теплоты – потребитель в случае большого расстояния между ни­ми или если в силу технических или технологических условий непосред­ственная связь между трансформатором теплоты и потребителем за­труднена или невозможна. Использование промежуточных хладоносителей позволяет повысить аккумулирующую способность трансфор­матора теплоты, иметь более простое и надежное регулирование и бла­гоприятные условия для- автоматизации системы. В то же время при наличии хладоносителей возникает необходимость защиты от корро­зии труб, аппаратуры и оборудования; вследствие появления разности температур необходимо поддерживать более низкие температуры кипе­ния в испарителе (в холодильных установках) при той же температу­ре у потребителя, дополнительно затрачивать энергию на транспорт хладоносителя. В качестве промежуточных хладо- или теплоносителей в трансформаторах теплоты применяют водные растворы (рассолы) хлористого натрия NaCl и хлористого кальция СаСl, а также этиленгликоль; в низкотемпературных установках – фреон Ф-30.

Условия надежной эксплуатации установок определяют требования к хладо- и теплоносителям: низкая температура замерзания, небольшая вязкость для снижения потерь в трубопроводах, большая теплоем­кость для уменьшения расхода и потерь при теплообмене, химическая, стойкость и малая коррозионная активность, высокая теплопровод­ность, нетоксичность, взрывобезопасность.

Контрольные вопросы

1. Что общего и какие различия в принципах работы холодильной установки и теплового насоса?

2.. В чем различие холодильного коэффициента и КПД холодильной установки; в чем преимущества КПД?

3. Назовите основные принципы выбора хладагентов холодильных установок.

4. Каковы области преимущественного применения газовых холодильных уста­новок?

5. Что дает регенерация в холодильных установках?

6. В чем основные рреимущества абсорбционных и пароажекторных установок пе­ред парокомпрессионными.

7. Может ли вихревая труба работать при полном отсутствии «горячего» по­тока?

8. Каковы перспективы применения теплонасосных установок в промышленности?

9. Поясните схему функционирования комбинированной теплонасодной установки в зимнем и летнем режимах.

10. Каковы энергетические показатели применения турбокомпрессоров для повы­шения давления пара?