Виды трансформаторов тепла и их назначение.

До середины XIX века единственным источником охлаждения являлся лед и холод естественного происхождения, обычно связанный с сезонными климатическими изменениями или колебаниями температуры окружающей среды в течение суток. Иногда в охлаждающие ледяные смеси добавлялись различные соли, что приводило к еще большему понижению температуры смеси (смешением поваренной соли со снегом можно получить температуру смеси менее –20⁰ C). Кроме того, использовался метод понижения температуры, связанный с тем, что некоторые химические процессы и реакции протекают с поглощением тепла (примером может служить процесс растворения гипосульфита в воде, а смешение хлороформа с твердой углекислотой понижает температуру смеси до -77⁰С).

С развитием термодинамики стало очевидно, что возможны другие, более эффективные способы охлаждения, связанные с использованием технических методов получения искусственного холода. Диапазон температур трансформации тепла при этом существенно расширялся. Машины, которые способы осуществлять такую трансформацию тепла непрерывно называются трансформаторами тепла.

Трансформаторами тепла называются устройства осуществляющие отвод части внутренней энергии в форме тепла от тел низкой температуры к приемникам тепла, имеющим более высокую температуру.

Такое преобразование (трансформация) называется повышениям потенциала тепла и невозможно без затраты внешней энергии в той или иной форме. Кроме того, по отношению к телам низкой и высокой температуры, можно говорить о выработанном холоде(т.е. тепле отведенном от тел с более высокой температурой) и произведенном тепле (т.е. тепле подведенном к телам с более высокой температурой). Работа любого трансформатора тепла (ТТ) всегда сопровождается как производством холода, там и выработкой тепла.

Пусть: Тн-температура тел отдающих тепло (теплоотдатчиков),

Тв-температура тел получающих тепло (теплоприемников),

То.с.-температура окружающей среды (обычно 20С).

В зависимости от величин температур тел отдающих и получающих тепло по отношению к температуре окружающей среды, ТТ делят на три группы.

Холодильные установки -ТТ содержащие элементы внутреннего охлаждения, предназначенные для получения холода.

У этих ТТ температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды Тн<То.с., а температура теплоприемника приблизительно равна температуре окружающей среды Тв То.с. .Такие ТТ еще называют рефрижераторами (аппаратами класса R - от английского слова refrigeration - охлаждение).

В зависимости от уровня Тн рефрижераторы делятся на две подгруппы: при Тн 120К-холодильные системы, при Тн <120К-криогенные.

Теплонасосные установки – ТТ предназначенные для переноса тепла к объектам с температурой более высокой, чем температура окружающей среды То.с.

Такие ТТ так же называют аппаратами класса Н-от английского слова heat –тепло, для них Тн То.с., а Тв>То.с.. Обычно Тв у них не превышает 400-450К.

Важно отметить, что между этими ТТ нет принципиальных отличий в характере протекающих термодинамических процессов. Они отличаются только ожидаемым от них эффектом: или используется полученный холод, или -выработанное тепло.

Теплонасосные установки - ТТ осуществляющие обе функции - и рефрижератора, и теплового насоса.

Такие ТТ еще называют комбинированными (класс RH), для них Тн<То.с., а Тв>То.с..

В теплонасосных и комбинированных установках теплоприемником (охлаждающей средой, к которой отводится тепло от охлаждаемого объекта) обычно служат отапливаемые помещения или обогреваемые элементы технологического оборудования.

На рис.1 показаны характерные температурные зоны описанных ТТ.

Рис.1

Наиболее простым и привычным эталоном цикла ТТ может служить обратный цикл Карно, который можно было бы изображать на координатной плоскости в тех или иных координатах. Но, к сожалению, он не может быть реализован на практике, т.к. требует совмещения несовместимого - изотермического и адиабатного процессов; идеальная теплопроводность в ходе процесса, с одной стороны, должна сочетаться с идеальной теплоизоляцией, с другой, что в инженерном отношении не возможно. Кроме того, некоторые процессы трансформации тепла протекают вообще без всяких циклов, например, посредствам полупроводниковых термоэлементов.

Так же существуют циклы, которые позволяют при прочих равных условиях обеспечить более высокие показатели, нежели цикл Карно, в частности, с регенерации тепла.Таким образом, каким бы способом не реализовывался процесс работы того или иного ТТ , их конечные термодинамические показатели определяются теми же значениями, что и у обратных циклов. Условно такие обратные циклы в T,S-координатах показаны на рис.2

Рис.2

Как видно из диаграмм, температурные границы циклов шире интервала между температурами теплоотдатчика и теплоприемника: Т2^/>Т1,2;Т4^/<Т3,4.

Это необходимо для эффективного теплообмена между рабочим телом (теплоносителем), с одной стороны, и теплоотдатчиком и теплоприемником, с другой. Обычно разница температур составляет 35. При большей разнице возрастают потери на необратимость, в ходе процесса теплообмена. При меньшей – процесс теплопередачи становится малоэффективным.