7498

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Л.М. Дыскин, М.С. Морозов

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛОТЫ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Основы трансформации теплоты» для обучающихся по направлению подготовки

13.03.01. Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Промышленная теплоэнергетика

Нижний Новгород

2016

УДК 621.5

Дыскин Л.М. Назначение и классификация трансформаторов теплоты [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 21 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Ключевые слова: трансформация теплоты, охлаждение, тепловые устройства, теплообмен, эксергия, тепловые насосы.

Рассмотрены краткие теоретические сведения и назначение трансформаторов тепла (тепловых насосов, холодильных и криогенных установок). Приведена классификация и область применения термотрансформаторов.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Основы трансформации теплоты» по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Промышленная теплоэнергетика.

© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2016 © ННГАСУ, 2016

3

1. НАЗНАЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛА

Трансформаторами тепла (или термотрансформаторами) называются технические системы, в которых осуществляется отвод энергии в форме тепла от объектов с относительно низкой температурой к приемникам тепла с более высокой температурой. Такое преобразование, называемое в технике повыше-

нием потенциала тепла, не может, как следует из термодинамики, происходить самопроизвольно. Для повышения потенциала тепла необходима затрата внеш-

ней энергии того или иного вида: электрической, механической, химической,

кинетической энергии потока газа или пара и др.

Процессы повышения потенциала тепла классифицируются [1] обычно в зависимости от положения температурных уровней: верхнего – теплоприемни-

ка Тв и нижнего – теплоотдатчика Тн по отношению к температуре окружающей среды То.с., принимаемой в большинстве случаев равной 20 °С (293 К).

В том случае, когда температура теплоотдатчика ниже температуры окру-

жающей среды Тн < То.с., а теплоприемника равна этой температуре Тв = То.с.,

осуществляющая отвод тепла система (трансформатор тепла) называется

рефрижератором (класс R – от английского слова refrigeration – охлаждение).

При Tн Tо.с. и Tв Tо.с. соответствующий трансформатор тепла называет-

ся тепловым насосом (класс Н – от английского слова heat – тепло). Термин

«тепловой насос» не отражает существа физических процессов в трансформа-

торе тепла поскольку, как известно, тепло не материальная субстанция, кото-

рую можно «перекачивать». Как и аналогичные термины «теплоемкость» и «теплопроводность», он сложился под влиянием представлений о существова-

нии невесомой тепловой субстанции – «теплорода», господствовавшей в науке вплоть до XIX в.

При Tн Tо.с. и Tв Tо.с. трансформатор тепла осуществляет обе функции – и рефрижератора, и теплового насоса; он называется комбинированным (класс

RH).

4

В основном работа рефрижератора заключается в выработке холода, т.е.

отводе в окружающую среду тепла от объектов, температура Тн которых ниже температуры окружающей среды. В зависимости от уровня Тн рефрижераторы делятся на две подгруппы: при Tн 120 Ксоответствующие системы называют-

ся холодильными; при Tн 120 К – криогенными (от греческих слов «крио» –

холодный и «генос» – производить).

Теплонасосная система предназначена для использования тепла, отводи-

мого от окружающей среды или другого низкопотенциального источника (на-

пример, отработавшей воды или пара), для бытового или технологического те-

450 К, поскольку тепло более высокого потенциала, как правило, выгоднее по-

лучать при использовании химического или ядерного топлива.

На рис. 1 показаны характерные температурные зоны использования трансформаторов тепла различного назначения.

Рис. 1. Температурные зоны использования трансформаторов тепла различного назначения

Теплоприемником – охлаждающей средой, к которой отводится тепло от охлаждаемого объекта, в рефрижераторных системах служит обычно окру-

жающая среда (атмосферный воздух или вода), в теплонасосных и комбиниро-

ванных системах – отапливаемые помещения или обогреваемые элементы тех-

5

нологической аппаратуры.

Очевидно, что процессы во всех трансформаторах тепла трех описанных видов (R, Н и RH) независимо от конкретной схемы должны моделироваться обратными термодинамическими циклами [2]. В общем виде такие обратные циклы на Т-s диаграмме показаны на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема циклов трансформаторов тепла на Т-s диаграмме: а) – рефрижератор; б) – тепловой насос; в) – комбинированный трансформатор тепла

Анализ диаграмм всех трех видов трансформаторов тепла показывает, что температурные границы циклов всегда шире интервала между температурами теплоотдатчика и теплоприемника. Это обусловлено требованиями внешнего теплообмена. В верхней части цикла, где тепло Qo.c. или Qв отдается рабочим телом, его температура должна быть выше То.с. или Тв, в нижней, напротив, ра-

бочее тело, получающее тепло Q0 или Qo.c., должно иметь температуру ниже Тн

или То.с.. В этом обратные циклы существенно отличаются от прямых, у кото-

рых интервал изменения температур рабочего тела меньше разности темпера-

тур источника и приемника тепла.

Процессы 1-2, характеризуемый отводом тепла и уменьшением энтропии,

3-4, характеризуемый подводом тепла и возрастанием энтропии, а также 2-3 и 4-1, происходящие соответственно с понижением и повышением температуры рабочего тела, могут проводиться самыми разными способами и с использова-

нием различных рабочих тел. Однако во всех случаях изменения энтропий и

6

температур, перечисленные выше, неизбежно осуществляются.

Особое значение в трансформаторах тепла имеет процесс 2-3, связанный с понижением температуры до самой нижней точки цикла Т3 , его рассмотре-

нию будет уделено в дальнейшем особое внимание. Наиболее простым этало-

ном цикла трансформатора тепла может служить обратный цикл Карно. Но на практике для трансформации тепла обычно используются другие циклы и про-

цессы, существенно отличающиеся от цикла Карно. Причина этого не только в том, что систему, в которой бы протекал реальный цикл, близкий к циклу Кар-

но, трудно реализовать на практике, но и в том, что существуют и другие циклы

(в частности, с регенерацией), которые позволяют при прочих равных условиях обеспечить более высокую эффективность системы трансформатора тепла.

Кроме того, некоторые процессы трансформации тепла, производимые, напри-

мер, посредством полупроводниковых термоэлементов, протекают вообще без каких-либо циклов. Однако их конечные термодинамические показатели опре-

деляются, естественно, теми же значениями, что и для обратных циклов. Под-

робнее об этом сказано в следующих главах книги.

2.ОБЛАСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛА

Внастоящее время трансформаторы тепла различного назначения нахо-

дят широкое и многообразное применение. Особое значение в промышленно-

сти, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту имеют рефрижераторные ус-

тановки, т.е. трансформаторы тепла класса R, осуществляющие отвод тепла от объектов, температура которых ниже температуры окружающей среды.

До середины прошлого столетия единственными источниками охлажде-

ния таких объектов были естественный холод и запасы льда. Иногда применя-

лись охлаждающие смеси, получаемые из естественного водяного льда в смеси с какой-либо солью.

Появление в середине XIX в. технических методов получения искусст-

венного холода путем трансформаций тепла коренным образом изменило диа-

7

пазон и масштабы использования низких температур.

Современные рефрижераторные установки позволяют отводить тепло при любых температурах, вплоть до близких к абсолютному нулю –273,15 °С, и в таких количествах, которые обеспечивают нужды народного хозяйства и науч-

ных исследований.

Холод до 120 К, получаемый в холодильных установках, используется в самых различных целях, в том числе:

1)в сельском хозяйстве и пищевой промышленности – при заготовке и переработке скоропортящегося сырья, производстве и хранении продуктов, а

также при сублимационной сушке;

2)в торговой сети, на предприятиях общественного питания и в быту –

для хранения и транспортирования пищевых продуктов; 3) на производстве и в быту – для кондиционирования воздуха в произ-

водственных, общественных и жилых помещениях, т.е. для поддержания усло-

вий, обеспечивающих требования технологического процесса и благоприятно сказывающихся на самочувствии людей;

4) в технике водоснабжения – для опреснения морской и засоленной во-

ды;

5)на железнодорожном и автомобильном транспорте – при перевозке скоропортящихся продуктов;

6)в морском и речном флоте – для замораживания и хранения рыбы и морских животных;

7)в медицинской, биологической и фармацевтической отраслях промыш-

ленности – при производстве и хранении биологических продуктов, а также при изготовлении лекарств, содержащих летучие вещества (пенициллин, стреп-

томицин, эфир, хлороформ и др.); 8) при производстве искусственного волокна и пластмасс – для поддер-

жания заданной температуры процесса; 9) в парфюмерной промышленности – для хранения цветов и ароматиче-

ских веществ;

8

10)в горной промышленности при проходке шахт и при строительстве плотин, подземных сооружений и туннелей – для замораживания водоносных грунтов и плывунов;

11)в медицине – для общего охлаждения при использовании гипотермии;

12)на спортивных сооружениях – для создания искусственных ледяных

катков.

Во многих отраслях науки и промышленности применяются более низкие температуры (ниже 120 К), обеспечиваемые криогенными установками, в том числе:

1) в металлургии – для интенсификации процессов сталеплавления, а

также выплавки чугуна, ферросплавов и цветных металлов посредством обога-

щения дутья кислородом, получаемым при низкотемпературной ректификации воздуха. В металлургии также используются технический кислород (газообраз-

ный и жидкий) и другие продукты ректификации воздуха, в частности аргон, –

для удаления примесей и плавки в инертной среде; 2) в машиностроении – для получения путем низкотемпературной ректи-

фикации кислорода и инертных газов, необходимых для резки и сварки метал-

лов. Обработка сталей холодом увеличивает их твердость и износоустойчи-

вость, а также повышает тягучесть при тонком волочении. Низкие температуры используются также при дроблении вязких материалов и для создания натяга при сопряжении деталей;

3) в химической промышленности – при разделении газовых смесей, в ча-

стности воздуха, для получения кислорода и азота, для извлечения дейтерия из технического водорода. Криотемпературы используются также для конденса-

ции паров, осушения газов, разделения сложных растворов, кристаллизации со-

лей, регулирования направления и скорости химических реакций, хранения низкокипящих жидкостей;

4) в газовой промышленности – для разделения газовых смесей, в частно-

сти выделения гелия, а также для получения, хранения и транспортирования охлажденных и ожиженных природного и других газов;

9

5) в авиации и космонавтике – для получения топлива (например, жидко-

го водорода) и окислителей (например, жидкого кислорода), а также для обес-

печения кислородом людей, работающих на большой высоте и в космосе; 6) в энергетике – для создания различных устройств (накопителей, гене-

раторов, электродвигателей, линий электропередачи) с использованием криоре-

зистивности – пониженного электросопротивления при низких температурах и сверхпроводимости;

7) в радиотехнике и электронной технике – для поддержания при низких температурах (криостатирования) электронных приборов элементов радиосис-

тем, а также некоторых элементов счетно-решающих машин;

8)в медицине – для хирургического лечения различных заболеваний путем деструкции биологических тканей при низких температурах (криомедицина);

9)в научно-исследовательских учреждениях и лабораториях – для под-

держания низкой температуры исследуемых тел, создания глубокого вакуума

(вплоть до космического), изготовления приборов и установок для физических исследований, в том числе таких как ускорители элементарных частиц, пузырь-

ковые камеры, «токамаки» и др.

Трансформаторы тепла, в которых осуществляются теплонасосные и ком-

бинированные процессы, имеют пока относительно ограниченное применение.

В современных условиях тепловые насосы целесообразно использовать в некоторых случаях для отопления и горячего водоснабжения в районах, распо-

лагающих низкопотенциальными источниками тепла (например, морской водой при t > 0 °С), в которых применение теплофикации экономически нецелесооб-

разно. Это в основном жилые районы с небольшой расчетной тепловой нагруз-

кой (Q 85 170 МДж/с), а также районы с низкой плотностью тепловой на-

грузки, ниже 0,027 кДж/(с м2) (одно- и двухэтажная застройка), в которых, как правило, применяется индивидуальное отопление от местных котельных или печей.

Кроме того, трансформаторы тепла класса RH могут найти применение в районах с жарким климатом (Средняя Азия и др.) в качестве установок для теп-