7498

10

лоснабжения в отопительный период и как холодильные установки в летний период для охлаждения воздуха. Трансформаторы тепла используются также в технологических установках химической, пищевой и других отраслей промыш-

ленности, где имеются процессы ректификации, сушки, сублимации и др., свя-

занные с подогревом до температур не выше 400 500 К.

Комбинированные трансформаторы тепла используются в тех случаях,

когда экономически выгодно сочетание нагрева и охлаждения в одной системе.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛА

Установки для трансформации тепла могут быть классифицированы по ряду признаков: по принципу работы, по характеру трансформации, по харак-

теру протекания процессов во времени.

По принципу работы установки для трансформации тепла можно разде-

лить на два вида: термомеханические системы, принцип работы которых осно-

ван на использовании процессов повышения и понижения давления какого-

либо рабочего тепла, и электромагнитные системы, принцип работы которых основан на использовании постоянных или переменных электрического, или магнитного полей.

Установки первого вида, наиболее распространенные, в зависимости от способа повышения давления рабочего тела делятся на три группы: компресси-

онные, сорбционные и струйные.

Принцип работы компрессионных установок основан на повышении дав-

ления посредством механического или термического воздействия на рабочий агент.

Компрессионные установки делятся на парожидкостные, газо-

жидкостные и газовые. В парожидкостных и газожидкостных установках агре-

гатное состояние агента в процессе работы изменяется (конденсация сжатого и испарение расширенного агента). В первом случае сжатие ведется при темпера-

турах ниже критической (в области пара) и близких к ней; во втором – при тем-

11

пературах, существенно превышающих критическую.

В газовых установках агрегатное состояние агента в процессе работы не изменяется, поскольку везде температура рабочего тела T > Tкр.

На рис. 3 на Т-s диаграмме показаны возможные агрегатные состояния индивидуального вещества. Между правой и левой пограничными кривыми выше температуры тройной точки Т > Т (область П + Ж вещество может су-

ществовать только в двухфазном состоянии (в виде парожидкостной смеси),

причем на правой или левой пограничной кривой вещество переходит в одно-

фазное состояние – сухой насыщенный пар или жидкость.

Рис. 3. Возможные агрегатные состояния вещества на Т-s диаграмме

Между пограничными кривыми ниже температуры тройной точки Т < Тт.т.

(область Т + П) вещество может существовать только в виде двухфазной смеси пара и твердого тела. При этом на пограничных кривых вещество находится в однофазном состоянии: на правой кривой – пар, на левой – твердое тело. Меж-

ду критической температурой Ткр и правой пограничной кривой (область ПП)

вещество находится в состоянии перегретого пара, при температуре выше кри-

тической Т > Ткр и давлении ниже критического p < pкр (область Г) – в состоя-

нии газа; в этой области оно не может быть превращено в жидкость путем изо-

термического сжатия. При Т > Ткр и р < ркр (область П) вещества условно счи-

таются в парообразном состоянии.

При температуре ниже критической Т < Ткр область левее левой погра-

12

ничной кривой делится на три зоны: над пограничной кривой жидкости (об-

ласть Ж) – зона жидкости; над изотермой тройной точки Тт.т. (область Т + Ж) –

зона двухфазного состояния жидкости и твердой фазы; левее пограничной кри-

вой твердого тела (область Т) – зона твердого тела.

Пользуясь диаграммой на рис. 3, можно показать область изменений аг-

регатного состояния всех трех типов трансформаторов тепла – парожидкост-

ных, газожидкостных и газовых.

На рис. 4 на Т-s диаграмму нанесены температурные границы работы трансформатором тепла и области различных агрегатных состояний рабочего тела. Диаграмма а относится к парожидкостным установкам, б – к газожидко-

стным и в – к газовым.

Рабочие тела некоторых видов установок, относящихся к группам а и б,

могут частично заходить и в область Тн < Тт.т.

Рис. 4. Области парожидкостного а), газожидкостного б) и газового в) компрессионных циклов на T-s диаграмме

Область работы трансформаторов тепла между Тв и Тн отмечена заштри-

хованной полосой в левой части диаграммы.

В компрессионных установках используется электрическая или механи-

ческая энергия. В некоторых случаях, например в так называемых термомеха-

нических компрессорах, сжатие осуществляется путем использования потока тепла при T Tо.с..

13

Принцип работы сорбционных установок основан на повышении давле-

ния рабочего тела при последовательном осуществлении термохимических ре-

акций поглощения (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом с отводом тепла, а затем выделения (десорбции) рабочего агента из сорбента, со-

провождаемого подводом тепла.

В этих установках используется свойство ряда пар веществ изменять тем-

пературу при адиабатном смешении (экзо- и эндотермическое смещение) или соответственно выделять либо поглощать тепло в изотермических условиях.

С помощью процессов сорбции и десорбции в сорбционных установках выполняются функции, аналогичные процессам всасывания и нагнетания, со-

вершаемых механическими или термомеханическими компрессорами. Такой способ компрессии называется термохимическим.

Сорбционные установки делятся на абсорбционные и адсорбционные. В

абсорбционных установках сорбция осуществляется в массе (внутри) абсорбен-

та через границу раздела жидкой и паровой фаз. В адсорбционных установках процесс сорбции происходит на развитой поверхности адсорбента, находяще-

гося, как правило, в твердом виде.

Для осуществления процесса трансформации тепла в сорбционных уста-

новках используется внешняя энергия в форме потока тепла при T Tо.с.. Агре-

гатное состояние рабочего агента в сорбционных установках обычно меняется:

по этому признаку они относятся либо к парожидкостным, либо (реже) к газо-

жидкостным. В последнее время появились сорбционные установки, работаю-

щие на газе (например, водородные).

Струйные установки основаны на использовании кинетической энергии потока пара или газа для повышения давления рабочего агента. Струя пара или газа, выходящая с большой скоростью из сопла, создает эжектирующий эф-

фект, в результате которого происходит всасывание, а затем сжатие рабочего тела.

Струйные установки могут представлять собой как закрытые термодина-

мические системы, рабочее тело в которых осуществляет термодинамический

14

цикл, так и открытые, в которых процесс разомкнут.

В первых одно или несколько рабочих тел циркулируют в замкнутом контуре (или в нескольких контурах); во-вторых, рабочее тело (или несколько рабочих тел) поступает в систему с одними параметрами, а выходит из нее с другими.

Струйные установки по характеру изменения состояния рабочего тела обычно относятся к парожидкостным.

Среди установок второго вида, т.е. электромагнитных установок, нашли некоторое практическое применение четыре типа трансформаторов тепла:

1) термоэлектрические системы, основанные на эффекте Пельтье. Про-

цесс трансформации тепла в этих установках осуществляется путем непосред-

ственного использования постоянного электрического поля в последовательно соединенных разнородных полупроводниках (полупроводниковые трансформа-

торы тепла). При пропускании через эти элементы электрического тока на спа-

ях между ними возникает разность температур. При подводе к холодным спаям тепла низкого потенциала от горячих спаев отводится тепло повышенного по-

тенциала; 2) магнитокалорические системы, в которых процесс трансформации теп-

ла осуществляется последовательным намагничиванием и размагничиванием па-

рамагнетиков или ферромагнитных тел, температура которых повышается при увеличении напряженности магнитного поля и снижается при ее уменьшении;

3) термомагнитные системы, основанные на совместном действии маг-

нитного и электрического полей на полупроводники (эффект Эттингсхаузена); 4) электрокалорические системы, основанные на действии электрическо-

го поля на сегнетоэлектрики.

Наибольшее распространение из установок второго вида получили тер-

моэлектрические трансформаторы тепла; остальные пока используются только в отдельных случаях.

15

Рис. 5. Цикл и принципиальная схема расщепительной трансформации тепла. а) – цикл; б) – принципиальная схема; I – компрессор; II – детандер

По характеру трансформации тепла все установки можно разделить на две группы – с повышающей и расщепительной трансформацией.

При повышающей трансформации тепло, подведенное к установке при температуре Тн отводится от нее с более высокой температурой Тв. По повы-

шающей схеме работает большинство рефрижераторных, теплонасосных и комбинированных установок. Все циклы, схемы которых показаны на рис. 2,

относятся к этой группе.

При расщепительной трансформации к установке подводится поток теп-

ла Qc среднего потенциала с температурой Тс, который в установке делится

(расщепляется) на два потока – низкого Тн и повышенного Тв потенциала. Рабо-

та осуществляется за счет подведенного теплового потока среднего потенциала.

Схема такого цикла показана на рис. 5 а. Здесь в отличие от системы по-

вышающей трансформации необходимы два цикла. Первый 1-2-3-4 – прямой,

он служит для получения работы L при использовании тепла среднего потен-

циала Qc, подводимого на уровне Тс > То.c. Работа L используется для осуществ-

ления обратного цикла 5-6-7-8, служащего для отвода тепла со среднего уровня

Тс на верхний Тв.

Как и для повышающих трансформаторов, аналогичный результат может быть получен не только с помощью циклов, но и посредством разомкнутого

16

процесса (и даже вообще без изменения состояния рабочего тела – при исполь-

зовании электромагнитных явлений в полупроводниках). Примером системы второго вида может служить установка, принципиальная схема которой показа-

на на рис. 5 б.

К установке подводится поток газа Gc при давлении рс и температуре

Тс>То.с. Этот поток разделяется на две части. Одна часть с расходом Gн поступа-

ет в детандер (турбину) 2 и расширяется в нем при изменении давления с рс до

рн. В процессе расширения температура газа понижается с Тс до Тн < То.с.. Дру-

гая часть газа с расходом Gв поступает в компрессор 1 и сжимается в нем при изменении давления с рс до рв. В процессе сжатия температура газа повышается от Тс до Тв. Привод компрессора 1 осуществляется от детандера (работа L пере-

дается от детандера компрессору).

Таким образом, в рассматриваемой установке в результате использования подведенного потока газа при Тс > То.с. происходит разделение потока на две части: поток Gн с низкой температурой Тн и поток Gв с повышенной температу-

рой Тв. Первый из них может быть использован для охлаждения, второй – для нагрева.

Расщепительная трансформация тепла осуществляется в струйных вихре-

вых установках и в некоторых типах абсорбционных.

По характеру протекания процесса во времени установки делятся на две группы – непрерывного действия и периодического действия. Первые работают в течение всего срока между плановыми остановками непрерывно; их характе-

ристики меняются только в пределах, определяемых регулированием. Вторые работают периодически по определенному временному графику, когда периоды получения холода (или тепла) чередуются с периодами, когда холод (или тепло)

не производится. Установки периодического действия обычно термодинамиче-

ски менее эффективны, но экономически часто могут быть более выгодными из-за меньших габаритов и меньшего числа элементов оборудования благодаря возможности совмещения разных функций в одном аппарате.

До последнего времени основное промышленное применение находили

17

трансформаторы тепла компрессионного, сорбционного (абсорбционного) и

струйного (эжекторного) типов; особенно широко использовались компресси-

онные установки.

В последние годы созданы образцы полупроводниковых трансформато-

ров тепла, отличающиеся простотой устройства и эксплуатации.

Эти трансформаторы изготовляются в виде установок небольшой еди-

ничной производительности, работающих в относительно малых интервалах температур Тв и Тн. Несмотря на сравнительно низкий КПД, они могут приме-

няться для индивидуального теплоснабжения (отопления и охлаждения отдель-

ных помещений), главным образом в районах с теплым климатом, а также для охлаждения объектов с малыми тепловыделениями.

Ведется интенсивная разработка и новых видов трансформаторов тепла на основе применения электрических и магнитных полей (электрокалорические и магнитокалорические системы [3]). Исследуются также нагнетательные (ком-

прессоры, насосы) и расширительные (детандеры) устройства, в которых ис-

пользуется взаимодействие электрического поля с конденсированным рабочим телом (например, электрогазодинамические детандеры [4]).

Постепенно расширяется также область использования струйных устано-

вок вихревого типа (вихревая труба), отличающихся исключительной просто-

той конструкции. Их преимущества проявляются там, где имеется источник сжатого газа, исключающий необходимость в специальном компрессоре.

Поэтому вихревые трубы целесообразно применять в первую очередь в районах, располагающих ресурсами естественного сжатого газа (природный или попутный газ), а также на предприятиях и в отдельных системах (напри-

мер, транспортных), имеющих избытки сжатого воздуха.

В ближайшие годы следует ожидать более широкого внедрения абсорб-

ционных холодильных установок, использующих тепло вторичных энергоре-

сурсов промышленных предприятий для технологического хладоснабжения, а

также для установок кондиционирования воздуха.

В СССР, где основной метод теплоснабжения промышленных районов и

18

городов – теплофикация, целесообразно широко использовать абсорбционные и эжекционные холодильные установки для выработки холода в системах конди-

ционирования воздуха на базе отработавшего тепла теплоэлектроцентралей.

Применение этих установок позволяет повысить тепловую нагрузку теп-

лоэлектроцентралей в летний и переходные (осенний и весенний) периоды,

благодаря чему выравнивается годовой график тепловой нагрузки отборов тур-

бин и возрастает комбинированная выработка электрической энергии на ТЭЦ.

Рациональный метод трансформации тепла должен выбираться на основе технико-экономических расчетов с учетом основных направлений и перспектив развития энергетики и техники трансформации тепла.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Что такое термотрансформаторы и где они находят применение?

2.Чем рефрижератор отличается от теплового насоса?

3.Приведите примеры низкопотенциальных источников теплоты.

4.Классификация трансформаторов тепла.

5.Область применения комбинированных трансформаторов тепла.

6.Что такое расщепительная трансформация тепла?

19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бродянский, В.М. Вопросы классификации и терминологии криоген-

ной техники / В.М. Бродянский, М.Ю. Боярский, Ю.В. Синявский и др. – М.:

ЦИНТИхимнефтемаш, 1976. – 40 с.

2. Кириллин, В.А. Техническая термодинамика: учеб. для вузов / В.А.

Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд.

дом МЭИ, 2008. – 496 с.

3. Бродянский, В.М. Термодинамические основы криогенной техники /

В.М. Бродянский, А.М. Семенов. – М.: Энергия, 1980. – 448 с.

4. Соколов, Е.Я. Энергетические основы трансформации тепла и процес-

сов охлаждения / Е.Я. Соколов, В.М. Бродянский. – М.: Энергоиздат, 1981. – 320 с., ил.