Трансформаторы_тепла_2013_ЭГиТ Володин

Газовые трансформаторы тепла

Трансформаторы тепла, весь термодинамический цикл которых совершается в области сильно перегретого пара — газа, называются газовыми трансформаторами тепла (ГТТ).

По принципу получения низких температур ГТТ делятся на два типа:

1)ГТТ, в которых эффект охлаждения получается вследствие расширения газа в специальных расширительных машинах — детандерах с отдачей внешней полезной работы;

2)ГТТ, в которых эффект охлаждения (нагрева) получается в вихревых трубах без отдачи полезной работы.

ГТТ, рабочим веществом которых является воздух, называют воздушными трансформаторами тепла (ВТТ). Воздух невзрывоопасен, гигиеничен. Например, может подаваться прямо в охлаждаемое (нагреваемое) помещение.

21

Дросселирование и изоэнтропное расширение

Дросселирование

предпочтительней использовать в паровых трансформаторах тепла, а расширение – в газовых трансформаторах тепла.

22

Расширение с совершением работы системой

Процесс расширения сопровождается изменением давления от р1 до р2 (р1 > р2) в расширительной машине (детандере) с совершением работы системой.

Принимаем, что расширение осуществляется без внутренних потерь и без теплообмена с окружающей средой (ds = 0). Работа

совершается за счет энергии рабочего вещества и поэтому его температура всегда понижается.

Понижение температуры определяется коэффициентом обратимого изоэнтропного расширения αs = (∂Т/∂р)s.

В двухфазной области ср = ∞ и αs = αh.

23

ГТТ с детандером

Тг, Qг

Теплообменник

Qг = Qх + L

24

Вихревой эффект Ранка-Хильша

Воздух при температуре окружающей среды и давлении 0,3–0,5 МПа поступает в цилиндрическую трубу 1 через сопло 2 по касательной к внутренней поверхности трубы. Поступивший в трубу воздух совершает вращательное движение, одновременно перемещаясь от сопла 2 к дросселю 5. При этом через диафрагму 4 (или трубу меньшего диаметра) выходит холодный воздух, а через дроссель 5 по периферии трубы — холодный воздух. Температура холодного воздуха на 30–70 °С ниже начальной температуры воздуха.

Требует больших энергетических затрат.

25

Теплоиспользующие трансформаторы тепла

Теплоиспользующие трансформаторы тепла – пароэжекторные и сорбционные (абсорбционные и адсорбционные) – используют для работы теплоту греющих источников» имеющих температуру 70 – 200 оС. При этом греющими источниками служат теплота при сжигании топлива, пар из котельных или промежуточных отборов ТЭЦ, горячая вода, отходящие пары

и газы технологических производств или других источников вторичных энергоресурсов (ВЭР).

Эффективность применения теплоиспользующих трансформаторов тепла в значительной степени зависит от стоимости теплоты греющих источников,

требуемых температурных потенциалов и практически всегда является высокой при использовании вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), а также при одновременной выработке холода и теплоты.

26

Термоэлектрические трансформаторы тепла

Суть эффекта Пельтье состоит в том, что при прохождении тока на границах двух разных проводников происходит на одном конце поглощение тепла, а на другом его выделение, что положило основу развития самостоятельной области техники – термоэнергетики, которая занимается вопросами термоэлектрического охлаждения и нагрева. Какой из спаев нагревается, а какой охлаждается – зависит от направления тока в цепи.

27

Термоэлемент и модуль

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термоэлемент (рисунок а), состоящий из одного проводника p-типа и одного проводника n-типа. При их последовательном соединении теплота (Q0), поглощаемая на контакте типа n-p, выделяется на контакте типа p-n (Q). ТЭМ представляет собой совокупность таких термоэлементов (рисунок б), обычно соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла. Термоэлементы помещаются между двух керамических пластин.

28

Термодинамические основы обратных циклов

Принципы трансформации тепла

«Холод» – условный термин, который следует понимать как создание

потенциальной возможности восприятия соответствующего количества теплоты на температурном уровне ниже окружающей среды. Другими словами, холод – это теплота, температурный уровень которой ниже температуры окружающей среды.

Окружающая среда характеризуется прежде всего тем, что ее параметры не зависят от работы трансформатора тепла, тепловой машины или какой- либо системы. Таким образом, окружающая среда должна обладать такой теплоемкостью, чтобы любое воздействие на нее вызывало бы настолько малые изменения температуры, что ими можно пренебречь. В реальных условиях примерами такой среды могут служить атмосферный воздух, вода крупных водоемов, горные породы, грунт и т. д.

Параметры окружающей среды должны находиться в полном термодинамическом равновесии. Характеристикой окружающей среды

является возможность реализовать теплообмен между рабочим веществом обратного цикла и окружающей средой без существенных затрат.

29

Классификация обратных циклов

В соответствии со вторым законом термодинамики перенос теплоты от ИНТ к ИВТ возможен при условии подвода энергии извне. Согласно первому закону термодинамики количество теплоты Q, отдаваемой ИВТ, равно сумме количества теплоты Q0, отведенной от ИНТ, и теплового эквивалента энергии L, подведенной извне, т. е.

Q = Q0 + L,

или

q = q0+ I.

Перенос теплоты от ИНТ к ИВТ осуществляется с помощью рабочего вещества (холодильного агента). Термодинамические и физические

свойства рабочего вещества оказывают значительное влияние на показатели обратных циклов. Рабочее вещество совершает обратный цикл за счет механической или другого вида энергии. Различают три разновидности обратных циклов: холодильный цикл, цикл теплового насоса, а также комбинированный (или) теплофикационный цикл.

30

Принцип работы трансформатора тепла

Холодильный цикл (I)

Холодильная машина работает по холодильному циклу I и служит для охлаждения какой-либо среды или поддержания низкой температуры в охлаждаемом помещении в том случае, когда теплота от источника низкой температуры (охлаждаемого объекта) передается окружающей среде.

Согласно первому закону термодинамики работа, необходимая для совершения цикла,

lц = q – q0,

или

lц = lк – Iр.

Энергетическая эффективность холодильного цикла характеризуется холодильным коэффициентом

ε = q0 , (0 < ε < +∞). lц

32

Цикл теплового насоса (II)

В том случае, когда теплота отводится от окружающей среды и передается источнику высокой температуры (потребителю теплоты), цикл II называется циклом теплового насоса. Тепловой насос служит для целей теплоснабжения или динамического отопления.

Энергетическая эффективность цикла теплового насоса характеризуется коэффициентом преобразования (отопительным коэффициентом) ϕ, который определяется количеством теплоты, подводимой к источнику высокой температуры, на единицу затраченной в цикле работы:

ϕ = q , (+1< ϕ < +∞). lц

Между холодильным и отопительным коэффициентами существует связь

33

Комбинированный цикл (III)

Комбинированный (теплофикационный) цикл — это цикл III, при котором

теплота от источника низкой температуры передается источнику высокой температуры.

Так как при помощи трансформатора тепла, работающего по комбинированному циклу, получают одновременно холод и теплоту, то

энергетическая эффективность такого цикла характеризуется двумя коэффициентами ε и ϕ:

ε = q0 , ϕ = q .

lц.х lц.т

34

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Парокомпрессорные трансформаторы тепла имеют наибольшее применение для искусственного охлаждения (холодильные машины) и нагрева [тепловые насосы] в широком интервале температур: от 278 К [323 К] (одноступенчатые трансформаторы тепла) до 113 К [373 К] (каскадные трансформаторы тепла). Их холодо- и

теплопроизводительность охватывает диапазон от нескольких десятков ватт (домашние холодильники) до нескольких тысяч киловатт (холодильные машины и тепловые насосы с центробежными компрессорами). Основной особенностью парокомпрессорных трансформаторов тепла является то, что рабочее вещество, совершая обратный цикл, меняет свое агрегатное состояние и может находиться в состоянии влажного, сухого насыщенного или перегретого пара, а также в жидком состоянии. Основными элементами трансформаторов тепла являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство, в котором происходит расширение рабочего вещества. Существенное влияние на выбор цикла холодильной машины имеют внешние условия, тип компрессора и теплообменных аппаратов, а также рабочее вещество.

35

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Цикл Карно

Тепловой насос можно рассматривать как обращенную тепловую машину.

Тепловая машина получает тепло от высокотемпературного источника и сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу.

Тепловой насос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой.

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Идеальный цикл с механической компрессией пара

С целью приближения к циклу Карно, необходимо стремиться к подводу тепла при условиях, близких к изотермическим. Для этого подбираются рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают тепло при испарении и отдают при конденсации. Эти процессы образуют изотермы цикла.

Парокомпрессорные трансформаторы тепла

Идеальный цикл на p–h диаграмме

Сжатое рабочее тело при высоком давлением покидает компрессор в точке 1. В точке 1 пар перегрет. Прежде чем пар начнет конденсироваться в точке 2, его следует охладить при постоянном давлении. Между точками 2 и 3 происходит конденсация при постоянной температуре (если нет утечек пара).