6.4 Трансформаторы теплоты и тепловые трубы, тепловые насосы
Трансформаторами теплоты называются устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой (теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой (теплоприемнику). Они подразделяются на холодильные установки и теплонаносные установки.
В холодильных установках температура теплоотдатчика ТН ниже температуры окружающей среды ТО (ТН < ТО), тогда как температура теплоприёмника ТВ равна температуре окружающей среды (ТВ= ТН).
В теплонаносных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, тогда как температура теплоприёмника значительно выше температуры окружающей среды.
Трансформатор теплоты может работать как в режиме холодильной установки, так и в режиме теплового насоса, либо одновременно в двух режимах. Такой процесс называется комбинированным. В комбинированной установке происходит одновременно выработка теплоты и холода.
Тепловые насосы являются разновидностью трансформаторов теплоты и предназначены для получения теплоносителя среднего и повышенного потенциала, используемого на тепловом потреблении. Тепловой насос представляет устройство для переноса тепловой энергии от теплоотдатчика с низкой температурой к теплоприемнику с высокой температурой. Принцип работы его тот же, что и компрессионного холодильника, с той разницей, что назначение холодильника заключается в производстве холода, а теплового насоса - в производстве теплоты (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема компрессионного теплового насоса
В холодильнике компрессор сжимает газ, обладающий определенными свойствами, и нагнетает его в конденсатор, охлаждаемый водой или воздухом. При охлаждении газ конденсируется и просачивается через дросселирующий клапан, поступает в испаритель. Здесь жидкость опять переходит в газообразное состояние и обратно засасывается в компрессор для сжатия. На испарение расходуется тепловая энергия, которая поступает от охлаждаемой среды.
Тепловой насос в отличие от холодильника отдает теплоту от конденсатора на нагревание теплотранспортирующей среды, которая переносит тепло к месту его использования в то время как к испарителю подводится теплота от внешнего источника. Когда компрессор приводится в действие электрическим двигателем или другим механическим приводом, то такой тепловой насос называется компрессорным. Когда для привода компрессора используется тепловая энергия и в рабочем цикле участвует пара рабочих сред, состоящая из хладоносителя и абсорбента, то тепловой насос называетсяабсорбционным. Коэффициент полезного действиятеплового насоса равен отношению тепловой энергии, полученной рабочей жидкостью (газом) в испарителе, к электрической энергии или другой, использованной для приведения в действие компрессора. Он больше единицы. Практически тепловые насосы, приводимые в действие при помощи электродвигателя, позволяют увеличить количество получаемой тепловой энергии в 2,5-3,3 раза по сравнению с тепловым эквивалентом электрической энергии, затрачиваемой на приведение в действие теплового насоса.
Рабочими агентамитепловых насосов служат фреон-11, фреон-21, фреон-113, фреон-114, фреон-142, газы и газовые смеси (в т. ч. и воздух), имеющие при атмосферном давлении низкую температуру кипения Тепловые насосы можно использовать в качестве индивидуальных систем обогрева жилых домов, отдельно стоящих зданий и сооружений, насосных (канализационных, водоснабжения) и т. п. Так, для теплоснабжения отдельно стоящих различных насосных станций в настоящее время, как правило, используют электроколориферы или различные теплоэлектронагреватели (ТЭНы).
Тепловая труба представляет собой герметизированную конструкцию (трубу), частично заполненную жидким теплоносителем (рисунок 2). Она способна передавать большие тепловые мощности при малых градиентах температуры.
Высокая теплопередающая способность ее достигается за счет того, что в тепловой трубе осуществляется конвективный перенос теплоты, сопровождаемый фазовыми переходами (испарением и конденсацией) жидкости - теплоносителя. При подводе теплоты к одному концу тепловой трубы жидкость нагревается, закипает и превращается в пар. При этом она поглощает большое количество теплоты, которое переносится паром к другому, более холодному концу трубы, где пар конденсируется и отдает поглощенную теплоту. Далее сконденсированная жидкость опять возвращается в зону испарения. Этот возврат может осуществляться разными способами. Самый простой из них заключается в использовании силы тяжести. При вертикальном расположении тепловой трубы, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, жидкость стекает вниз непосредственно под действием силы тяжести. Такой вариант тепловой трубы называется термосифоном.
Рисунок 2 -Принципиальная схема тепловой трубы
В наиболее распространенных типах тепловых труб для возврата жидкости в зону испарения используют капиллярные эффекты. Для этого на внутренней поверхности тепловой трубы располагают слой капиллярно-пористой структуры (фитиль), по которому под действием капиллярных сил происходит обратное движение жидкости. Фитиль может быть выполнен из нескольких слоев тонкой сетки. Из трубы откачивается воздух, и она плотно закрывается.
В тепловой трубе различают три участка: зону подвода теплоты, или участок испарения; зону переноса теплоты, или адиабатный участок; зону отвода теплоты, или участок конденсации.
Теплоносителямив тепловой трубе могут выступать различные вещества: ацетон, аммиак, фреоны, вода, ртуть, индий, цезий, калий, натрий, литий, свинец, серебро и неорганические соли.
Основными преимуществами тепловых труб являются: высокая эффективность теплопередачи, автономность работы, малая масса и габариты, высокая надежность, возможность реализации сложных теплопередающих функций, высокая изотермичность поверхности трубы. Для изготовления корпусов и капиллярных структур используются стекло, керамика, различные металлы и сплавы.
Наиболее характерными областями применениятепловых труб являются энергетика, машиностроение, электроника, химическая промышленность, сельское хозяйство. В сельском хозяйстве применяются теплообменники на тепловых трубах при утилизации теплоты выбросного воздуха от животноводческих помещений (тип УТ-12 и т. д.). Теплообменник такого типа является разновидностью рекуперативного аппарата с промежуточным теплоносителем. Конструктивно теплообменники выполняются из набора тепловых труб. В зависимости от агрегатного состояния теплоносители, омывающие испарительную и конденсационную зоны, разделяются на три типа: газ - газ (воздух - воздух); газ - жидкость; жидкость - жидкость.
Использование тепловых труб при утилизации ВЭР позволяет не только повысить эффективность работы энергетических установок, но и во многих случаях уменьшить загрязнение окружающей среды.