Раздел 6. Трансформаторы теплоты
Общие сведенияУстройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой Тн (теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой Тв (теплоприемнику), называются трансформаторами теплоты. Чтобы осуществить такое преобразование теплоты, необходимо затратить внешнюю энергию: механическую, электрическую, химическую и др. в зависимости от того на каком температурном уровне по отношению к температуре окружающей среды То (обычно принимают равной 20˚С) работают трансформаторы теплоты, они подразделяются на холодильные и теплонасосные установки.
В холодильных установках температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды, т.е. Тн< То, а температура теплоприемника равна температуре окружающей среды, т.е. Тв = То .
В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, а температура теплоприемника значительно выше температуры окружающей среды, т.е. Тн ≥ То и Тв >> То .
Трансформатор теплоты может работать одновременно как холодильная и теплонасосная установка; при этом Тн< То и Тв > То. Такой процесс называют комбинированным. На рис. 9-1 приведены принципиальные схемы работы трансформаторов теплоты.
Холодильный процесс (рис. 9-1, а) протекает следующим образом. Охлажденное тело А отдает теплоту хладоагенту при температуре Тн< То ; затем в холодильной машине за счет подведенной механической энергии l происходит повышение температуры хладоагента до температуры То. Нагретый хладоагент передает в окружающую среду количество теплоты qв = qн + l . Процесс в тепловом насосе (рис. 9-1, б ) протекает аналогично, но при других температурных потенциалах, в соответствии с назначением установки – передать нагреваемому телу Б часть теплоты окружающей среды с более низкой температурой.
Таким образом, в холодильных установках осуществляется искусственное охлаждение тел, температура которых ниже температуры окружающей среды.
В теплонасосных установках используется теплота окружающей среды или других низкопотенциальных сред для целей теплоснабжения.
В настоящее время искусственный холод широко применяется в промышленности, на транспорте, в сельском хоз-ве, а также в быту.
Применение искусственного холода способствует обеспечению и усовершенствованию технологических процессов, повышению качества продукции, эффективному развитию ряда ведущих отраслей народного хозяйства, возникновению новых отраслей техники и улучшению условий труда и бытовых условий населения.
Приведем несколько примеров использования искусственного холода в промышленности:
1. металлургическая промышленность – охлаждение и осушка дутьевого воздуха для повышения выхода металла при выплавке чугуна и стали;
2. металлообрабатывающая промышленность - получение кислорода и инертных газов для сварки и резки металлов, термическая обработка металлов;
3. химическая промышленность - регулирование направлений и скорости химических реакций, ожижение газов;
4. нефтяная промышленность - очистка масла от парафина и других легкозастывающих компонентов.
Используется холод также в газовой, горной, пищевой, медицинской, парфюмерной промышленности, энергетике, авиации и космонавтике, торговой сети, научно-исследовательских лабораториях, спортивных сооружениях, для кондиционирования воздуха в зданиях различного назначения и т.д.
Источником низкопотенциальной теплоты в теплонасосных установках служат естественная среда (воздух, вода, грунт) или промышленные отходы теплоты.
Основным условием, благоприятствующим использованию тепловых насосов, является сравнительно небольшой перепад между температурами теплоприемника Тв и теплоотдатчика Тн. Поэтому при использовании промышленных отходов теплоты тепловые насосы, при прочих равных условиях, расходуют меньшее количество механической энергии, чем при использовании теплоты окружающей среды.
Установки для трансформации теплоты различают по следующим признакам:
по принципу работы;
по виду цикла;
по характеру трансформации;
по периодичности.
По принципу работы трансформаторы подразделяются на : компрессионные (паровые и газовые), сорбционные, струйные, термоэлектрические и магнитные установки.
По виду осуществляемого процесса различают трансформаторы теплоты, работающие по замкнутому циклу и по разомкнутому процессу.
В первой группе трансформаторов рабочий агент циркулирует в замкнутом контуре (паровые компрессионные, абсорбционные и некоторые газовые и струйные эжекторные установки).
Во второй группе агент при работе полностью или частично выводится из установки (в виде полезного продукта или отхода). Взамен отведенного в установку подается такое же количество рабочего агента извне.
По разомкнутому процессу работают установки для ожижения и замораживания газов и в ряде случаев – газовые компрессионные и струйные установки.
По характеру трасформации различают повысительные и расщепительные установки.
В установках, работающих по повысительной схеме, подведенная низкопотенциальная теплота преобразуется в высокопотенциальную; по этой схеме работает большинство холодильных, теплонасосных и комбинированных установок (см. рис. 9-1).
В расщепительных схемах поток теплоты среднего потенциала расщепляется на два потока теплоты – низкого и повышенного потенциала. Работа установки осуществляется за счет энергии теплового потока среднего потенциала. По расщепительной схеме работают струйные вихревые установки и некоторые типы компрессионных и абсорбционных установок.
По периодичности работы различают трансформаторы теплоты непрерывного и периодического действия.
Установки периодического действия применяются для некоторых типов трансформаторов теплоты (абсорбционные установки) небольшой производительности. Они могут быть выполнены с меньшим числом элементов оборудования благодаря возможности совмещения функций отдельных элементов установки в одном аппарате.