7498
.pdfМинистерство 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
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-
плоснабжения – подвода тепла при Tв Tо.с. . Обычно Tв не превышает |
400 |
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-