double arrow

Трансформаторы тепла


Трансформаторами тепла (термотрансформаторами) называются технические системы, в которых осуществляется отвод тепловой энергии от объектов с относительной низкой температурой к приёмникам тепла с более высокой температурой. Такое преобразование (повышение потенциала тепла) не происходит самопроизвольно. Для этого необходимы затраты внешней энергии того или иного вида: электрической, механической, химической, кинематической энергии газа или пара и т.д.

Процессы повышения потенциала тепла классифицируют в зависимости от положения температурных уровней: верхнего теплоприёмника ( ) и нижнего теплоотдатчика ( ) по отношению к температуре окружающей среды ( ).

В том случае, когда температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды ˂ , а теплоприёмника равна температуре окружающей среды = , осуществляющая отвод тепла, система называется рефрижератором (𝑅 - охлаждение).

При и ˃ соответствующий трансформатор тепла называется тепловым насосом.

При температуре теплоотдатчика меньше температуры окружающей среды ( ˂ ) и температуре теплоприёмника больше температуры окружающей среды ( ˃ ), трансформатор тепла осуществляет обе функции - и рефрижератора и теплового насоса и является комбинированным(𝑅𝐻).




Работа рефрижератора заключается в выработке холода, т.е. в отводе в окружающую среду тепла от объектов, температура которых ниже температуры окружающей среды. В зависимости от уровня температуры нижнего теплоотдатчика рефрижераторы делятся на 2 группы:

- при

-при (холод - производить)

Теплонасосная система предназначена для использования тепла, отводимого из окружающей среды или другого низкопотенциального источника для бытового или технологического теплоснабжения, т.е. подвода тепла 400-450°К.

Теплоприёмником называют охлаждающей средой, в которую отводят тепло, в рефрижераторных системах служит обычно окружающая среда (атмосферный воздух/вода), в комбинированных и тепло насосных системах – отапливаемые помещения или обогреваемые элементы технологического аппаратуры.

Наиболее простым эталоном цикла трансформатора тепла может служить обратный цикл Карно, но на практике обычно используют другие процессы и циклы, некоторые процессы, протекают вообще без циклов (проводниковые термоэлементы).

1.1 Область использования.

Трансформаторы тепла имеют широкое применение. Холод до 120°К, получаемый в холодильных установках используют:

1. в сельско-хозяйственной и пищевой промышленности – при заготовке и переработке скоропортящегося сырья;

2. в торговой сети - для хранения и транспортировки пищевых продуктов;



3. на производстве и в быту – кондиционирование воздуха;

4. в технике водоснабжения - для опреснения морской и засоленной воды;

5. в морском и речном флоте – для замораживания и хранения рыбы;

6. в медицинской, биологической и фармацевтической отраслях и т.д.

Также применяются более низкие температуры ниже 120°К, обеспечивающие криогенными установками: в металлургии, машиностроении, в химической и газовой промышленностях, в авиации и космонавтике, радиотехнике.

1.2 Классификация трансформаторов тепла

Установки для трансформации тепла классифицируются по ряду признаков:

1.по принципу работы;

2.по характеру трансформации;

3.по характеру протекания процессов во времени.

По принципу работы установки делятся на два вида:

1) термомеханические системы ‒ принцип основан на процессах повышения и понижения давления какого-либо рабочего тела;

2) электромагнитные системы ‒ принцип основан использовании постоянных или переменных электрических и магнитных поле.

В свою очередь термомеханические в зависимости от способа повышения давления рабочего тела делятся на три группы:

a) компрессионные ‒ повышение давления посредством механического или термического воздействия на рабочий агент.

В свою очередь они делятся на:

1. парожидкостные

2. газожидкостные

3. газовые

В компрессионных установках чаще всего используется электрическая или механическая энергия.

b). сорбционные ‒ принцип основан на повышении давления рабочего тела при последовательном осуществлении термохимических реакций поглощения(сорбций) рабочего агента соответственно сорбентом с отводом тепла , а затем выделения(десорбции) рабочего агента и сорбента, сопровождается с отводом тепла.



Сорбционные делятся на:

1. абсорбционные

2. адсорбционные

С помощью процессов сорбции и десорбции выполняются процессы, аналогичные процессам всасывания и нагнетания, совершаемые механическими и термомеханическими компрессорами.

c).струйные установки ‒ основаны на использовании кинетической энергии потока пара/газа для повышения давления рабочего агента.

Струйные установки делятся:

I. закрытые термодинамические системы (рабочее тело осуществляет цикл)

II. открытые термодинамические системы (процесс разомкнут)

В свою очередь открытие, т.е. Электромагнитные установки нашли практическое применение в четыре типа трансформаторов тепла:

· термоэлектрические системы

· магнетокалорические системы

· термомагнитные системы

· электрокалорические системы

На рисунке 1 показаны характерные температурные зоны использования трансформаторов тепла различного назначения.

Рисунок 1- характерные температурные зоны использования трансформаторов тепла различного назначения

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

При повышающей, подведенное к установке тепло при температуре По этой схеме работают большинство рефрижераторных, комбинированных, теплонасосных установок.

Рисунок 2 ‒ Принципиальная схема циклов трансформаторов тепла на T,s ˗ диаграмме. а ‒ рефрижератор; б ‒ тепловой насос; в ‒ комбинированный трансформатор тепла.

Процессы во всех трансформаторах тепла трех описанных видов (R,H и RH) на рисунке 2.

Анализ диаграмм всех трех видов показывает, что температурные границы циклов всегда шире интервала между температурами теплоотдатчика и теплоприемника. Это обусловлено требования внешнего теплообмена. В верхней части цикла, где тепло отдается рабочим телом, его температура должна быть выше или , в нижней части рабочее тело, получающее тепло или должно иметь температуру ниже или

При расщепительной трансформации к установке подводится теплота ,которая в установке расщепляется на два потока: низкого и повышенного потенциала. Работа осуществляется за счет подведенного теплового потока среднего потенциала.

Схема такого цикла показана на рисунке 3а. Здесь необходимы два цикла.

Рисунок 3 ‒ Цикл и принципиальная схема расщепительной трансформации тепла. а ‒ цикл; б ‒ принципиальная схема; I ‒ компрессор; II ‒ детандер.

Первый 1-2-3-4 прямой: служит для получения работы L при использовании тепла среднего потенциала подводимого на уровне . Работа используется для осуществления обратного цикла 5-6-7-8, служащего для отвода тепла со среднего уровня на верхний . Примером систем второго вида служит установка 3б.

К установке подводится поток газа при давлении и температурой Этот поток разделяется на две части: одна часть с расходом поступает в детандер (турбина) II и расширяется в нем при изменении давлений с до . В процессе расширения температура газа понижается с до ˂ Другая часть газа с поступает в компрессор I и сжимается в нем при изменении давления с до . В процессе сжатия температура газа повышается с до . Привод компрессора I осуществляется от детандера (работа L передается от детандера компрессору). В результате использования подведенного потока газа при ˃ происходит разделение потока на две части: поток с низкой температурой и поток с повышенной температурой .

Первый служит для охлаждения, второй – для нагрева. Расщепительная трансформация тепла осуществляется в струйных вихревых установках и некоторых абсорбционных.

По характеру протекания процесса во времени, установки делятся на:

1. непрерывного действия

2. периодического действия

Первые работают в течение всего срока между плановыми остановками. Их характеристики меняются только в пределах, определяемых регулированием. Вторые работают периодически по определенному временному графику, когда периоды получения холода/тепла чередуются с периодами, когда холод/тепло не производится установками. Установки периодического действия обычно термодинамически менее эффективны, но экономически выгодны.

Основное промышленное применение находят трансформаторы компрессионного, сорбционного струйного типов.







Сейчас читают про: