Классификация термотрансформаторов

Горбенко В.И.

К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й

по дисциплине

«Теплонасосные и холодильные установки»

 

Челябинск

1998
1. ВВЕДЕНИЕ

 

       Термотрансформатор (TT) - энергетическая установка, применяемая для передачи энергии в форме тепла от объектов с более низкой температурой Тн (нижний источник тепла - НИТ) к теплоприемникам с более высокой температурой Тв (верхний источник тепла - ВИТ).

       Если НИТ имеет температуру ниже температуры окружающей среды Тн < Тос, то установки называются рефрижераторами или холодильниками. Им присваивается класс R - refrigerate.

       Если НИТ имеет температуру выше температуры окружающей среды Тн ³ Тос, то установки называются тепловыми насосами. Им присваивается класс H - heat.

       Если Тн £ Тос £ Тв, то установки называются комбинированными. Им присваивается класс RH.

           

Принципиальная схема циклов ТТ на T-S-диаграмме:

 

T                                    T                                 T

                                                           

T_В               Q_В                  3                2           3                2

                                

 T_OC  3                2 L_K

                                                                           4                         1

 L_Д                                                                                            4                 1

       4                 1                                                                            

                                                                                                           

                   Q_H

 

Lк - энергия компрессора;

Lд - энергия детандера;

Qн - энергия, отведенная от НИТ;

Qв - энергия, подводимая к ВИТ.

 

1-2 - сжатие рабочего тела в компрессоре (КМ);

2-3 - отвод тепла к ВИТ;

3-4 - расширение рабочего тела в детандере;

4-1 - подвод тепла к рабочему телу от НИТ.

 

       Энергетический баланс идеального термотрансформатора:

Qн + Lк = Qв + Lд

 

Принципиальная схема идеального термотрансформатора:

                    Q_В

       ТО

L_Д        ДТ                  КМ L_K

                   ТП

                Q_H

       Для ТТ класса R  НИТ является температура охлаждаемых объектов, т.е. Тв = Тос.

       Для ТТ класса H  НИТ является температура нагреваемой среды (вода, воздух, отопление).

 

       Обозначения:

ХЛУ (R) - хладоустановки;

ТНУ (H) - теплонаносные установки.

 

ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

 

 

В холодильных установках различаютискусственное и естественное охлаждение. Естественное охлаждение осуществляется за счет естественных природных источников.

       График зависимости температуры замерзания соляного раствора от концентрации соли:

 

                                                                   

 

 

 

                    К

 

                                      

           

Точка К – криогидратная точка (самая низкая температура замерзания при определенной концентрации).

           

Искусственное охлаждение связывают с машинным способом получения холода.

Холодильные машины осуществляют термодинамический цикл с помощью следующих рабочих тел: аммиак, углекислота, фреоны, газы. Это - хладагенты.

 

Принцип охлаждения:

 

                                                                       

хладагент

 

Q_ПР

 

Т_ОС >Т_Н  >Т_О

 

Т_О  - температура кипения хладагента;

Q_ПР – притоки тепла;

Q₀ – тепло, передаваемое хладагенту от объекта тепла.

 

       Количество тепла, поглощаемое 1 кг хладагента, называется удельной (массовой) холодопроизводительностью, q₀, Дж/кг.

       Количество тепла, отводимое установкой от охлаждаемого объекта в единицу времени, называется полной холодопроизводительностью, Q₀, Вт.

 

Q₀ = G_ХА * q₀, где Gха - расход хладагента, кг/c.

ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

       Теплонаносная установка - это энергоустановка, использующая низко потенциальные источники тепла (отработанный пар, воздух, вода) для нагрева (отопления) различных технологических объектов, процессов, помещений, где теплоносителями являются горячая вода или воздух.

       В настоящее время t_В = 120...170 ⁰С. В качестве рабочих тел чаще всего используются фреоны и воздух.

 

Тн ³ Tос, Тв = Тнагр.ср.

 

       Целесообразно использовать ТНУ при соотношении двух показателей:

 

Sт / Sэ > 1.8, где Sт - стоимость условного топлива, руб/т;

                   Sэ - стоимость электроэнергии в этом же районе, руб/кВт ч.

 

Основные понятия:

1)  удельная теплопроизводительность q, Дж/кг – количество тепла, отдаваемое нагреваемой среде 1 кг рабочего тела;

2)  полная теплопроизводительность Qтп, Дж/с (Вт) - количество тепла, отдаваемое нагреваемой среде в единицу времени.

 

СГОРАНИЯ

В атмосферу

 

 

И

PB

ДВС

KM

 

K

CH

 

ЦИКЛ КЛОДА

 

       Дополнительное охлаждение газа можно проводить не только с использованием внешнего охлаждения, но и с применением внутреннего охлаждения с помощью детандера. Преимущество таких процессов в том, что в них может использоваться в качестве рабочего тела часть охлаждаемого газа. Отсутствие дополнительных хладагентов позволяет значительно упростить установку.

           

 

 

Принципиальная схема и изображение в T-S – диаграмме цикла Клода:

Q_OC

2                       Т

KM                                                              2

3                    1

PT1                                                                3

10                                                         4

ДТ                        РТ2                                                                             10

5                                               6

РТ3                                                                5

7                      9

7

РВ

И                                           8   9

8          Q_O

В схеме могут использоваться как поршневые, так и центробежные детандеры.

 

39. ОЖИЖЕНИЕ И ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГАЗОВ

 

       Газ в жидком состоянии более экономично хранить и транспортировать. Ожиженные и замороженные газы (O₂, N₂, CO₂, CH₄, H₂ и другие) находят широкое применение в качестве хладагентов как в промышленности, так и в для научно – исследовательских работ. Например, в пищевой промышленности используется замороженный газ CO₂, который называется ”сухой лед”.

           

Схема трехступенчатой углекислотной установки для производства ”сухого льда”:

 

ГСЛ – генератор “сухого льда”.

 

       Установки для ожижения технических газов работают по тем же принципам, что и газожидкостные термотрансформаторы (циклы Линде, Клода), за исключением того, что эти циклы разомкнуты (они называются квазициклы или процессы).

 

           

Схема процесса Линде:

 

 

Горбенко В.И.

К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й

по дисциплине

«Теплонасосные и холодильные установки»

 

Челябинск

1998
1. ВВЕДЕНИЕ

 

       Термотрансформатор (TT) - энергетическая установка, применяемая для передачи энергии в форме тепла от объектов с более низкой температурой Тн (нижний источник тепла - НИТ) к теплоприемникам с более высокой температурой Тв (верхний источник тепла - ВИТ).

       Если НИТ имеет температуру ниже температуры окружающей среды Тн < Тос, то установки называются рефрижераторами или холодильниками. Им присваивается класс R - refrigerate.

       Если НИТ имеет температуру выше температуры окружающей среды Тн ³ Тос, то установки называются тепловыми насосами. Им присваивается класс H - heat.

       Если Тн £ Тос £ Тв, то установки называются комбинированными. Им присваивается класс RH.

           

Принципиальная схема циклов ТТ на T-S-диаграмме:

 

T                                    T                                 T

                                                           

T_В               Q_В                  3                2           3                2

                                

 T_OC  3                2 L_K

                                                                           4                         1

 L_Д                                                                                            4                 1

       4                 1                                                                            

                                                                                                           

                   Q_H

 

Lк - энергия компрессора;

Lд - энергия детандера;

Qн - энергия, отведенная от НИТ;

Qв - энергия, подводимая к ВИТ.

 

1-2 - сжатие рабочего тела в компрессоре (КМ);

2-3 - отвод тепла к ВИТ;

3-4 - расширение рабочего тела в детандере;

4-1 - подвод тепла к рабочему телу от НИТ.

 

       Энергетический баланс идеального термотрансформатора:

Qн + Lк = Qв + Lд

 

Принципиальная схема идеального термотрансформатора:

                    Q_В

       ТО

L_Д        ДТ                  КМ L_K

                   ТП

                Q_H

       Для ТТ класса R  НИТ является температура охлаждаемых объектов, т.е. Тв = Тос.

       Для ТТ класса H  НИТ является температура нагреваемой среды (вода, воздух, отопление).

 

       Обозначения:

ХЛУ (R) - хладоустановки;

ТНУ (H) - теплонаносные установки.

 

ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

 

 

В холодильных установках различаютискусственное и естественное охлаждение. Естественное охлаждение осуществляется за счет естественных природных источников.

       График зависимости температуры замерзания соляного раствора от концентрации соли:

 

                                                                   

 

 

 

                    К

 

                                      

           

Точка К – криогидратная точка (самая низкая температура замерзания при определенной концентрации).

           

Искусственное охлаждение связывают с машинным способом получения холода.

Холодильные машины осуществляют термодинамический цикл с помощью следующих рабочих тел: аммиак, углекислота, фреоны, газы. Это - хладагенты.

 

Принцип охлаждения:

 

                                                                       

хладагент

 

Q_ПР

 

Т_ОС >Т_Н  >Т_О

 

Т_О  - температура кипения хладагента;

Q_ПР – притоки тепла;

Q₀ – тепло, передаваемое хладагенту от объекта тепла.

 

       Количество тепла, поглощаемое 1 кг хладагента, называется удельной (массовой) холодопроизводительностью, q₀, Дж/кг.

       Количество тепла, отводимое установкой от охлаждаемого объекта в единицу времени, называется полной холодопроизводительностью, Q₀, Вт.

 

Q₀ = G_ХА * q₀, где Gха - расход хладагента, кг/c.

ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

       Теплонаносная установка - это энергоустановка, использующая низко потенциальные источники тепла (отработанный пар, воздух, вода) для нагрева (отопления) различных технологических объектов, процессов, помещений, где теплоносителями являются горячая вода или воздух.

       В настоящее время t_В = 120...170 ⁰С. В качестве рабочих тел чаще всего используются фреоны и воздух.

 

Тн ³ Tос, Тв = Тнагр.ср.

 

       Целесообразно использовать ТНУ при соотношении двух показателей:

 

Sт / Sэ > 1.8, где Sт - стоимость условного топлива, руб/т;

                   Sэ - стоимость электроэнергии в этом же районе, руб/кВт ч.

 

Основные понятия:

1)  удельная теплопроизводительность q, Дж/кг – количество тепла, отдаваемое нагреваемой среде 1 кг рабочего тела;

2)  полная теплопроизводительность Qтп, Дж/с (Вт) - количество тепла, отдаваемое нагреваемой среде в единицу времени.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОВ

 

1. По принципу действия ТТ делятся:

1)  термомеханический ТТ:

       а) компрессионный:

   - парокомпрессионный;

   - газовый;

                   б) сорбционный:

   - адсорбционный;

   - абсорбционный;

                   в) струйный:

   - эжекторный;

   - вихревой;

2)  электромагнитный ТТ:

       а) термоэлектрический;

       б) магнитоэлектрический.

В термомеханических ТТ используется механическая или тепловая энергия для повышения давления рабочего тела, а в электромагнитных ТТ - энергия электрического или магнитного полей.

В компрессионных ТТ для сжатия рабочего тела используются механические компрессоры. Парокомпрессорные (или парожидкостные компрессорные) ТТ используют фреоны, меняющие свое агрегатное состояние. В газовых установках - газы или их смеси не меняют своего фазового состояния (воздух, азот). Иногда могут рассматриваться газожидкостные установки, позволяющие получить температуру охлаждения ниже 120К - криогенные установки. Сорбционные установки используют теплоту термохимических реакций смешения и последующего разделения как минимум двух компонентов. В адсорбционных установках смешение идет на границе твердой и парообразной фаз. В абсорбционных установках смешение компонентов идет в объеме, в массе - на границе жидкой и парообразной фаз. Сорбционные установки в отличие от компрессорных используют только тепловую энергию, а не механическую или электрическую. В струйных ТТ используется кинетическая энергия сжатого пара или газа. Выходя с большой скоростью из расширенного сопла (эжекционные ТТ) создается разрежение, затем рабочее тело сжимается. В вихревых ТТ сжатая струя газа или пара, проходя через вихревую трубу, разделяется на два потока: одна часть понижает, а другая повышает свою температуру. Термоэлектрический ТТ создает эффект охлаждения или нагрева, используя постоянный электрический ток. Магнитоэлектрические ТТ создает эффект охлаждения или нагрева, используя энергию парамагнетиков.

2. По характеру трансформации:

       - установки непосредственного нагрева (охлаждения);

- установки с промежуточным теплохладоносителем.

Для всех ТТ разность DТ = Тв - Тн называется теплоподъемом. По величине теплоподъема все ТТ делятся на одно-, двух-, трех- и более ступенчатые, каскадные схемы.