Трансформаторы тепла

Устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой Тн (теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой Тв (теплоприемнику), называются трансформаторами тепла. Чтобы осуществить такое преобразование тепла, необходимо затратить внешнюю энергию: механическую, электрическую, химическую и др. В зависимости от того, на каком температурном уровне по отношению к температуре окружающей среды То работают трансформаторы тепла, они подразделяются на холодильные (криогенные) и теплонасосные установки.
По принципу работы трансформаторы подразделяются на компрессионные (паровые и газовые), сорбционные, струйные, термоэлектрические и магнитные установки.
Установки для трансформации тепла различаются по следующим признакам: 1) по принципу работы; 2) по виду цикла; 3) по характеру трансформации; 4) по периодичности.
По виду осуществляемого процесса различают трансформаторы тепла, работающие по замкнутому циклу и разомкнутому процессу. В первой группе рабочий агент циркулирует в замкнутом контуре (паровые компрессорные, абсорбционные и некоторые газовые и струйные эжекторные установки). Во второй - агент при работе полностью или частично выводится из установки (в виде полезного продукта или отхода). Взамен отведённого в установку подаётся 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 трансформации различают повысительные и расщепительные установки. В установках, работающих по повысительной схеме, подведённое низкопотенциальное тепло преобразуется в высокопотенциальное; по этой схеме работает большинство холодильных, теплонасосных и комбинированных установок. В ращепительных схемах поток тепла среднего потенциала расщепляется на два потока тепла - низкого и повышенного потенциала. Работа установки осуществляется за счёт энергии теплового потока среднего потенциала. По ращепительной схеме работают струйные вихревые установки и некоторые типы компрессионных и абсорбционных установок.
По периодичности работы различают трансформаторы тепла непрерывного и периодичного действия. Установки периодического действия применяются для некоторых типов трансформаторов тепла (абсорбционные установки) небольшой производительности. Они могут быть выполнены с меньшим числом элементов оборудования благодаря возможности совмещения функций отдельных элементов установки в одном аппарате.

В холодильных установках температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды, т. е. Тн < То, а температура теплоприемника равна температуре окружающей среды, т. е. Тв = То. Холодильные установки (уровень отвода теплоты То (120 К) предназначены для охлаждения и поддержания при низких температурах различных объектов и технических систем.
Холодильные установки в зависимости от агрегатного состояния рабочего тела делятся на следующие типы:
1) Газовые - такие установки, в которых рабочее тело во всех процессах остаётся в газообразном состоянии

Газовые компрессионные холодильные машины. В воздушных холодильных машинах получение низких температур осуществляется за счёт адиабатного расширения воздуха при совершении внешней работы. Схема работы идеальной воздушной холодильной машины приведена на рис.
Воздух из охлаждаемого помещения 4 при температуре Т1 засасывается компрессором 1 и после адиабатного сжатия до давления р1 подаётся в охладитель 2, где охлаждается водой при постоянном давлении. Затем сжатый охлаждённый воздух поступает в детандер 3 (расширитель), где совершает полезную работу при адиабатном расширении до первоначального давления р0.
В газовых компрессионных холодильных машинах рабочее тело во всех процессах остаётся в газообразном состоянии. Наиболее распространены из них воздушные и гелиевые. Установки такого типа практически не применяются из-за их неэкономичности и больших расходов воздуха (т. к. этот хладоноситель обладает малой теплоёмкостью), что делает установку громоздкой и повышает её стоимость.
2) Газожидкостные - установки, в тёплой части которых рабочее тело находится в виде газа при температурах, далёких от критической, а в холодной части - в виде влажного пара и жидкости.
3) Парожидкостные - установки, в которых рабочее тело находится либо в виде жидкости и влажного пара, либо перегретого пара при температурах ниже критической, или близкой к ней. Парожидкостные холодильные установки в зависимости от принципа работы делятся на три вида: парокомпрессионные, абсорбционные и струйные.
3.а) Парокомпрессионные - их работа основана на сжатии в компрессоре сухого насыщенного или незначительно перегретого пара рабочего тела.

Паровые компрессионные холодильные машины. В цикле паровой компрессионной холодильной машины происходит непрерывное фазовое превращение рабочего тела (кипение, испарение, а затем конденсация). Принципиальная схема одноступенчатой идеальной паровой холодильной машины приведена на рис. Основными элементами оборудования установки являются компрессор, конденсатор, детандер (расширитель) и испаритель. Цикл машины, представляющий собой обратный цикл Карно, происходит в области влажного пара.

Холодильный агент кипит в испарителе 1 при давлении и температуре Т0; при этом подводится тепло q0 от охлаждаемого тепла. Влажный пар из испарителя засасывается компрессором 2 и сжимается адиабатно с повышением температуры до Т. Компрессор нагнетает свежий пар в конденсатор 3, где пар конденсируется при постоянных давлении и температуре Т, отдавая охлаждающей воде тепло q. Жидкий хладоагент поступает в детандер 4 и расширяется адиабатно, производя полезную работу за счёт внутренней энергии. Далее хладоагент поступает в испаритель, и рабочий цикл повторяется снова.

3.б) Абсорбционные - сжатие пара основано на абсорбции рабочего тела (поглощении из раствора или смеси газов твёрдым телом или жидкостью) при температуре окружающей среды и его десорбции (выделении в окружающую среду из твёрдого тела) при более высокой температуре. Установки такого типа наиболее распространены из-за их прстоты, надёжности и экономичности.

В абсорбционных холодильных машинах применяется бинарная смесь, компоненты которой имеют различные температуры кипения при одинаковом давлении. Холодильный агент должен иметь низкую температуру кипения, абсорбент (поглотитель) - более высокую.

Наибольшее распространение получили водоаммиачные растворы, в которых аммиак является холодильным агентом, а вода - абсорбентом. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной машины приведена на рис. Пары аммиака, образовавшиеся в испарителе 4 при давлении ро и температуре to, засасываются в абсорбер 5, где поглощаются слабым водоаммиачным раствором. Теплота Qа, выделяющаяся при поглощении паров аммиака, отводится охлаждающей водой. Процесс абсорбции происходит при постоянном давлении, несколько меньшем давления в испарителе ро. Полученный в абсорбере раствор насосом6 перекачивается в генератор (кипятильник) 1. При этом насосом затрачивается работа lн. В генераторе водоаммиачный раствор выпаривается при давлении, несколько большем, чем давление в конденсаторе рк. Тепло Qг, затраченное на получение водоаммиачного пара, подводится от внешнего источника (пар, горячая вода). Водоаммиачный пар с большой концентрацией аммиака поступает в конденсатор 2 и в нём конденсируется, отдавая тепло Qк охлаждающей воде. Из конденсатора жидкий аммиак через регулирующий вентиль (дроссель) 3 направляется в испаритель, где кипит, производя охлаждающий эффект Q0.
3.в) Струйные (пароэжекторные). Особенность пароэжекторной холодильной машины состоит в том, что для её работы используется кинетическая энергия струи рабочего пара. В этих машинах в качестве хладоагента обычно применяют воду.
Отсутствие в пароэжекторных машинах промежуточного теплоносителя позволяет получить температуру охлаждаемой воды, равную температуре кипения в испарителе, что повышает тепловую эффективность и экономичность холодильной машины. К достоинствам пароэжекторной машины следует отнести также простоту конструкции и обслуживания в работе. Однако с помощью таких машин можно получить холод при положительных температурах 0-10 оС.
4) Твёрдотелые - установки, в которых для охлаждения используется твёрдое рабочее тело. Эти установки пока применяются преимущественно для физических исследований в области температур ниже 20 К.