Классификация трансформаторов теплоты

Агапитов Е.Б.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

По курсу

«Криогенные системы промышленных предприятий»

 

Магнитогорск

 

§1. Основные понятия и определения. Задачи курса.

 

Криогенные установки («крио» - холод) – установки для получения холода определенного потенциала с температурой не больше 147К (t ≥ 147К).

Эти установки входят в более широкий класс установок для получения холода и являются разновидностью установок для трансформации теплоты.

Трансформация теплоты – процесс переноса теплоты от объекта относительно низкой температуры t_н, который называется теплоотдатчик, к объекту с относительно высокой t_в, который называется теплоприемник.

Такой процесс невозможен без совершения затрат работы или теплоты и не может протекать самопроизвольно.

В ходе такого процесса энергия теплоприемника увеличивается на величину Q_в.

 

 

 

Q_в = Q₀ + L_затрат

 

Трансформатор теплоты – установка, в которой осуществляется перенос энергии от источника с относительно низкой температурой t_н к источнику с относительно высокой температурой t_в с помощью рабочего тела – хладоагента и затратами работы.

Процесс отвода теплоты Q₀ эквивалентен подводу холода к объекту в количестве Е₀, таким образом, холод – это теплота со знаком “-“.

Количество теплоты, отведенное от объекта в единицу времени (или количество холода, полученное объектом в единицу времени) называется холодопроизводительностью, Вт (Дж/с).

Количество тепла, которое передается теплоприемнику в единицу времени называется теплопроизводительностью теплового трансформатора, Вт.

Если теплотрансформатор служит в основном для производства холода, он называется рефрижератором (класс R).

Такие теплотрансформаторы делятся на:

- холодильные установки t_н > 147K

- криогенные установки t_н ≤ 147К

Если теплотрансформатор служит преимущественно для выработки тепла, он называется тепловым насосом (класс Н).

Если теплотрансформатор служит одновременно для выработки и тепла и холода, то он называется кондиционером (класс RН).

 

Общий принцип охлаждения.

 

Чем меньше энтропия системы, тем больше ее упорядоченность и тем меньше ее температура.

Охладить или понизить температуру системы - значит снизить ее энтропию.

Самый простой способ охлаждения – изобарное охлаждение.

 

Для того, чтобы перейти из т.1 в т.2 необходимо, чтобы система пришла в соприкосновение с объектом с температурой t < t₂. Такой способ охлаждения называется естественным или внешним.

Получить температуру системы на уровне т.2 можно и другим путем – для этого нужно взять промежуточную газообразную среду и провести изотермическое сжатие по линии 1-3 с повышением давления до Р₂.

 

В этом процессе необходимо отводить тепло, энтропия при этом уменьшается (S₁ à S₂).

Затем провести адиабатное расширение 3-2 (при S=const).

В целом, для осуществления процесса 1-3-2 также понадобился холодный объект, но отвод тепла к нему осуществлялся на более высоком температурном уровне Т₁.

Такой способ охлаждения называется искусственным или внутренним.

Повторив этот цикл в этом же диапазоне давлений (Р₁-Р₂), можно получить температуру t₅ значительно более низкую, чем t₂.

Общий принцип внутреннего охлаждения можно сформулировать так: если температура t термодинамической системы зависит отэнтропии S и некоторого параметра х, t = f(S; х), то необходимо:

- первоначально изменить параметр х в изотермических условиях с уменьшением S;

- затем произвести обратное изменение этого параметра х в адиабатических условиях при S= const.

Если в качестве х выступает давление системы, то такие системы называются т ермомеханическими;

- если в качестве х выступает напряженность магнитного поля Н, то это - магнитокаллорические системы;

- если в качестве х выступает напряженность электрического поля Е, то это - электрокаллорические системы.

Преимущества искусственного охлаждения:

- можно охладить систему до температуры близкой к абсолютному 0;

- процесс охлаждения может быть непрерывным. На этом принципе строятся машины для непрерывного получения холода;

- процесс получения холода не зависит от климатических условий.

Области применения тепловых трансформаторов:

Теплотрансформаторы, в частности, криогенные установки используются в следующих различных направлениях.

Металлургия. Продукты разделения воздуха, в основном - кислород, используется в конверторной, мартеновской плавке, доменном производстве и как интенсификатор процесса горения.

Азот и аргон используются в технологиях рафинирования (очистки), стали для создания инертных сред в процессах термообработки металла (колпаковых, протяжных печах), в технологиях резки и сварки.

Машиностроение. Проводится обработка стали холодом для увеличения её твердости и изностойкости;

Химическая промышленность. Холод используется в технологиях осушки газов, конденсации паров, разделении сложных смесей и растворов, регулировании скорости химических реакций, хранении продуктов химических производств при криогенных температурах.

Газовая промышленность. В технологии разделения газовых смесей (например, получении Не), хранении и транспорте охлажденных продуктов, ожижении природного газа.

Авиация и космонавтика. Получение О₂ и Н₂ и использовании этих продуктов для жидкостных реактивных двигателей.

Энергетика. Создание линий электропередач с использованием эффекта сверхпроводимости.

Радиотехника и электроника. Поддержание температуры элементов аппаратуры при низких температурах для обеспечения стабильных характеристик.

Пищевая промышленность. Криогенные установки применяются для сверхбыстрой заморозки, холодильные установки - для хранения пищевых продуктов.

Медицина. Появилось новое направление – криомедицина и в частности криохирургия.

 

 

Классификация трансформаторов теплоты.

 

Трансформаторы ТТ классифицируются:

- по принципу организации работы теплового трансформатора;

- по характеру протекающих в тепловом трансформаторе процессов;

- по характеру протекания процессов во времени.

 

По принципу организации работы - тепловые трансформаторы бывают:

- термомеханические (наиболее распространены в промышленности);

- магнитокалорические;

- электрокалорические.

Термомеханические:

- компрессионные;

- сорбционные;

- струйные.

Компрессионные в зависимости от характера изменения состояния рабочего тела бывают:

- парожидкостные ПЖТТ(рабочее тело изменяет фазовое состояние пар-жидкость);

- газожидкостные ГЖТТ (газ-жидкость);

- газовые.

Сорбционные. В этих установках давление рабочего тела изменяется в процессе сорбции (Р уменьшается) и десорбции (Р увеличивается). Эти установки бывают:

- абсорбционные;

- адсорбционные

В абсорбционных машинах рабочее тело поглощается жидкостью.

В адсорбционных – твердым телом.

Процессы сорбции и десорбции сопровождаются подводом и отводом тепла.

В качестве рабочих тел используются системы: NH₃-H₂O, H₂O-LiBr

По характеру протекающих в тепловом трансформаторе процессов, они бывают:

- с повысительной трансформацией (когда подводится теплота низкого потенциала, а отводится высокого). К этому классу относятся: рефрижераторы, криогенные установки, тепловые насосы, кондиционеры.

- расщепительной трансформацией (подводится теплота со средним потенциалом и делится на 2 потока: 1 с низким, 2 с повышенным потенциалом). Это – струйные трансформаторы – пароэжекторные машины и вихревые трубы.

 

По характеру протекания процессов во времени.

- циклические, когда процесс возвращается в исходную точку;

- квазициклические процессы, рабочее тело после прохода цикла покидает этот цикл. Это компрессоры, турбины, двигатели, вентиляторы.

- нециклические. Электромагнитные тепловые трансформаторы. Нет рабочего тела.

 

§4. Тепловые трансформаторы с циклическими процессами.

Цикл Карно со стационарными процессами.

 

Процессы тепловых трансформаторов описываются обратными термодинамическими циклами.

Идеальный цикл – обратный цикл Карно.

Цикл Карно со стационарными процессами включает 2 нагнетателя (компрессоры) и 2 расширителя (детандеры).

 

Составим энергетический баланс установки:

 

∑Lвх + ∑Qвх = ∑Lвых + ∑Qвых

 

Q4-1 + L1-2 + L2-3 = Q2-3 + L3-4 + L4-1

 

§5. Применение каскадных и регенеративных циклов.

 

Каскадный – один за другим, регенерация – восстановление.

Для работы теплового трансформатора в интервале температур tв и tн необходимо поддерживать определенный перепад давлений р1 и р3.

Чем больше эта разность температур, тем больше степень увеличения давлений.

Давление увеличивается в компрессоре и уменьшается в детандере.

Использование каскадного и регенеративного принципа позволяет уменьшить эти требования.

Каскадный принцип предложил Пихте, регенеративный – Сименс.

 

Каскадный метод.

Один цикл заменяется группой циклов, которые идут один за другим каскадом, при этом теплота из верхнего цикла сбрасывается в нижний.

 

 

Для каскада должна быть верхняя изотерма нижнего цикла выше нижней изотермы верхнего цикла.

Р3’ – Р1’ < Р3 – Р1

Разбивка 1 цикла на несколько позволяет добиться в итоге большей степени повышения давления, т.к. степень повышения давления в 1 ступени ограничивается 12.

 

Регенерация тепла.

Регенерация осуществляется путем отвода тепла от охлаждаемого потока и перебросом этого тепла нагреваемому потоку.

В итоге этот прием позволяет уменьшить степень повышения давления.

P3’ – P1 > P3 – P1

Наибольшего эффекта можно добиться в изобарной регенерации, т.е. когда т.1 и т.2 лежат на изобаре.

Можно провести регенерацию изохорно, но т.к. изобары идут круче изохор, то можно добиться максимального снижения степени повышения давления.

 

§6. Эксергетический метод анализа процесса трансформации тепла

 

По второму закону термодинамики теплота передается от более нагретого тела к менее. Ценность тепла определяется не количеством теплоты, а потенциалом теплоты по отношению к окружающей среде.

Таким образом, энергетическая ценность системы определяется не только ее параметрами, но и параметрами окружающей среды.

Работоспособность системы определяется эксергией Е (Дж).

Удельная эксергия – е (Дж/кг).

Эксергия – это величина работы, которую можно получить из данной термодинамической системы при ее обратимом взаимодействии с окружающей средой.

Электрическая и механическая энергия (эксергия) способна полностью превращаться в работу.

Их эксергия равна самой величине энергии.

Е_мех.эн.= Р

Тепловая энергия превращается в работу лишь частично.

E_q = τ_qQ

Величина τ_q – коэффициент пропорциональности, коэффициент работоспособности тепла, показывает какую долю работы можно получить от теплоты системы при обратимом взаимодействии с окружающей средой.

Рассмотрим цикл Карно для теплового двигателя и теплового трансформатора в области влажного насыщенного пара.

Площадь S11234S4 – подведенная теплота, Q1

Площадь 14S4S1 – отведенная теплота, Q2

Т.1 отличается от т.4 степенью сухости.

 

│Eq│ = Q_подв – Q_отв = T∆S – T_о.с ∆S

 

Тогда τq можно определить:

С другой стороны термический КПД цикла Карно определяется:

 

Т2 – температура отвода тепла

Т1 – температура подвода тепла

Если Т1=Токр ср, тогда

ηt = τq

 

Проанализируем 1

Для прямого цикла Т > Токр ср

0 <τq <1

τq >0 – работа в цикле производится (+L)

τq<1 – в работу превращается только часть подведенного тепла.

 

Для обратного цикла: Т < Токр ср

τq < 0 – работа в цикле затрачивается

Если Т << Токр ср, тогда τq à-∞

Таким образом, для получения теплоты с потенциалом близким к 0 нам придется затрачивать большое количество работы.

Чем ниже температурный потенциал получаемого холода, тем затраты работы больше.