ТРАНСФОРМАТОРЫ ТЕПЛОТЫ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТРАНСФОРМАЦИИ

ТЕПЛА

Устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой Т_н(теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой Т_в(теплоприемнику), называ­ются трансформаторами теплоты. Чтобы осуществить такое преобразование теплоты, необходимо затратить внешнюю энер­гию: механическую, электрическую, химическую и др. В зави­симости от того, на каком температурном уровне по отношению к температуре окружающей среды Т₀, которую обычно принимают равной 20 ⁰С,работают трансформа­торы теплоты, они подразделяются на холодильные и теплонасосные установки.

В холодильных установках температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды, т. е. Т_н<Т₀,а темпе­ратура теплоприемника равна температуре окружающей среды, т. е. Т_в = Т₀.

В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, а температура теплоприемника значительно выше температуры окружающейсреды, т. е. Т_н³ Т₀и Т_в >> Т₀.

Трансформатор теплоты может работать одновременно как холодильная и теплонасосная установка. В это случае: Т_н < Т₀ и Т_в >Т₀. Такой процесс называется комбинированным. На рис. 5.1 приведены принципиальные схемы работы трансформаторов теплоты. Холодильный процесс (рис. 5.1, а) протекает следующим образом. Охлажденное тело А отдает теплоту хладоагенту при темпера­туре Т_н < Т₀.Затем в холодильной ма­шине за счет подве­денной механической энергии l происходит повышение темпера­туры хладоагента до температуры Т₀. На­гретый хладоагент пе­редает в окружаю­щую среду количество теплоты, равное: q_в = q_н + l. Процесс в тепловом насосе(рис. 5.1,б)протекаетаналогично, но при других темпе­ратурных потенциалах, в соответствии с назначением уста­новки – передать нагреваемому телу Б часть теплоты окру­жающей среды с более низкой температурой.

В комбинированном процессе (рис. 5.1, в)происходит одно­временно выработка теплоты и холода – охлаждается среда А и нагревается среда Б.

Рис. 5.1. Принципиальная схема работы транс­форматоров теплоты:

а –холодильная установка; б – теплонасосная уста­новка; в – комбинированная установка

Согласно второму закону термодинамики переход теплоты от менеенагретого тела к более нагретому возможен только придополнительной затрате работы или теплоты извне и осуществляетсяпутем совершения обратного кругового термодинамического процесса (цикла).

На принципе обратных циклов работают трансформаторы теплоты, предназначенные для переноса теплоты с низшего температурного уровня на более высокий. Наиболее совершенным цикломдля осуществления такого процесса является обратный циклКарно.

На рис. 5.2 изображены обратные циклы Карно для трансформаторовтеплоты, осуществляющих холодильный, теплонасосныйи комбинированный процессы.

Адиабатическое сжатие в цикле Карно осуществляется в компрессоре с затратой работы, а расширение – в детандере с получением работы.

Основное уравнение теплового баланса обратного кругового процесса

(5.1)

где q_в, q_н– теплота, переданная телу с более высокой темпера­турой и отведенная от охлажденного тела; l – энергия, подве­денная к рабочему телу.

Рис. 5.2. Диаграммы обратных циклов.

а – холодильный цикл; б – цикл теплового насоса; в – комбинированный цикл

Эффективность обратного холодильного цикла (рис. 5.2, а) определяется холодильным коэффициентом e, т. е. отношением количества теплоты, отве­денной от охлаждаемого те­ла, к затраченной в цикле работе:

(5.2)

Холодильный коэффици­ент цикла Карно

(5.3)

Из выражения (5.3) сле­дует, что холодильный ко­эффициент не зависит от свойств рабочего агента, а определяется лишь температурами охлаждаемой среды Т_ни среды, которая воспринимает теп­лоту, Т₀. Увеличение Т_н и уменьшение разности Т₀ –Т_нповы­шает холодильный коэффициент и, следовательно, энергетиче­скую эффективность работы холодильной установки. Теория холодильных машин рассматривает условия, при которых ко­эффициент e может иметь наибольшее значение. Из совмест­ного решения уравнений (5.2) и (5.3) можно определить мини­мальную работу, необходимую для холодильной машины, при получении искусственного холода:

(5.4)

Соответственно удельная затрата работы (на единицу по­лученного холода)

(5.5)

Тепловой насос (рис. 5.2, б) работает аналогично холодиль­ной машине, но при более высоких температурах.

Эффективность теплового насоса характеризуется коэф­фициентом преобразования j, т. е. отношением теп­лоты, полученной телом с температурой Т_в,к механической работе, затраченной в установке:

(5.6)

Коэффициент преобразования и холодильный коэффициент связаны между собой следующим соотношением:

(5.7)

Соответственно коэффициент преобразования для цикла Карно

(5.8)

Работа, необходимая для выработки теплоты в теплонасосной установке, может быть определена из уравнений (5.6) и (5.8):

(5.9)

Удельная затрата работы (на единицу выработанной теп­лоты) равна:

(5.10)

Трансформаторы теплоты, работающие по комбинирован­ному циклу (рис. 5.2, в), могут найти применение на объектах, где одновременно требуется и теплота и холод, например на предприятиях, расходующих горячую воду с температурой 40–70 °С на технологические и бытовые нужды и холодную воду с температурой 3–8 °С для кондиционирования воздуха поме­щений.

В действительных (необратимых) циклах трансформаторов теплоты значения холодильного коэффициента преобразования ниже, чем в обратных циклах. Степень отклонения зависит от необратимых потерь, вызываемых конечной разностью темпера­тур при теплообмене с внешними источниками тепла.

Температура рабочего тела всегда бывает ниже температуры теплоотдатчика и выше температуры теплоприемника. Увеличе­ние перепада температур Т₀–Т_нв холодильном процессе, а в цикле теплового насоса Т_в– Т₀ вы­зывает в машине дополнительную затрату работы.

На снижение коэффициентов e и j влияют также дополни­тельная затрата работы на преодоление сил трения в самой машине и потери с дросселированием, вводимым в обратные циклы.

Для холодильных машин, в которых затрачивается тепловая энергия, характеристика цикла определяется тепловым коэффициентом x,пред­ставляющим собой отношение полученного холода (отведенного от охлаждаемого тела) q_нк затраченной в цикле тепловой энер­гии q_п, т. е.

(5.11)