УДК  62-67

Трансформаторы тепла

Transformers heat

Автор: Чупова Анастасия Викторовна – г. Смоленск, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», кафедра «Промышленная теплоэнергетика», магистрант

Author: Chupova Anastasia Viktorovna – Smolensk, of the "national research University "Moscow power engineering Institute", Department of Industrial heat power engineering, graduate student 

Аннотация: Использование трансформаторов тепла в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве и их усовершенствование.

Annotation: Use of transformers in industry, transport, agriculture and their improvement.

Ключевые слова: трансформатор тепла, квазицикл, реальный цикл

The keywords: Heat transformer, quasi-cycle, real cycle

Топливно-энергетический баланс страны зависит не только от полноценной выработки энергии, но и от уровня ее технического использования. Поскольку трансформаторы тепла становятся все большими энергопотребителями, ведутся работы по их усовершенствованию, что оказывает большое значение на экономию энергетических ресурсов страны.

Трансформаторами тепла называются установки, в которых производится отбор тепловой энергии от объектов с низкой температурой к теплоприёмникам с более высокой температурой. Такое превращение (повышение потенциала тепла) не может происходить самостоятельно. Для этого необходимы затраты энергии: электрической, механической, кинематической энергии и другими.

Способы повышения потенциала тепла классифицируют по положению температурных уровней теплоприёмника ( - верхнего) и теплоотдатчика ( - нижнего) к температуре окружающей среды (). Если температура теплоотдатчика меньше температуры окружающей среды (, а теплоприёмника равна температуре окружающей среды  , система называется рефрижератором (???? - охлаждение). При ( и ( соответствующий трансформатор тепла называется тепловым насосом (Н). При  и  трансформатор тепла осуществляет обе функции - и рефрижератора и теплового насоса и является комбинированным (????????).

Сущность рефрижератора основывается в выработке холода, т.е. в отводе тепла в среду от объекта, температура которого ниже температуры окружающей среды.

Идеальные и реальные газовые циклы. В идеальном цикле парожидкостного трансформатора тепла подвод и отвод тепла к рабочему телу производятся при Р=const и Т=const, так как для однокомпонентного вещества в области влажного пара изотермы и изобары совпадают. Реальный газовый цикл (рисунок 1) имеет ряд значительных особенностей, способствующих уменьшению его эффективности по сравнению с  идеальным циклом. При анализе идеального процесса принимается, что температура в равна , а в точке 1—. В действительности необходимы некоторые разности температур ( до ) чтобы осуществить процесс теплопередачи.

Процессы в таких частях установки, как компрессор и детандер, в реальном цикле происходят необратимо с возрастанием энтропии, а в идеальном нет. Сжатие завершается в точке 2 (вместо 2’), как было бы в идеальном цикле, и энтропия возрастает на . В детандере конечная точка процесса 4' также перемещается вправо до 4 и энтропия возрастает. По этой причине процессы сжатия и расширения завершаются при более высоких температурах. В результате меняются все основные характеристики процесса: работа сжатия LK возрастает, а расширения LД  уменьшается. Соответственно увеличивается Qо.с и снижается Q0.

Рисунок 1 - Реальный газовый цикл без регенерации

В оптимальных условиях при небольших значениях , газовые холодильные установки со стационарными потоками не только не уступают по эффективности парожидкостным, но в ряде случаев превосходят их. Возможности их дальнейшего улучшения связаны не только с повышением КПД машин и аппаратов, но и с усовершенствованием схем.

Одна из таких эффективных схем воздушной холодильной установки и ее процесс в Т, s – диаграмме показан на рисунке 2. Эта установка разработана коллективом под руководством М. Дубинского, В. Мартыновского и С. Туманского.

Основная особенность этой схемы заключается в том, что в ней используется вакуумный квазицикл. Главное преимущество данной схемы по сравнению с классической (рисунок 3) определяется в отсутствии холодильника после компрессора и нагревателя – крупных аппаратов, имеющих также значительные гидравлические потери. Кроме того, отпадает необходимость в охлаждающей воде. Установка становится значительно проще, компактней, дешевле и лучше по энергетическим показателям. Поэтому эффективные воздушные холодильные установки на основе квазициклов нашли более широкое применение, чем установки с замкнутыми циклами.

Рисунок 2 – Схема и процесс газовой холодильной установки, работающей по разомкнутому циклу и процесс в Т,s- диаграмме

Рисунок 3 – идеальный газовый обратный цикл с изобарной регенерацией    (регенеративный цикл Джоуля): а – схема процесса; б – изображение процесса на Т,s-диаграмме: I – компрессор; II – теплообменник; III – детандер; IV – нагреватель; V – охладитель

Выводы  

Главное преимущество газового трансформатора тепла с вакуумным квазициклом по сравнению с классическими газовыми трансформаторами тепла с замкнутыми циклами заключается в возможности холодильника после компрессора и нагревателя – крупных аппаратов, имеющих также значительные гидравлические потери. Установка становится лучше по энергетическим показателям. Основные эксплуатационные показатели холодильных установок, такие как: эксергетический кпд установки по хладоносителю и холодильный коэффициент значительно выше в установках с разомкнутым циклом, чем в замкнутом при одних и тех же заданных параметрах.

Список используемой литературы:

1.Соколов Е. Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения / Е. Я. Соколов, В. М. Бродянский . – М. : Энергия, 1968 . – 336 с.

2.Александров А., Григорьев Б. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара - М.: Издательство МЭИ, 1999. - 168 с.