Основы трансформации теплоты

В. Д. Галдин







            ОСНОВЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОТЫ



Учебное пособие

























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.577
ББК 31.39
     Г15



Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор (ОмГУПС) В. Р. Ведрученко; канд. техн. наук, доцент (СибАДИ) А. Л. Иванов





     Галдин, В. Д.
Г15        Основы трансформации теплоты : учебное пособие / В. Д. Галдин. -
     Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 116 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1477-7

           Рассмотрены термодинамические основы трансформации теплоты, рабочие вещества трансформаторов теплоты, рабочие процессы в компрессоре. Приведены схемы и циклы паровых, пароэжекторных, абсорбционных, газовых холодильных машин и тепловых насосов. Даны примеры расчета холодильных машин и их элементов.
           Для студентов бакалавриата и магистратуры по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» при выполнении практических занятий, курсового проектирования и самостоятельной работы по дисциплинам «Основы трансформации теплоты» и «Разработка и исследование термодинамически идеальных и технически реализуемых тепловых схем».

                                                                 УДК 621.577
                                                                 ББК 31.39















ISBN 978-5-9729-1477-7

     © Галдин В. Д., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ............................................4
1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОТЫ................................................5
  1.1. Принципы трансформации теплоты..................5
  1.2. Область использования трансформаторов теплоты...7
2. РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛОТЫ...........10
  2.1. Свойства рабочих веществ.......................11
  2.2. Взаимодействие хладагентов с окружающей средой.17
  2.3. Тенденции применения различных хладагентов.....21
  2.4. Термодинамические диаграммы....................25
3. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН............30
  3.1.  Принципиальные схемы и циклы паровых одноступенчатых холодильных машин....................................30
  3.2.  Расчет теоретического цикла паровой одноступенчатой холодильной машины....................................39
4. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС В КОМПРЕССОРЕ......................43
  4.1. Принцип работы поршневого компрессора.........43
  4.2. Холодопроизводительность компрессора...........48
  4.3. Мощность компрессора и энергетические потери...54
  4.4.  Тепловой расчет холодильной машины с одноступенчатым компрессором..........................................56
5. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН....................62
  5.1. Принципиальные схемы и циклы двухступенчатых холодильных машин...................................62
  5.2. Принципиальная схема и цикл каскадной холодильной машины ... 76
6. ПАРОЭЖЕКТОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ..................79
7. АБСОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ...................85
8. ГАЗОВЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ.........................88
  8.1. Турбохолодильные машины........................88
  8.2. Вихревые охладители............................96
9. ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ...................................102
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................105
ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................106

3

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Дисциплина «Основы трансформации теплоты» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» должна обеспечить связь между дисциплиной «Техническая термодинамика» и специальными дисциплинами направления, в которых рассматриваются технические объекты, связанные с системами преобразования энергии, относящиеся к трансформаторам теплоты (термотрансформаторам).
    Основное назначение трансформаторов теплоты - отвод теплоты от теплоотдатчика на относительно низком температурном уровне и подвод к теплоприемнику на более высоком температурном уровне. В таких системах, в отличие от теплосиловых, осуществляются не прямые, а обратные циклы. Термотрансформаторы не вырабатывают энергию, а потребляют ее для получения определенного технологического или другого полезного эффекта. К трансформаторам теплоты относятся три группы установок.
    Холодильные установки (уровень отвода теплоты Тн > 120 К) определяют развитие многих ведущих отраслей хозяйства страны, в особенности связанные с хранением, переработкой и транспортированием пищевых и биологических продуктов.
    Криогенные установки (уровень отвода теплоты Тн < 120 К) оказывают существенное влияние на развитие электроники, радиотехники и электротехники. Сочетание криогенных установок с устройствами для ожижения, замораживания газов и разделения газовых смесей позволяет получать в промышленном масштабе в газообразном и жидком виде кислород, азот, водород, а также гелий и другие инертные газы.
    Тепловые насосы при наличии источника дешевой низкопотенциальной теплоты могут обеспечить в ряде случаев экономичное теплоснабжение промышленных объектов и общественных зданий.
    В основу учебного пособия положены лекции по дисциплине «Холодильные машины», которые традиционно базируются на ряде ранее созданных учебников авторов - сотрудников кафедры «Холодильные машины» Ленинградского технологического института холодильной промышленности (ЛТИХП), с 1990 г. - Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий: Холодильные машины / Под. ред. Н. Н. Кошкина - Л.: ЛТИХП, 1973 (1985 г. - под. ред. И. А. Сакуна, 1997, 2006 г. - под. ред. Л. С. Тимофеевского).

4

1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОТЫ


1.1. Принципы трансформации теплоты


    Технические системы, в которых осуществляется отвод энергии в форме теплоты от объектов с относительно низкой температурой (источник низкой температуры (ИНТ)) к приемнику теплоты с более высокой температурой (источник высокой температуры (ИВТ)) называются трансформаторы теплоты (термотрансформаторы). Такое преобразование, называемое в технике повышением потенциала теплоты, не может происходить самопроизвольно. Для повышения потенциала теплоты необходима затрата работы внешней энергии: электрической, механической, химической, кинетической энергии потока газа или пара и др.
    Процессы повышения или понижения потенциала теплоты классифицируются (рис. 1.1) обычно в зависимости от положения температурных уровней: верхнего - ИВТ и нижнего - ИНТ по отношению к температуре окружающей среды Тос, принимаемой в большинстве случаев равной 293 К (20 °C).

а

Рис. 1.1. Схемы термотрансформаторов: а - холодильная машина; б - тепловой насос;
в - комбинированный термотрансформатор; г - тепловой двигатель

5

    Когда температура теплоотводчика ниже температуры окружающей среды Тинт < Тос, а теплоприемника равна этой температуре Тивт = Тос, осуществляющая отвод теплоты система (трансформатор теплоты) называется рефрижераторной (рис. 1, а).
    При Тинт > Тос и Тивт > Тос трансформатор теплоты называется тепловым насосом (рис. 1.1, б).
    При Тинт < Тос и Тивт > Тос трансформатор теплоты осуществляет обе функции - и рефрижератора, и теплового насоса; он называется комбинированным (рис. 1.1, в).
    При Тивт >> Тос и Тинт = Тос трансформатор преобразует теплоту в механическую энергию; он называется тепловым двигателем (рис. 1.1, г).
    Работа рефрижератора заключается в выработке холода, т. е. отводе в окружающую среду теплоты от объектов, температура Тн которых ниже температуры окружающей среды. В зависимости от уровня Тн рефрижераторы делятся две подгруппы: при Тн > 120 К соответствующие системы называются холодильными, при Тн < 120 К - криогенными.
    Теплонасосная система предназначена для использования теплоты, отводимой от окружающей среды или другого низкопотенциального источника (например, отработавшей воды или пара), для бытового или технологического теплоснабжения - подвода теплоты при Тв > Тос.
    На рисунке 1.2 показаны характерные температурные зоны использования трансформаторов теплоты различного назначения.

Рис. 1.2. Температурные зоны использования трансформаторов теплоты различного назначения

6

1.2. Область использования трансформаторов теплоты


    В настоящее время трансформаторы теплоты различного назначения находят широкое применение [8]. Особое значение в сельском хозяйстве и в быту имеют рефрижераторные установки, осуществляющие отвод теплоты от объектов, температура которых ниже окружающей среды.
    Современные рефрижераторные установки позволяют отводить теплоту при любых температурах, вплоть до близких к абсолютному нулю, и в таких количествах, которые обеспечивают хозяйственные нужды страны и научных исследований.
    Холод до 120 К, получаемый в холодильных установках, используется в самых разнообразных целях, в том числе:
    -     в сельском хозяйстве и пищевой промышленности - при заготовке и переработке скоропортящегося сырья, производстве и хранении продуктов, при сублимационной сушке;
    -     в торговой сети, на предприятиях общественного питания и в быту -для хранения и транспортирования пищевых продуктов;
    -     на производстве и в быту - для кондиционирования воздуха в производственных, общественных и жилых помещениях, т. е. для поддержания условий, обеспечивающих требования технологического процесса и благоприятного сказывающихся на самочувствии людей;
    -      в технике водоснабжения - для опреснения морской и засоленной воды;
    -     на железнодорожном и автомобильном транспорте - при перевозке скоропортящихся продуктов;
    -     в морском и речном флоте - для замораживания и хранения рыбы и морских животных;
    -     в медицинской, биологической и фармацевтической отраслях промышленности - при производстве и хранении биологических продуктов, при изготовлении лекарств, содержащих летучие вещества (пенициллин, стрептомицин, эфир, хлороформ и др.);
    -     при производстве искусственного волокна и пластмасс - для поддержания заданной температуры процесса;
    -     в парфюмерной промышленности - для хранения цветов и ароматических веществ;

7

    -     в горной промышленности при проходке шахт и при строительстве плотин, подземных сооружений и туннелей - для замораживания водоносных грунтов и плывунов;
    -    в медицине - для общего охлаждения при использовании гипотермии;
    -     на спортивных сооружениях - для создания искусственных ледяных катков.
    Во многих отраслях науки и промышленности применяются более низкие температуры (ниже 120 К), обеспечиваемые криогенными установками:
    -     в металлургии - для интенсификации процессов сталеплавления, выплавки чугуна, ферросплавов и цветных металлов посредством обогащения дутья кислородом, получаемым при низкотемпературной ректификации воздуха. В металлургии также используется технический кислород (газообразный и жидкий) и другие продукты ректификации воздуха, в частности, аргон - для удаления примесей и плавки в инертной среде;
    -     в машиностроении - для получения путем низкотемпературной ректификации кислорода и инертных газов, необходимых для резки и сварки металлов. Обработка сталей холодом увеличивает их твердость и износоустойчивость, а также повышает тягучесть при тонком волочении. Низкие температуры используются при дроблении вязких металлов и для создания натяга при сопряжении деталей;
    -     в химической промышленности - при разделении газовых смесей, в частности, воздуха, для получения кислорода и азота, для извлечения дейтерия из технического водорода. Криотемпературы используются для конденсации паров, осушения газов, разделения сложных растворов, кристаллизации солей, регулирования направления и скорости химических реакций, хранения низкокипящих жидкостей;
    -     в газовой промышленности - для разделения газовых смесей, в частности, выделения гелия, для получения, хранения и транспортирования охлажденных и сжиженных природного и других газов;
    -     в авиации и космонавтике - для получения топлива (например, жидкого водорода) и окислителей (например, жидкого кислорода), а также обеспечения кислородом людей, работающих на большой высоте и в космосе;
    -     в энергетике - для создания различных устройств (накопителей, генераторов, электродвигателей, линий электропередачи) с использованием

8

криорезистивности - пониженного электросопротивления при низких температурах и сверхпроводимости;
    -     в радиотехнике и электронной технике - для поддержания при низких температурах (криостатирования) электронных приборов элементов радиосистем, а также некоторых элементов вычислительных машин;
    -     в медицине - для хирургического лечения различных заболеваний путем деструкции биологических тканей при низких температурах (криомедицина);
    -     в научно-исследовательских учреждениях и лабораториях - для поддержания низкой температуры исследуемых тел, создания глубокого вакуума (вплоть до космического), изготовление приборов и установок для физических исследований, в том числе таких, как ускорители элементарных частиц, пузырьковые камеры, «токамаки» и др.
    Трансформаторы теплоты, в которых осуществляются теплонасосные и комбинированные процессы, имеют пока относительно ограниченное применение.
    В современных условиях тепловые насосы целесообразно использовать в некоторых случаях для отопления и горячего водоснабжения в районах, располагающих никопотенциальными источниками теплоты (например, морской водой при t > °C), в которых применение теплофикации экономически нецелесообразно. Тепловые насосы могут найти применение в районах с жарким климатом в качестве установок для теплоснабжения в отопительный период и как холодильные установки в летний период для охлаждения воздуха. Трансформаторы теплоты используются в технологических установках химической, пищевой и других отраслей промышленности, где имеются процессы ректификации, сушки, сублимации и др., связанные с подогревом до температуры не выше 130-230 °C.
    Комбинированные трансформаторы теплоты используются в тех случаях, когда экономически выгодно сочетание нагрева и охлаждения в одной системе.

9

  2. РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛОТЫ


    Процессы отвода и подвода теплоты связаны с теплообменом. Эти процессы протекают с участием не менее двух тел, одно из которых -охлаждающее (или нагревающее) - называется рабочим веществом или холодильным агентом (хладагентом).
    Применяемые в холодильных машинах рабочие вещества характеризуются диапазоном нормальных температур кипения от 100 до - 160 °C.
    В настоящее время используется более 40 рабочих веществ, из которых практическое применение получили вода, воздух, аммиак и различные фторхлорбромпроизводные метана, этана, пропана и бутана. Производные углеводородов в нашей стране получили название хладонов или фреоно в (зарубежное название). Обобщенная химическая формула фреона
C m H n Fp Cl q Br r,
где m, n, p, q, r - число атомов химических элементов, входящих в состав данного фреона.
    Возможны 15 типов соединений галогенопроизводных метана, 55 - этана, 332 - пропана, более 1000 - бутана.
    В настоящее время при обозначении хладонов-фреонов появилась тенденция предварять цифровой индекс аббревиатурой, которая обозначает перечень химических элементов, входящих в молекулу хладагента, и определяет группу хладагентов. Группы хладагентов следующие: хлорфторуглеро-ды - ХФУ; бромхлорфторуглероды - БХФУ; гидрохлорфторуглероды -ГХФУ; гидрофторуглероды - ГФУ; фторуглероды - ФУ; углеводороды - ГУ.
    Хладагенты подразделяются по разным признакам. По происхождению - на синтетические и природные. По составу - на неорганические и органические, на однокомпонентные и многокомпонентные. По давлениям насыщенного пара при 30 °C - на хладагенты высокого (2-7 МПа), среднего (0,3-2 МПа) и низкого (меньше 0,3 МПа) давлений. По нормальным температурам кипения - на низкотемпературные (tH < -60 °C), среднетемпературные (tH = - 60...-10 °C), высокотемпературные (tH> -10 °C).
    Классификации по давлениям и температурам взаимосвязаны. Хладагенты высокого давления являются низкотемпературными рабочими веществами, низкого давления - высокотемпературными.


10

    Классификация рабочих веществ предопределяет их выбор в соответствии с температурным режимом работы холодильных машин, среди которых различают: высокотемпературные (t о > -10 °C - тепловые насосы, машины для систем кондиционирования воздуха, в основном одноступенчатые); среднетемпературные (1₀ = - 10...-30 °C, в основном одноступенчатые); низкотемпературные одноступенчатые (10 = -30.-55 °C), двухступенчатые (10 до -70 °C) и каскадные (10 до -110 °C).
    В таблице 2.1 приведены термодинамические характеристики рабочих веществ холодильных машин.
    Отличительными признаками хладагентов являются их потенциалы разрушения озонового слоя Земли (ODP) и глобального потепления (GWP), горючесть, взрывоопасность, токсичность, взаимодействие с водой, смазочными маслами и конструкционными материалами.

2.1. Свойства рабочих веществ


    Теплофизические свойства. К ним относятся плотность, теплопроводность, вязкость, поверхностное натяжение и другие свойства. Они влияют на интенсивность тепломассообмена в аппаратах холодильных машин, на сопротивление при движении газообразных и жидких хладагентов в системе, что, в свою очередь, сказывается на общей энергетической эффективности холодильных машин и их конструктивных особенностях.
    Для тепломассообмена в аппаратах со сравнительно высокой интенсивностью желательно иметь хладагенты с большими значениями теплопроводности, плотности, теплоты парообразования и малыми значениями вязкости.
    Массовый расход циркулирующего в системе хладагента зависит от теплоты парообразования и уменьшается с ее ростом. Для уменьшения расхода энергии на перекачивание хладагента в системе желательно иметь большие значения теплоты парообразования и наименьшие значения вязкости.
    Физико-химические свойства рабочих веществ в холодильных машинах. Химическая стабильность хладагентов характеризуется температурой разложения, воспламеняемостью и взрывоопасностью. Температуры разложения хладагентов, применяемых в холодильной технике, значительно выше температур термодинамических рабочих циклов. При использовании хладонов в цикле с применением регенеративного теплообмена температура конца сжатия не превышает 70-100 °C, а у аммиака - 150 °C.


11