Цилиндрическая стенка

Классификация, принципы действия и области применения трансформаторов теплоты

УСТАНОВКИ ДЛЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОТЫ

В установках для трансформации теплоты (трансформаторах теп­лоты) производится отвод энергии от объектов с низкой температурой к объектам с более высокой температурой, обычно большей температуры окружающей среды T_о.с или равной ей. Из термодинамики извест­но, что такой процесс должен сопровождаться затратой энергии извне.

В зависимости от значений температур объектов с низкой Т_н и вы­сокой Т_в температурами по отношению к температуре окружающей среды трансформаторы теплоты разделяют на три основные группы.

При Т_н<Т_о.с и Т_в≈Т_о.с осуществляется отвод теплоты от объекта.с низкой температурой с целью его охлаждения. Такие трансформато­ры теплоты называют холодильными установками. При температурах отвода теплоты Т_н≤120 К установки называют криогенными. При T_H≈T₀.c и Т_В>Т₀._С назначение установки состоит в переносе теплоты к объекту с температурой более высокой, чем Т₀._с. Такие установки на­зывают тепловыми насосами.

При Tн<Tо.с и Т_В>Т₀._С установка работает по комбинированной схеме, сочетающей холодильную установку и тепловой насос.

Эффективность холодильной установки определяется количеством теплоты, отведенной от объекта с температурой Т_н, и называется холо­дильной мощностью (холодопроизводительностью):

Рис. 9.1. Идеаль­ный обратный обра­тимый цикл холодиль­ной (а), теплонасос­ной (б) и комбини­рованной (в) уста­новок

, (9.1)

где Δs – разность энтропии в процессах подвода или отвода теплоты. Эффективность теплового насоса определяется количеством тепло­ты подведенной к объекту с температурой Т_в:

, (9.2)

Теоретическая основа трансформаторов теплоты связана с исполь­зованием обратного термодинамического цикла. На рис. 9.1 показаны такие циклы соответственно для холодильной, теплонасосной и комби­нированной установок. При этом принято, что все процессы, составля­ющие циклы, идеальные, т. е. в данном случае рассматривается иде­альный обратный обратимый цикл Карно.

Принцип работы трансформатора теплоты обобщенно может быть представлен следующей последовательностью процессов. В процессе 1-2 осуществляется повышение давления рабочего тела с помощью подвода работы извне. Далее необходим отвод, теплоты на температур­ном уровне Т_в (процесс 2-3 –охлаждение или конденсация рабочего тела). В процессе 3-4 происходит расширение в определенном диапазоне давлений, и, наконец, цикл замыкается процессом 4-1, в котором к рабочему телу подводится теплота на нижнем температурном уровне Т_н. Такой цикл чаще всего используется при оценке показателей иде­альных и действительных трансформаторов теплоты, в которых могут быть использованы циклы, значительно отличающиеся от цикла Карно. Области применения трансформаторов теплоты широки и разнооб­разны. Холодильные установки, в которых осуществляется охлаждение объектов до температур Т_н в интервале 293–120 К, используют в пи­щевой промышленности, сельском хозяйстве и торговле для хранения и транспорта продукции; в системах кондиционирования воздуха про­изводственных и бытовых помещений для обеспечения комфортных ус­ловий для людей и технологического оборудования; в медицинской,, биологической и фармацевтической отраслях промышленности при производстве и хранении биологических продуктов, а также при изго­товлении препаратов, содержащих летучие вещества; в химической промышленности при производстве искусственного волокна и пласт­масс; в горной промышленности и строительстве при сооружении пло­тин, подземных сооружений и туннелей, для замораживания водонос­ных грунтов и плывунов; для создания искусственных ледяных катков.

Криогенные установки, в которых необходима температура 120 К' и ниже, используют: в металлургии, где продукты разделения возду­ха– кислород, азот, инертные газы – широко применяют для интенси­фикации процессов выплавки чугуна, стали и других металлов и спла­вов; в машиностроении, при обработке металлов в среде с низкой тем­пературой с целью увеличения их твердости и износоустойчивости, а, также при дроблении материалов и сборке деталей; в химической про­мышленности при разделении газовых смесей и сложных растворов; в газовой промышленности при разделении газовых смесей и получения гелия, при получении, хранении и транспорте сжиженных газов, а так­же для выделения из них, ценных продуктов; в авиации и космонавтике при обеспечении кислородом экипажа, работающего на больших высо­тах, и при получении топлива и окислителей; в энергетике для созда­ния и эксплуатации современных электротехнических устройств (сверх­проводящих или с очень малым электрическим сопротивлением); в радиотехнике и электронике для обеспечения оптимальных условий эксплуатации приборов и их чувствительных элементов; в медицине при создании специального криохирургического инструментария.

Тепловые насосы и комбинированные установки (ТНУ) в последнее время получают широкое распространение при утилизации низкопо­тенциальной теплоты (уровень температур t=10÷50°С).

ТНУ для систем утилизации низкопотенциальной теплоты разраба­тывают и совершенствуют в двух направлениях: для централизованно­го теплоснабжения проектируют крупные парокомпрессионные ТНУ и водогрейные котлы; для децентрализованного теплоснабжения целесо­образно использовать ТНУ малой мощности парокомпрессионного и термоэлектрического типов. Такие установки применяют в сельском хо­зяйстве, в промышленности, в жилищно-бытовом секторе.

Классификация трансформаторов теплоты может быть проведена обобщенно для холодильных установок и тепловых насосов ввиду того, что теоретические основы их работы одинаковы. По принципу действия наибольшее распространение получили трансформаторы теплоты термомеханического типа, в которых используют процессы повышения и понижения давления рабочего тела. Эти установки делятся на комп­рессионные, сорбционныё и струйные. Кроме термомеханических нахо­дят применение также трансформаторы теплоты электромагнитного типа, принцип работы которых основан на использовании постоянных или переменных электрического или магнитного, полей [71]. Более рас­пространены термоэлектрические трансформаторы теплоты, основан­ные на использовании эффекта Пельтье. Сведения о них можно полу­чить в специальной литературе [71].

Компрессионные установки могут быть паро- (или газо-) жидкост­ными и газовыми в зависимости от характера изменения состояния ра­бочего тела. В паро- и газожидкостных установках сжатие рабочего тела осуществляют при температурах ниже критической, в газовых – при температурах выше критической. Для процесса сжатия в компрессионных установках обычно используют электрическую или механиче­скую энергию.

В сорбционных установках (они могут быть как абсорбционными, так и адсорбционными) давление рабочего тела повышается в резуль­тате последовательно осуществляемых процессов поглощения рабочего агента сорбентом, сопровождающегося отводом теплоты, и дальнейше­го выделения рабочего агента с помощью подвода теплоты (десорб­ция). В качестве носителя энергии в установках сорбционного типа ис­пользуют пар, горячую воду или газы.

Струйные установки основаны на использовании кинетической энер­гии рабочего потока для повышения давления сжимаемого агента. Струя рабочего пара или газа, выходящая с большой скоростью из соп­ла, эжектирует сжимаемый поток (всасывание), затем происходит сжа­тие смеси в диффузоре.

По характеру процесса трансформации теплоты установки могут быть разделены на две группы: работающие по повысительной или по расщепительной схеме. В повысительной схеме теплота подводится к, установке на нижнем температурном уровне Т_н, а отводится на уровне Т_в. В установках с расщепительной трансформацией теплота подводит­ся к установке на некотором среднем температурном уровне Tср; далее имеются два потока – один на низком температурном уровне Т_н, дру­гой– на высоком T_в. В отличие от схем с повысительной трансформа­цией в расщепительной установке необходимы два цикла: один – пря­мой для получения работы, другой – обратный, в котором использует­ся работа для отвода теплоты со среднего температурного уровня Т_ср на верхний T_в.

В качестве показателей эффективности трансформаторов теплоты используют коэффициенты, представляющие собой отношение эффек­та, созданного установкой, к затрате энергии на ее работу. Для иде­альной холодильной установки такой коэффициент представляет собой отношение холодильной мощности установки q₀ к затраченной работе l и называется холодильным коэффициентом е:

. (9.3)

Для аналогичной характеристики теплового насоса соответственно используют соотношение

. (9.4)

называемое коэффициентом трансформации.

Оба коэффициента не могут быть названы КПД установок, так как не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к этому критерию [71] (в частности, оба могут иметь численные значения, большие единицы, что противоречит второму закону термодинамики). В формулах сопоставляются качественно различные виды энергии – теплоты и ра­боты. Известно, что качество вида, энергии определяется его способно­стью превращаться в другой вид энергии. Если работа в идеальном процессе может быть полностью превращена в другой вид энергии, то теплота даже в, идеальном процессе лишь частично превращается, на­пример, в работу. Степень такого превращения теплоты в работу ха­рактеризуется работоспособностью или эксергией потока теплоты и су­щественно зависит от температурного уровня потока теплоты, а также от температуры окружающей среды.

Соответствующие показатели трансформаторов теплоты – эксергетические η – наряду с коэффициентами ε и φ широко применяют при анализе этих установок и определяют следующими формулами [71]:

для холодильной установки

. (9.5)

для теплонасосной установки

. (9.6)

где ω_q – температурная функция или коэффициент работоспособности теплоты, определяемая как

; (9.7)

здесь Т – температурный уровень потока теплоты.

Вещества, применяемые в холодильных и теплонасосных установ­ках (хладагенты и хладоносители), должны удовлетворять некоторым общим для трансформаторов теплоты требованиям [71].

Для хладагентов основные требования сводятся к следующему:

1) давление конденсации р_к при заданной температуре в конденса­торе должно быть ниже критического р_кр, что облегчает конструкцию компрессора, снижает утечки, увеличивает КПД компрессора;

2) давление в испарителе р_о должно быть равно атмосферному или чуть выше, чтобы не было подсоса наружного воздуха и атмосферной влаги в установку, ухудшающих теплообмен между хладагентом и хладоносителем и вызывающих коррозию;

3) хладагент должен иметь большую удельную холодильную мощ­ность q₀ что снижает потери от дросселирования;

4) удельный объем паров на входе в компрессор должен быть ма­лым, если используется поршневой компрессор (это уменьшает его га­бариты), и, наоборот, достаточно большим, если в установке применя­ется турбокомпрессор (это при прочих равных условиях позволяет из­готовить проточную часть компрессора с высоким КПД);

5) хладагент должен иметь малую вязкость для получения высоких коэффициентов теплоотдачи, уменьшения гидравлических сопротивле­ний и обеспечения малых утечек через неплотности;

6) хладагенты должны быть нетоксичными, негорючими, взрывобезопасными, химически инертными и стабильными.

По степени безвредности хладагенты разделяют на классы [71]: причем выше класс безвредности, тем слабее воздействие паров агента на организм человека. Особенно ядовиты сернистый ангидрид и аммиак. Наиболее распространенные хладагенты и их свойства приведены в табл. 9.1.

Воду используют как рабочее тело в пароэжекторных и абсорбцион­ных холодильных установках. Достоинства аммиака как хладагента объясняются его малым удельным объемом и большой удельной тепло­той парообразования. Аммиак токсичен, но его утечки легко обнару­живаются, вследствие резкого запаха.

Широкое применение в современных холодильных и теплонасосных установках находят хладоны (фреоны) – галоидопроизводные предель­ных углеводородов. Они химически инертны и взрывобезопасны.

Хладоносители (теплоносители) используют в системах трансфор­матор теплоты – потребитель в случае большого расстояния между ни­ми или если в силу технических или технологических условий непосред­ственная связь между трансформатором теплоты и потребителем за­труднена или невозможна. Использование промежуточных хладоносителей позволяет повысить аккумулирующую способность трансфор­матора теплоты, иметь более простое и надежное регулирование и бла­гоприятные условия для- автоматизации системы. В то же время при наличии хладоносителей возникает необходимость защиты от корро­зии труб, аппаратуры и оборудования; вследствие появления разности температур необходимо поддерживать более низкие температуры кипе­ния в испарителе (в холодильных установках) при той же температу­ре у потребителя, дополнительно затрачивать энергию на транспорт хладоносителя. В качестве промежуточных хладо- или теплоносителей в трансформаторах теплоты применяют водные растворы (рассолы) хлористого натрия NaCl и хлористого кальция СаСl, а также этиленгликоль; в низкотемпературных установках – фреон Ф-30.

Условия надежной эксплуатации установок определяют требования к хладо- и теплоносителям: низкая температура замерзания, небольшая вязкость для снижения потерь в трубопроводах, большая теплоем­кость для уменьшения расхода и потерь при теплообмене, химическая, стойкость и малая коррозионная активность, высокая теплопровод­ность, нетоксичность, взрывобезопасность.

Контрольные вопросы

1. Что общего и какие различия в принципах работы холодильной установки и теплового насоса?

2.. В чем различие холодильного коэффициента и КПД холодильной установки; в чем преимущества КПД?

3. Назовите основные принципы выбора хладагентов холодильных установок.

4. Каковы области преимущественного применения газовых холодильных уста­новок?

5. Что дает регенерация в холодильных установках?

6. В чем основные рреимущества абсорбционных и пароажекторных установок пе­ред парокомпрессионными.

7. Может ли вихревая труба работать при полном отсутствии «горячего» по­тока?

8. Каковы перспективы применения теплонасосных установок в промышленности?

9. Поясните схему функционирования комбинированной теплонасодной установки в зимнем и летнем режимах.

10. Каковы энергетические показатели применения турбокомпрессоров для повы­шения давления пара?

Температурное поле в однородной бесконечной стенке с наружным и внутренним диаметрами соответственно и и =const

(1.15)

где и –температуры па внутренней и наружной поверхностях стенки; d – текущий диаметр цилиндрической поверхности, для которой определяется температура t.

Температурное поле в стенке с учетом температурной зависимости теплопроводности

(1.16)

где l – длина цилиндрической стенки.

Формула теплопроводности для стенки, составленной из п цилин­дрических слоев,

(1.17)

где и –температуры на внутренней и внешней поверхно­стях многослойной стенки соответственно; и –внутренний и внешний диаметры i-го слоя стенки.

Температура на границе между i-м и (i+1)-м плотно прилегающими слоями многослойной стенки

(1.18)

Формула теплопередачи между двумя средами с температурами и

(1.19)

Линейный коэффициент теплопередачи , Вт/(м-К), в формуле (1.19) для n-слойной стенки

(1.20)

где и –коэффициенты теплоотдачи на внутренней н внешней по­верхностях стенки соответственно.

Термические сопротивления, представленные в формуле (1.20), R, мК/Вт:

сопротивления теплоотдачи на внутренней и внешней поверхностях стенки соответственно

и

суммарное сопротивление теплопроводности п слоев стенки

общее сопротивление теплопередачи цилиндрической стенки

При расчете многослойных стенок используется эквивалентный ко­эффициент теплопроводности

` (1.21)

Проверка пригодности материала изоляции для уменьшения тепло­вых потерь от трубопровода в окружающую среду производится по критическому диаметру

(1.22)

где –теплопроводность материала изоляции; –коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности в окружающую среду.

Если ( –наружный диаметр неизолированного трубо­провода), то покрытие трубопровода такой изоляцией будет снижать теплопотери в окружающую среду. Если , то применение такого теплоизоляционного материала нецелесообразно и следует подобрать | другой материал или применить многослойную изоляцию.

Условие выбора теплоизоляционного материала для снижения теп­ловых потерь от трубопровода, покрытого слоем изоляции:

(1.23)

Толщина изоляционного слоя определяется из (1.19), (1.20). |

1.4. Шаровая стенка

Температурное поле в однородной стенке при =const

(1.24)

где и –температуры на внутренней и внешней поверхностях шаровой стенки; и ,– внутренний и наружный диаметры шаровой стенки; d–текущий диаметр сферической поверхности, на которой определяется температура t.

Температурное поле в однородной шаровой стенке при учете тем­пературной зависимости теплопроводности

(1.25)

Формула теплопроводности для шаровой стенки, составленной из п слоев,

(1.26)

Теплопередача между двумя средами с температурами и

(1.27)

Коэффициент теплопередачи для многослойной стенки, Вт/К,

(1.28)

где и -термические сопротивления теплоотдачи; –суммарное. термическое сопротивление теплопроводности п слоев стенки; Re– |общее термическое сопротивление теплопередачи, К/Вт.

Глава вторая

ТЕПЛООБМЕН НА РЕБРИСТОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Для интенсификации теплопередачи между двумя, средами применяют оребрение поверхностей стенки, разделяющей эти, среды. Как правило, оребрение осуществляется на той поверхности теплообмена, где имеет место малый коэффициент теплоотдачи (или большое термическое сопротивление).

Дата добавления: 2014-12-07