Эффективность трансформации тепла.
Определение эффективности ТТ в целом базируется на эксергетическом методе анализа.
Термин ЭКСЕГРИЯ введен в 1956 г Рантом по предложению Планка
(ergon – работа, ex – из, вне – греческое).
Любое количество энергии (любого вида) по отношению к окружающей среде (20˚С, 1 атм) обладает максимальной работоспособностью, т.е. максимальной работой, которая может быть получена (в обратном процессе) от данного количества энергии в условиях окружающей среды.
Это максимальное количество работы называется эксергией. Соотношение между эксергией E и энергией Э устанавливается коэффициентом работоспособности τ
Е=Э·τ
Для механической и электрической энергии τ=1.
Для тепла:
Все реальные технические процессы, в том числе в ТТ, происходят в условиях взаимодействия с окружающей средой То.с, параметры окружающей среды практически не меняются, и можно сказать они постоянные. Не всякая энергия и не при всех условиях может быть целиком пригодна для практического использования. Техническая ценность энергии зависит не только от ее собственных формы и параметров, но и от параметров окружающей среды.
Например, колоссальная энергия беспорядочного теплового движения молекул воды в водоёмах бесполезна, если ее температура равна температуре окружающей среды. Техническая ценность такой энергии равна нулю, так как она не может быть использована или преобразована в какой-либо другой вид энергии. Поэтому при термодинамическом анализе технических процессов важно изучать потери только превратимой энергии.
Ценность теплоты определяется долей теплоты, которая может быть превращена в другой вид энергии (работу). Фактически ценность теплоты определяется через КПД идеального теплового двигателя (Карно).
КПД цикла Карно – это коэффициент работоспособности теплоты, а произведение располагаемой энергии на этот коэффициент называется эксергией этой теплоты.
Ценность теплоты – вначале по убыванию – имеем теплоту на высоком уровне – можем получить в прямом цикле Карно много работы – высокий КПД, при низком потенциале это невозможно – КПД низкий. Т.е. ценность теплоты зависит от ее потенциала (температуры). Температура определяет качество теплоты.
Про компрессор
В области влажного пара технически осуществить процессы сжатия и расширения невозможно (возникновение гидравлических ударов, вызванных попаданием жидкости в компрессор, в быстроходных поршневых компрессорах за время одного хода, составляющего десятые доли секунды, жидкость не успевает испариться). Поэтому от них отказываются и выводят процесс сжатия в область перегретого пара.
Это приводит к увеличению удельной работы сжатия на единицу расхода рабочего агента.
- работа сжатия увеличивается ↑↑
дополнительно в испарителе забирается 
Если рассматривать действительный процесс сжатия в компрессоре, то параметры точки 2 определяются с учетом адиабатического КПД компрессора 
:
эта формула выводиться из: 
При этом эксергия подводимая к компрессору будет равна:
Внутренние потери эксергии в компрессоре составят:
Для справки: 
Также необходимо учитывать, что работа, подведенная к компрессору, получена от электродвигателя. Эксергия подведенная в виде электрической энергии к установке, которую можно измерить на зажимах электродвигателя компрессора:
Тогда эксергия подведенная к компрессору будет равна:
Электромеханические потери эксергии в компрессоре:
Про дроссель
Применяют дросселирование. Детандер заменен дроссельным вентилем, это сильно упрощает схему (для малых ТТ детандеры очень сложны в изготовлении и дорогие), но приводит к увеличению удельного расхода работы на трансформацию тепла (от детандера нет возврата работы).
Также дросселирование уменьшает количество тепла, подводимого в испарителе, на единицу рабочего агента.
- холодопроизводительность снижается ↓
Потери эксергии при дросселировании:
Конденсатор.
Потери эксергии:
1) В конденсаторе потери эксергии связаны, с тем что перегретый пар хладагента, имеющий высокую температуру и соответственно высокую удельную эксергию, поступает из компрессора в конденсатор, в котором в результате необратимого теплообмена с окружающей средой пар конденсируется, а эксергия отведённого тепла передается окружающей среде и теряется.
2) Также конечная разность температур на выходе из конденсатора между хладагентом и окружающей средой вызывает дополнительный расход работы в ТТ.
Потери эксергии в конденсаторе – это эксергия отданная хладагентом:
Испаритель.
Для снижения удельного расхода работы в холодильной установке следует в первую очередь максимально снижать необратимую разность температур в испарителе.
Хладоносители.
При транспортировке холода неудобно использовать хладоны (большое количество, высокая цена хладонов), поэтому используют хладоносители.
Хладоносители – жидкости с низкими температурами затвердевания, которые применяются для транспортировки холода от холодильных установок к потребителям.
1) Первый тип хладоносителей – рассолы – это растворы - вода + соль
1.1) Н2О + NaCl – хлористый натрий
При концентрации соли 23,1% температура замерзания раствора tзам=-21,2оС (минимальная температура замерхания)
1.2) Н2О + СaCl2 – хлористый калий
Минимальная tзам=-55оС При 29,9%
„–” сильная коррозионная активность.
Используется: NaCl (до -15оС)
СaCl2 (до -45оС)
„+” дешевые, безвредные.
Зависимость температуры замерзания от концентрации для всех растворов солей примерно одинакова и приведена ниже.
| Параметры криогидратных точек: 1) NaCl tк=-21,2 оС при ξк=0,23 2) СaCl2 tк=-55 оС при ξк=0,299 |
Фазовая диаграмма раствора соли в воде (Криостатическая кривая)
С помощью вымораживания деминерализуют (опресняют) соленые воды. При охлаждении соленой воды ниже т-ры замерзания в ней образуются кристаллы льда, к-рые после отделения, промывки и плавления дают опресненную воду.
Чистая, без примесей солей, вода замерзает при нуле градусов по Цельсию, океанская вода с солесодержанием 35 граммов на литр — при температуре минус 1,85°С. Поэтому, если соленую воду медленно заморозить (пресная вода кристаллы получаются крупные – между ними соленая вода) потом медленно оттаивать – вначале тает соленая вода, потом пресная с концентрацией соли менее 1 г/л.
2) Второй тип хладоносителей - Органические хладоносители
2.1) этиленгликоль С2Н4(ОН)2 tзам=-73оС (при концентрации 67%) ядовит Этиленгликоль – токсичный двухатомный спирт
2.2) - пропиленгликоль не ядовит С3Н6(ОН)2 tзам=-50оС (при концентрации 60%)
Сладковатый вкус.
Важно: При выборе мощности ХМ электрическая мощность сетевых насосов добавляется к мощности потребителя.
Бромисто – литиевая АБХМ
Бромистый литий (рабочее тело – вода и водяной пар, LiBr – абсорбент) (до 0°С).
Хим. формула LiBr – твердое вещество. Молярная масса – 86,845 г/моль. Плотность – 3,464 г/см³.
Растворимость в воде - 145 г/100 мл (4°C), 166,7 г/100 мл (20°C), 254 г/100 мл (90°C).
Температура плавления 552°C, Температура кипения 1265°C, Ректификация не нужна из-за большой разности температур кипения, вода испаряется без примесей LiBr.
Рабочим агентом в этих установках служит вода Н2О, а абсорбентом - бромистый литий LiBr. Такие установки применяются обычно для охлаждения воздуха в области температур от 0 до 9—10°С. Соответствующее этим температурам давление испарения воды составляет от 0,6 до 1,2 кПа. При температуре конденсации рабочего агента, составляющей обычно 20—30°С, давление конденсации равно 2,4—4,5 кПа.
Пароэжекторная ХМ.
По принципу работы – тоже парокомпрессионная, но без компрессора. Можно просто создать разряжение над водой (с помощью вакуум насоса) и вода будет кипеть при низкой температуре.
Рабочее тело вода и водяной пар
| Т, °С | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 36 |
| Р, кПа | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | 1,8 | 6 |
Теплота парообразования при давлении 1 кПа составляет 2480 кДж/кг.
Но придется очень сильно сжимать пар, например от 1 кПа до 100 кПа (в 100 раз) – чтобы выбросить пар в атмосферу, но работа сжатия будет очень большая, а можно всего до 6 кПа, а дальше – конденсатор, охлаждаемый водой с температурой окружающей среды. Из конденсатора для поддержания в нем разряжения придется только откачивать воздух, который может попадать из атмосферы в сосуды с пониженным давлением, как в обычном конденсаторе паровой турбины.
Вместо компрессора используется струйный компрессор – паровой эжектор.
Используют такие машины только когда есть сбросной пар низких параметров (Рр=0,47 МПа, tпара=150°С). Много проблем при эксплуатации, так как нужно поддерживать глубокий вакуум.
1 кПа – 8°С. 6 кПа – 36 °С. 10 кПа – 46 °С. 0°С – 0,6 кПа.
Принцип действия:
Рабочая вода, нагретая у потребителя, через запорный клапан (1) поступает в испаритель (2).
В испарителе в следствии непрерывного отсоса главным эжектором (3) образующегося пара поддерживается давление насыщения, соответствующее температуре выходящей воды из испарителя (2) рабочей воды.
Небольшая часть рабочей воды испаряется, отнимая теплоту испарения от основной массы воды, циркулирующей через испаритель, благодаря чему вода охлаждается.
Из испарителя охлажденная вода откачивается центробежным насосом (4) и подается к потребителям на нужды кондиционирования.
Рабочий пар поступает в редукционный клапан (5), где давление пара снижается до требуемой величины и далее через клапан (6) поступает к соплам главных эжекторов.
Проходя через сопло, рабочий пар расширяется до давления несколько меньше требуемого давления насыщения в испарителе. Благодаря этому из испарителя в приемную камеру главного эжектора отсасывается холодный пар, который затем, смешиваясь с паром, вышедшим из сопла, поступает в главный конденсатор (7).
Смесь холодного и рабочего пара конденсируется, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде, циркулирующую через трубки главного конденсатора.
Конденсат образующийся в главном конденсаторе, откачивается конденсатным насосом (8) и через невозвратно-запорный клапан (9) нагнетается в конденсатную систему.
Часть конденсата, необходимая для компенсации испарившейся рабочей воды, поступает через электромагнитный клапан и поплавковый регулятор уровня (10) в испаритель.
Так как в пароводяной эжекторной машине все основные аппараты – испаритель, главный конденсатор и так далее работают под давлением ниже атмосферного, неминуемо происходят присосы воздуха через неплотности.
Для поддержания в аппарате заданных давлений необходимо непрерывно отсасывать воздух из системы.
Из испарителя вместе с холодным паром главный эжектор отсасывает воздух.
Отсос воздуха из главного конденсатор с выбросом в атмосферу осуществляется вспомогательными эжекторами в две ступени.
Необходимость двух ступеней объясняется тем, что воздух отсасывается со степенью сжатия 15-30, что не может быть обеспечено одним эжектором.
Вместе с воздухом эжекторы первой и второй ступени отсасывают и некоторое количество пара.
Паровоздушная смесь из эжектора первой ступени (11) поступает в конденсатор первой ступени (14) где пар конденсируется, а освободившийся воздух из конденсатора первой ступени отсасывается эжектором второй ступени (13), из конденсатора второй ступени воздух выбрасывается в атмосферу.
В конденсаторе второй ступени давление несколько больше атмосферного, в конденсаторе первой ступени давление промежуточное.
Конденсат, образующийся в конденсаторе второй ступени, через перепускной клапан (15) поступает в конденсатор первой ступени.
Конденсат из конденсатора первой ступени под влиянием разности давлений через клапан (16) перетекает в главный конденсатор.
Применение эжектора в парокомпрессионной машине:
Пар здесь подают не из котла, а из компрессора верхней ступени. И это не обязательно вода в качестве рабочего тела. Не нужно ставить второй компрессор, хотя производительность компрессора верхней ступени придется существенно увеличить.
Газовый ХМ
Холодильные машины, весь термодинамический цикл которых совершается в области сильно перегретого пара – газа, называют газовыми холодильными машинами.
Начать со сжатия и расширения газа – сразу туда – сюда без толку, а если подождать пока остынет до окружающей среды – получим холодильник. Можно просто расширить атмосферный воздух, но потом придется все равно сжать. Расширение при понижении давления – основа ГХМ.
Газ поступает в компрессор с температурой Т1 и давлением Р1 и сжимается в процессе (1–2) до давления Р2. При этом его температура повышается до Т2. Затем газ поступает в охладитель, где от него отводится теплота и он охлаждается до температуры Т3. Затем газ направляется в детандер, где в процессе расширения (3–4) его температура снижается до Т4, а давление до Р4. После этого холодный газ поступает в ТА, где к нему подводится теплота от источника низкой температуры в процессе (4–1). Температура газа повышается до Т1 и он снова направляется на всасывание компрессора.
Во всех газовых холодильных машинах применяется только расширение с отдачей внешней работы. Для этого используется детандеры, внешняя работа которых передается компрессору.
Затраты работы в цикле ГХМ:
Считая, что теплоемкость газа 
постоянной, а также исходя из того, что:
получаем:
Холодильный коэффициент ГХМ:
Найдем зависимость 
от 
и 
:
Так как при адиабатном процессе:
поэтому:
Реальный процесс в ГХМ
3-4д – реальный процесс расширения.
Чем больше будет отклонение, тем меньше получим холода. Можем дойти до такой точки, что вообще не будет холода.
Регенеративный цикл ГХМ
Реально большинство ГХМ с воздухом в качестве рабочего тела работают по регенеративному циклу. При этом снижается степень повышения давления в компрессоре и степень расширения газа в детандере.
Холодильный коэффициент регенеративного цикла:
Кроме того, можно исключить теплообменники подвода и отвода тепла. В холодильной камере рабочее тело – воздух – непосредственно подают в морозильную камеру и он забирает тепло от охлаждаемых объектов (в ПКХМ рабочее тело охлаждает воздух и уже затем воздух охлаждает замораживаемые продукты). Тепло к окружающей среде тоже передают не через теплообменник, а за счет сброса горячего воздуха в атмосферу и забора холодного - из атмосферы.
Важно заметить, что в морозильной камере давление желательно иметь близкое к атмосферному, иначе ее придется делать прочной и герметичной. Это дорого и не удобно. Схема такой холодильной установки, предназначенной для быстрой заморозки овощей и фруктов приведена ниже.
Сопоставление циклов:
Цикл Стирлинга
Левая часть поддерживается при Тос, а холод в правой части t=Тх.
Поршни двигаются прерывисто (в идеале): один движется, второй – стоит.
В реальных машинах они движутся по синусоидам со смещением фаз относительно друг друга.
1-2 – левый поршень начинает сжимать газ с отводом тепла к окружающей среде, поэтому процесс приближается к изотермическому;
2-3 – оба поршня синхронно двигаются вправо, v=const, давление уменьшается за счет охлаждения от Тос до Тнижн, теплообменник отдает тепло насадке.
3-4 – правый поршень двигается вправо → расширение – объем газа увеличивается, одновременно подводится тепло от охлаждаемого объекта → Т=const.
4-1 – оба поршня синхронно перемещаются влево, объем остается постоянным, а давление повышается за счет нагрева газа, проходящего через регенератор.
Особенности:
- высокий КПД: до 45% от цикла Карно;
- Температуры до -200°С, но тогда рабочим телом должен быть газ с низкой температурой конденсации (неон, гелий, водород).
Оптимальные параметры такой холодильной машины (с максимальным КПД – до 50% от КПД обратного цикла Карно) получаются при температуре около 100 К (см. рисунок ниже).
Такие машины хорошо работают для сжижения воздуха. На холодной стороне цилиндра делают оребренную поверхность и воздух на ней сжижается, а теплую охлаждают водой. Периодически после нескольких часов работы машину останавливают для удаления льда с ребер холодидьника.
Тип машины
В настоящее время фирмой создана новая холодильная машина Стирлинга для бытового холодильника, имеющая эксергетический к.п.д. около 60%, производительность 200 Вт на уровне 258 К. Стоимость этой модели, по предварительным просчетам будет составлять 88 долл. США за единицу (при серийном производстве 250 тыс. холодильников в год).
Фирмой "Gryodynamics Inc." (США) создан домашний холодильник с машиной Стирлинга, который на уровне от 250 К до 271 К, по эффективности, также, превосходит существующие холодильники с ПКХМ. Холодильник имеет два контейнера, один из которых предназначен для замораживания продуктов, а другой - для хранения охлажденных продуктов. Сравнительные характеристики представлены в таблице 2.
Таблица 2
Характеристики холодильных машин Стирлинга
умеренного холода фирмы "Gryodynamics, Inc"
|
|
Тип холодильника | |
| Холодильник с ПКХМ | Холодильник с ХМ Стирлинга | |
| Время охлаждения, ч | 1:55 | 1:00 |
| Мощность привода, Вт | 240 | 150 |
| Температура замораживания, К | 252 | 250 |
| Температура охлаждения, К | 275 | 275 |
| Эксергетический к.п.д. | 18% | 25% |
Фирмой "General Electric" (США) подготовлен к серийному производству домашний холодильник на основе охладителя Стирлинга, имеющий эффективность на 16% выше по сравнению с ПКХМ. Время наработки - 25 тыс. часов. Однако, как отмечают специалисты, стоимость холодильника при мелкосерийном производстве почти в 2 раза выше, чем у холодильников с ПКХМ. При производстве холодильников 250 тыс. штук в год, их цена снижается до 88 дол. США, а при производстве 1 млн. штук в год составит всего лишь 33 долл. США за единицу.
Японская компания "Toshiba" выпускает в настоящее время несколько типов холодильных машин Стирлинга, работающих в диапазоне от 173 до 275 К. Характеристики основных видов данного холодильного оборудования представлены в таблице 3.
Характеристики холодильных машин Стирлинга
умеренного холода фирмы "Toshiba"
|
|
Тип машины | ||
| NS 03 N | SD 01 C | SC 100 | |
| Холодопроизводительность, Вт | 3500 | 10 | 100 |
| Температура рефрижерации, К | 173 | 275 | 233 |
| Давление во внутреннем контуре машины, МПа | 1,5 | 0,15 | 0,7 |
| Холодильный коэффициент | 0,6 | - | - |
| Эксергетический к.п.д. | 35% | - | 22% |
Серьезные намерения в отношении холодильных машин Стирлинга имеет такой гигант, как южнокорейская корпорация "LG Electronic Inc". Работы по холодильным машинам Стирлинга умеренного холода фирма начала с 1996 года. В настоящее время ей разработана и испытана холодильная машина Стирлинга "LG cooler" с механическим приводом производительностью 250 Вт для бытового холодильника. Эта корпорация предполагает представить на мировой рынок холодильной техники новую серийную модель бытового холодильника со свободнопоршневой машиной Стирлинга "Model 100A". Эффективность этой усовершенствованной машины на 25% выше, чем у машины фирмы "Global Cooling B.V.", демонстрировавшейся в 1994 году на 12 Мировом конгрессе по холоду. Эта модель предназначена для портативного 60-литрового холодильника с температурой охлаждения 250 К и имеет производительность 100 Вт.
Технические характеристики этой холодильной машины: общая длина - менее 250 мм и масса 2,5 кг. Опыт коммерческой реализации первой партии холодильников показал высокий потребительский спрос. Холодильник изготовлен в виде контейнера, компактен и удобен в применении.
Фирма "Global Cooling B.V." считается одной из ведущим компаний в области создания свободно-поршневых холодильных машин Стирлинга. Этой фирмой разработан 200-литровый бытовой холодильник с холодильной машиной Стирлинга (схему машины см. фото 1), для которой в качестве источника энергии выступает солнечная радиация, а также домашний холодильник вместимостью 365 литров, который при температуре 243 К имеет 30%-ную экономию энергии по сравнению с ПКХМ.
Производством и исследованием холодильных машин Стирлинга в настоящее время также занимаются такие фирмы, как "Mitchell Stirling Systems Inc.", "AEG AG", "Kubota Corporation" и многие другие.
Цикл Такониса
Работают с тремя уровнями температур. Сверху тепловой двигатель, снизу холодильная машина. Работа, выработанная двигателем компенсирует затраты работы холодильной машины. Затрат работы извне практически нет. Например, имея тепло на уровне окружающей среды и жидкого азота, можно получить холод на водородном уровне.
В цилиндре двух диаметров (1, 4) расположены два вытеснителя (2, 3). Рабочий объем машины остается постоянным. Давление меняется за счет теплообмена с источниками тепла.
I-II – вытеснитель 3 неподвижный; вытеснитель 2 переталкивает рабочее тело из среднего объема через регенератор 8 в нижний объем. Давление увеличивается в результате подвода тепла к газу.
II-III – вытеснитель 2 неподвижный; вытеснитель 3 переталкивает рабочее тело из среднего объема через регенератор 6 в верхний объем. Давление уменьшается.
III-IV – вытеснитель 3 неподвижный; вытеснитель 2 переталкивает рабочее тело из нижнего объема через регенератор 8 в средний объем. Давление уменьшается.
IV-I – вытеснитель 2 неподвижный; вытеснитель 3 переталкивает рабочее тело из верхнего объема через регенератор 6 в средний объем. Давление повышается.
Цикл Гиффорда-Мак-Магона
Процесс основан на эффекте Джоуля, т.е. процесс впуска и выпуска газа в сосуд с изменением температуры. Если у нас с одной стороны сжатый газ в цилиндре, а с другой стороны в сосуде атмосферный, при открытии дроссельного вентиля между сосудами газ начнет перетекать из поршня в сосуд, в поршне для того, чтобы не снижалось давление, поршень двигается в право поддерживая постоянное давление. Для воздуха, например, при pц=1 МПа и pс=0,1 МПа, Тс=20°С и Тц=27°С, температура в конце процесса в сосуде составит Тс=131°С.
При выхлопе газа из сосуда, для воздуха, например, при pц=0,1 МПа и pс=1 МПа, Тс=20°С, температура в конце процесса в сосуде составит Тс=-123°С, а в цилиндре Тц=-56,5°С.
Впускной клапан 6 открыт → вся система заполнена воздухом высокого давления. Затем поршень 4 движется вверх, газ переталкивается через теплообменник 3, при этом охлаждается, отдавая тепло насадке, насадка нагревается. Объем газа уменьшается при постоянном давлении, т.к клапан впуска 6 открыт. Затем клапан 6 закрывается, а клапан выпуска 7 открывается → газ из цилиндра сбрасывается в ресивер 2 (выхлоп) при более низком давлении, температура газа под поршнем 4 понижается за счет расширения.
Поршень перемещается вниз, проталкивает газ через регенеративный теплообменник, газ нагревается → объем увеличивается, давление остается постоянным, т.к клапан выпуска 7 открыт; газ выходит в ресивер 2.
Клапаны переключаются и все заново.
Затрат работ практически нет (только в компрессоре).
< 
< 
„–” эффективность ниже, чем по циклу Карно.
„+” значительно проще по конструкции; производительность выше, чем по циклу Стирлинга (мощность до 1 МВт по холоду).
Тепловые насосы
Это те же самые холодильники ПКХМ и АБХМ
Вначале рассмотрим ПКТН (парокомпрессионные тепловые насосы)
Начнем с домашнего холодильника – как из него сделать тепловой насос.
Далее кондиционер – готовый холодильник и тепловой насос в одном флаконе.
Сплит-система (англ. split — «разделять») — кондиционер, система кондиционирования воздуха (СКВ), состоящая из двух блоков: внешнего (компрессорно-конденсаторного агрегата) и внутреннего (испарительного).
Нагрев воздуха в помещении происходит за счет тепла, отбираемого у наружного воздуха.
С понижением температуры наружного воздуха увеличиваются энергетические затраты на перекачку тепла с улицы в помещение. В связи с этим не рекомендуется использовать кондиционер для обогрева при наружной температуре ниже -5 С: потребляемая мощность при этом возрастает, мощность обогрева падает, увеличивается износ компрессора и обмерзает (покрывается льдом) испаритель.
К настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов в мире ошеломляют:
- В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.
- В ШВЕЦИИ 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла … Балтийское море с температурой + 8° С.
- В ГЕРМАНИИ предусмотрена дотация государства на установку геотермальных тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.
- В МИРЕ по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%.
ТЭЦ может оказаться не выгодной. Преобразование химической энергии топлива в тепло не ограничено вторым законом термодинамики, т.е. можно получить и 100%. ПГУ на газе уже дает КПД до 60%. А тратить электроэнергию на тепло со 100% КПД нерационально. Кроме того, тепловые сети много дороже электрических. Сейчас начинает обсуждаться и использоваться процесс отопления за счет энергии ветра. Там тоже посредник электроэнергия.
Теория теплового насоса
При работе по обратному циклу Карно
Энергетическая ценность тепла:
Коэффициент трансформации:
очень сильно зависит от 
:
Если T ос = 273К, а t от = 75°С, тогда
- реально столько не получится
Самый распространенный источник тепла для теплового насоса – тепло Земли. На глубине ≈ 5 м tземли= const=10°С.
На эту глубину располагают теплообменник. Сверлят вертикальные скважины на расстоянии 5 м друг от друга: в одну закачивают воду, из другой выкачивают (надо специальное разрешение).
Скважина.
При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько не глубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную глубину.
Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение – на 1 метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров.
Земляной контур.
При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами – 0,8..1 м. Специальной подготовки почвы, засыпок и т.п. не требуется. Предпочтения к грунту – желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой – это приводит лишь к увеличению длины контура.
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20..30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 350..450 метров, для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 400 кв. метров (20м*20м – 4 сотки).
Водоём.
При использовании в качестве источника тепла воды ближайшего озера, реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения – короткий внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 300 метров.
Для того чтобы трубопровод не всплывал, на 1 погонный метр трубопровода устанавливается около 5 кг груза.
Теплый воздух.
Для получения тепла из теплого воздуха, например, из вытяжки системы вентиляции, устанавливается специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях, например, на хлебопекарнях, предприятиях по производству керамики и т.п. предприятиях с большим количеством вырабатываемого теплого воздуха.
Кстати, тепловой насос вырабатывает тепло не только в отопительный период, тепло для системы горячего водоснабжения вырабатывается круглый год. А для среднего загородного дома затраты на приготовление горячей воды составляют около 15-20 процентов.
Применение АБХМ на ТЭЦ
Реализация в Китае
Китайская электростанция Шенту располагает четырьмя энергоблоками мощностью по 500 МВт каждый. Расположена в городе Шузу в северной провинции Шаньси, Ключевым элементов теплофикационной системы является тепловой насос, который извлекает низкопотенциальное тепло от охлаждающей воды после конденсатора и передает его в контур нагрева горячей вода.
Охлаждающая вода остывает после теплового насоса примерно с 30 градусов до 26 градусов Цельсия и также поступает в градирни. Так как температура воды стала меньше, то она меньше испаряется в атмосферу. Снижается расход добавочной воды в цикл.
Горячая вода в тепловых насосах нагревается не полностью, окончательный нагрев до 130 градусов происходит в сетевых подогревателях.
Было подсчитано, что на каждый 1 МВт отпускаемой со станции тепловой энергии, примерно 0,3 МВт берется от охлаждающей воды после конденсатора.
Тригенерация
Термин тригенерация получился как логическое продолжение когенерации — одновременной выработки электроэнергии и тепла. Что делать с вырабатываемым теплом зимой — понятно (на отопление), а летом? Выбрасывать в атмосферу большое количество тепловой энергии — неразумно и неэкологично, а так как абсорбционные чиллеры как раз работают на тепловой энергии, и как раз потребность в холоде в основном — летом, то решение гениальное и простое — тригенерация. Летом установка тригенерации вырабатывает электроэнергию, тепловая энергия (по сути бросовая) преобразуется в АБХМ в холодную воду. Зимой тригенерационная установка вырабатывает электроэнергию, тепло идет на нужды отопления.
Типовым элементом, дополняющим обычную когенерацию, служит АБХМ (АБТН)
Тригенерация на примере энергоснабжения торгового комплекса
При строительстве мебельного торгового комплекса “3 Кита” (Москва), общей площадью 100.000 м2, планировщиками было принято решение установить когенерационную установку. Проект был реализован в 1999 г. Энергоснабжение торгового комплекса осуществляют четыре газопоршневых двигателя с электрической мощностью 1,5 МВт и тепловой мощностью 1,8 МВт. Установки работают на природном газе. Теплоносителем является вода, нагретая до 110°C. Горячая вода используется как непосредственно для отопления, так и для подогрева поступающего извне воздуха. Газопоршневые двигатели снабжены глушителями и нейтрализаторами CO2. Концепция энергоснабжения использует принцип тригенерации. Электричество, тепло и холод производятся совместно. В теплое время года тепло, производимое когенерационной установкой может быть утилизовано абсорбционной холодильной машиной для охлаждения воздуха в помещениях.
Таким образом, когенерационная установка производит, в зависимости от времени года, тепло или холод, поддерживая температуру в помещениях постоянной. Это особенно важно для хранения мебели. Тригенерацию обеспечивают две бром-литиевые абсорбционные холодильные машины, мощностью 1,5 МВт каждая. Стоимость потребленного установками топлива в 2002 г. была в несколько раз меньше стоимости покупки тепла и электроэнергии у компании “М-энерго”. Кроме того, стоимость подключения к городским сетям во многих случаях сравнима со стоимостью самих установок.
Основы трансформации теплоты
Е.Я.Соколов, В.М. Бродянский. Энергические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981 г.
А.В.Мартынов. Установки для трансформации тепла и охлаждения. М.: Энергоатомиздат, 1989 г.
Трансформаторами тепла называются технические системы, в которых осуществляется отвод энергии в форме тепла от объектов с относительно низкой температурой к приемникам тепла с более высокой температурой.
Такое преобразование, называемое в технике повышением потенциала тепла, не может, как следует из термодинамики, происходить самопроизвольно.
· Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от нагревателя в эквивалентную ей работу (формулировка Кельвина).
· Невозможен вечный двигатель второго рода (формулировка Томпсона – Планка).
· Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему (формулировка Клаузиуса).
Для повышения потенциала тепла необходима затрата внешней энергии того или иного вида: электрической, механической, химической, кинетической энергии потока газа или пара.
То есть, процесс трансформации сопровождается отводом теплоты с низкого уровня.
| Термодинамическая схема: 1 – холодильная машина; 2 – теплового двигателя. |
Тепловой двигатель – это прямой цикл, где мы получаем работу, а холодильный – обратный, для протекания процесса нужно подводить энергию.
Можно сказать, что если обе машины обратимы (т.е. термодинамические процессы не содержат потерь тепла или работы), то существует конечный предел эффективности каждой из них, и в обоих случаях это есть отношение: для тепловой машины - W/Qн – это и есть термический КПД, а для теплового насоса - Qн/W – коэффициент трансформации (преобразования) теплоты.
Введем еще одно понятие, Искусственный холод – теплота, температурный уровень которой ниже температурного уровня окружающей среды.
История создания машин для получения искусственного холода:
14 июля 1850 года американский врач Джон Гори впервые продемонстрировал процесс получения искусственного льда в созданном им аппарате. В своём изобретении он использовал технологию компрессионного цикла, которая применяется в современных холодильниках, а сам аппарат мог служить одновременно морозильником и кондиционером.
В 1857 году австралиец Джеймс Харрисон стал применять холодильные камеры, работающие с использованием компрессора, в пивоваренной и мясообрабатывающей промышленности.
В 1857 году был создан первый железнодорожный вагон-холодильник.
Французский учёный Фердинанд Карре в 1858 году придумал, как за счёт абсорбции аммиака можно получать искусственный холод — придумал первую абсорбционную холодильную машину. Несмотря на то, что его способ был очень удачным, об изобретении забыли на несколько десятилетий.
Достигнутые температуры 1963г – 1,2*10-6 К кратковременно
1965г – 0,002 К стационарно
0 К = -273,15 оС
Виды потребителей теплоты:
· - самый главный потребитель холода – пищевая промышленность;
· - бытовые холодильники;
· - химическая промышленность (разделение газов, получение каучука, пластмассы и т.д.);
· - медицина (хранение, транспортировка);
· - кондиционирование помещений;
· - тепловой насос.
Классификация ТТ:
Процессы повышения потенциала тепла классифицируются обычно в зависимости от положения температурных уровней: верхнего- теплоприемника Тв и нижнего – теплоотдатчика Тн по отношению к температуре окружающей среды То.с.
В большинстве случаев принимают температуру окружающей среды равной 20˚С (293 К).
1. Классификация по уровню холода:
· холодильная установка (когда температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды Тн<То.с (Тн до 120 К), а температура теплоприемника равна Тв=То.с), криогенная установка (Тн меньше 120 К);
· тепловой насос (при Тв>То.с);
· комбинированный трансформатор тепла.
Холодильные установки (уровень отвода тепла Т до 120 К) определяют развитие многих ведущих отраслей народного хозяйства, в особенности связанных с хранением, переработкой и транспортированием пищевых и биологических продуктов.
Криогенные установки (уровень отвода тепла Т ниже 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 источников дешевого низкопотенциального тепла могут обеспечить в ряде случаев экономичное теплоснабжение как промышленных объектов, так и жилых и общественных зданий.
Концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger). Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году. Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камерой. Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал своё изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал своё тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.
В 1940-х годах тепловой насос был известен благодаря своей чрезвычайной эффективности, но реальная потребность в нём возникла в период Арабского нефтяного эмбарго в 1970-х годах, когда, несмотря на низкие цены на энергоносители, появился интерес к энергосбережению.
2. Классификация по способу повышения давления:
· Компрессионные (с обычным компрессором);
· Сорбционные (за счет абсорбции с последующей десорбцией);
· Струйные (за счет энергии струи).
3. Компрессионные ТТ по виду рабочего тела подразделяются:
· Парокомпрессионные (рабочее тело меняет агрегатное состояние, конденсация сжатого хладагента и испарение расширенного хладагента);
· Газовые (рабочее тело в газообразном состоянии – перегретый пар).
4. Струйные ТТ по принципу действия подразделяются:
· Прямоструйные (основана на использовании кинетической энергии потока пара или газа для повышения давления хладагента, струя пара или газа, выходя из сопла, создает эжектирующий эффект, в результате которого происходит всасывание, а затем сжатие рабочего тела);
· Вихревые.
5. Также существуют электрические ТТ:
· Термоэлектрические (Они работают на эффекте обратном термоэлектрическому преобразователю (термопаре). Берется два разнородных проводника и спаиваются по концам. Если один спай поместить в среду с температурой Т1, а другой – в среду с температурой Т2, то по цепи потечет ток. Спаи начнут вырабатывать ЭДС. Чем больше разница температур Т1 и Т2, тем больше ЭДС. Если же, наоборот, через эту систему пропускать постоянный ток, то энергия будет переноситься от одного спая к другому. Это связано с тем, что сила удержания электронов атомами разных металлов различна. При движении электронов в спае они отрываются от одних атомов и передаются другим. Если первые их держат сильнее вторых, то будет происходить охлаждение данного спая. Разница энергий удержания будет забираться из окружающей среды. Немного похоже на испарение жидкости: жидкость удерживает молекулы, а пар нет. На втором спае будет происходить обратная картина с выделением тепла. Суммарный КПД всего 5-6%. Это связано с джоулевым теплом и теплопроводностью);
· Термомагнитные (основаны на совместном действии магнитного и электрического полей на полупроводник).
1. Термодинамические основы процессов трансформации тепла. На примере циклического процесса. Обратный цикл Карно.
| 
|
Циклический – то есть замкнутый процесс, рабочее тело в установке совершает определенные процессы и периодически возвращается в исходное состояние. Так как в циклическом цикле рабочее тело не покидает пределы установки, обмен энергией через границы системы может происходить только в двух формах – тепла Q и работы L.
Уравнение энергетического баланса такого ТТ в общем случае будет иметь следующий вид:
Σ Q вх+ Σ L вх= Σ Q вых+ Σ L вых
Процессы:
· 1-2 – изоэнтропное повышение давления от p1 до p2 с затратой работы;
· 2-3 – изотермическое повышение давления от p2 до p3 с затратой работы и отводом тепла;
· 3-4 – изоэнтропное понижение давления с p3 до p4 с возвратом работы;
· 4-1 – изотермическое понижение давления с p4 до p1 с отдачей работы и подводом тепла.
Дата: 2018-12-28, просмотров: 877.
