Тепловые трансформаторы Тепловые трансформаторы термотрансформаторы — это

Тепловые трансформаторы

Тепловые трансформаторы (термотрансформаторы) - это устройства, позволяющие обратимо передавать тепло источника с одной температурой до источника с другой температурой.

Трансформатор, предназначенный для получения значения тепла при более низких температурах, чем исходная, называется понижающим. Получение значения тепла при более высоких температурах, чем исходная, становится возможным с помощью повышающего теплового трансформатора.

Термотрансформатор, предназначенный для синхронного получения тепла при более низких и при более высоких температурах, чем у исходной, называется тепловым трансформатором смешанного типа. Цикл любого теплового трансформатора в общем случае представляет собой сочетание и прямого, и обратного циклов.

В принципиальной схеме теплового трансформатора находится двигатель, который производит механическую работу, и тепловой насос - холодильная машина, потребляющая эту работу.

Машина (тепловой трансформатор), которая призвана осуществлять обратный цикл, и имеющая своим главным назначением поглощение тепла из окружающей среды с целью передачи его к телу с несколько более высокими температурами, имеет название «тепловой насос» .

ЖИЗНЕННО ВАЖНЫЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР (ТНТ)

1. ТНТ для снабжения продовольствием Непрерывная холодильная цепь (НХЦ) обеспечивает сокращение потерь и сохранение качества продуктов при: - сборе (производстве); - обработке; - транспортировке; - хранении и реализации. НХЦ включает: - технологии холодильного хранения, охлаждения, замораживания и размораживания, сублимации, сушки мяса, рыбы, фруктов, ягод, зерна; - охлаждаемые хранилища и камеры; - холодильный транспорт автомобильный железнодорожный, морской, контейнерный; - бытовые холодильные приборы; - холодогенерирующее и холодопотребляющее технологическое оборудование.

2. ТНТ для энергетики - Тепловые насосы (ТН), использующие для теплоснабжения теплоту окружающей среды и тепловые отходы, потребляя в 1, 5. . . 2, 0 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива; - установки сжижения водорода и природного газа, для их применения в качестве экологически чистого моторного топлива; - системы охлаждения сверхпроводящих материалов (до 30. . . 40 К и 70. . . 90 К) для электрических машин нового поколения; - криосистемы, обеспечивающие охлаждение на уровне 3, 6. . . 80 К для создаваемых экологически чистых установок термоядерного синтеза

3. ТНТ для очистки и утилизации выбросов - Очистка газовых потоков методами конденсации, вымораживания, криосорбции от вредных примесей; - очистка воздуха криометодами от радиоактивных продуктов на АЭС и при переработке отходов ядерного топлива; - улавливание паров углеводородов из паровоздушной смеси; - извлечение криогенными методами из газообразных выбросов нефтеперерабатывающих заводов редких газов, дейтерия и других полезных компонентов; - очистка сточных вод методами озонирования и вымораживания; - утилизация твердых отходов путем их глубокого охлаждения и последующего измельчения.

4. ТНТ искусственного климата - Системы комфортного и технологического кондиционирования воздуха (СКВ); - автономные СКВ - квартиры, коттеджи; - централизованные СКВ - общественные и производственные здания; - транспортные СКВ - автомобили, железнодорожные вагоны, самолеты, суда; - бортовые системы жизнеобеспечения космические аппараты, высотные самолеты, подводные лодки, бронетанковая техника.

5. ТНТ в криомедицине и криобиологии - Криоинструменты для криохирургии, криотерапии, криокосметики; - низкотемпературные установки для консервации крови, генетического материала, костного мозга, спермы, медицинских препаратов; - криобанки для хранения биоматериалов.

Теоретические основы холодильной техники (ТОХТ) • Низкие температуры – это температуры ниже температуры окружающей среды. • Окружающая среда – атмосферный воздух, водоемы, грунт. • Температура по шкале Цельсия (o. С) и шкале Кельвина (К) • Температура абсолютного нуля по шкале Цельсия – это (-273, 16 o. С)

Вся шкала Кельвина базируется на отдельных реперных точках: 273 К – это температура тройной точки воды; 373 К – это температура кипения воды; от 0 до 273 – тоже имеет реперные точки, которые характеризуются фазовыми превращениями различных веществ.

Условной границей принята температура 120 К ТНТ условно делится на: криогенная техника (глубокий холод) холодильная техника (умеренный холод)

Основная задача глубокого холода – это сжижение газов; разделение сжиженных газов, получение криопродуктов (кислород, азот и т. д. ); технологии использования криопродуктов.

Воздух состоит из: • Азот N 2 78, 0% • Кислород O 2 20, 95% • Инертные газы 0, 94% • Диоксид углерода CO 2 0, 03%

Нормальная температура кипения – это температура кипения при атмосферном давлении. нормальная температура кипения газ К 0 С O 2 90, 36 -182, 8 N 2 77, 36 -195, 8 воздух 81, 16 -192, 0 H 2 20, 46 -252, 7 He 4, 26 -268, 9

Практическое применение криопродуктов • Кислород-O 2. Используется при сварке металлов, для продувки доменных и мартеновских (металлургия) печей. В химии, для получения синтетического бензина. В ракетно-космическом комплексе, в качестве окислителя в ракетных двигателях. В медицине для дыхания (в основном). Азот-N 2. Энергоноситель (холодильный агент для замораживания и хранения продуктов и биологических материалов). В машиностроении, в качестве нейтральной среды при сварке. В химии, как сырье для производства минеральных удобрений на основе аммиака. В медицине, для охлаждения криоинструментов. Водород- H 2. Его получение из воды или из углеводородов (метан-CH 4) – это некриогенный процесс. Используется сжиженный водород в качестве экологически чистого моторного топлива. С его применением производится также тяжелая вода, применяющаяся в атомной технологии.

Важной отраслью в криогенике является также фракционирование природного газа. Природный газ представляет собой смесь: • Метан CH 4, ts=-161 o. C • Этан C 2 H 6 ts=-9 o. C • Пропан C 3 H 8 ts=-42 o. C • Бутан C 4 H 10 ts=-12 o. C

Основной способ получения криогенных температур, в том числе для разделения газовых смесей – это расширение предварительно сжатого до необходимого уровня давления газа в дросселях или расширительных машинах (детандеры).

Схема и теоретический цикл одноступенчатой холодильной машины с детандером

Основной способ получения температур умеренного холода. • Система осуществляющий замкнутый термодинамический цикл, называется холодильная машина. • Холодильная машина (ХМ) – это машина, предназначенная для переноса теплоты от среды с низкой температурой, с целью ее охлаждения, к среде с более высокой температурой за счет подвода энергии от внешнего источника.

Термодинамический цикл ХМ состоит из следующих последовательных процессов: 1. Испарение (кипение) или нагрев холодильного агента при низкой температуре и низком давлении. 2. Повышение давления (сжатие) парообразного или газообразного холодильного агента. 3. Конденсация или охлаждение холодильного агента при более высокой температуре, тем более высоком давлении. 4. Понижение давления (расширение) холодильного агента.

По области применения ХМ принято делить на: промышленные торговые бытовые • В торговое оборудование включаются: холодильный транспорт и автономные кондиционеры.

Холодопроизводительность ХМ • • Обозначается Q 0, и измеряется в к. Вт. Промышленные ХМ выпускаются с холодопроизводительностью • Q 0=100… 15000 к. Вт • Торговые ХМ • Q 0=1, 0… 500 к. Вт • Бытовой холод • Q 0=0, 1… 5, 0 к. Вт

II Физические основы техники низких температур Искусственное охлаждение – понижение температуры объекта ниже температуры окружающей среды. Искусственный холод – это теплота, температурный уровень которой ниже температуры окружающей среды. Естественный холод – использование температуры окружающей среды для охлаждения различных процессов, если температура достаточно низка. Сюда относится: 1. Использование холода атмосферного воздуха в зимнее время года 2. Использование холода водного льда, накопленного в зимнее время и др.