Энерго- и экологически эффективные технологии генерации холода и теплоты

О. Б. Цветков 
А. В. Бараненко 
Ю. А. Лаптев

ЭНЕРГО- И ЭКОЛОГИЧЕСКИ 
ЭФФЕКТИВНЫЕ 
ТЕХНОЛОГИИ ГЕНЕРАЦИИ 
ХОЛОДА И ТЕПЛОТЫ

МОНОГРАФИЯ

СТРАТА
Санкт-Петербург
2018

О. Б. Цветков 
А. В. Бараненко 
Ю. А. Лаптев

ЭНЕРГО- И ЭКОЛОГИЧЕСКИ 

ЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 

ГЕНЕРАЦИИ ХОЛОДА И ТЕПЛОТЫ 

МОНОГРАФИЯ

СТРАТА
Санкт-Петербург
2018

УДК 536 + 621.5
ББК 31
Ц27

ISBN 978-5-6040399-0-8

© Цветков О. Б., текст, 2018
© Бараненко А. В., текст, 2018
© Лаптев Ю. А. текст, 2018
© «Страта», 2018

Цветков О. Б., Бараненко А. В., Лаптев Ю. А. 
Энерго- и экологически эффективные технологии генерации холода и теплоты: монография. / Олег Цветков, Александр Бараненко, Юрий Лаптев. — СПб.: Страта, 2018. — 
292 с. (серия «Основы энергосбережения»)

ISBN 978-5-6040399-0-8

Монография посвящена проблемам энергосбережения и экологической безопасности, ставшим особенно актуальными после 
прошедшего в декабре 2015 года Климатического саммита, осмыслению и осознанию этих тенденций для одного из важнейших 
аспектов в существовании и развитии цивилизации XXI века — 
техники низких температур.
Использованы материалы лекций, прочитанных по магистерскому направлению подготовки 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения».
Для научных работников, инженеров, аспирантов и студентов, 
овладевающих секретами генерации теплоты и холода, способов 
их использования при создании инновационных технологий в современных областях практической и научной деятельности.

Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть 
воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и какими бы 
то ни было средствами, будь то электронные или механические, включая 
фотокопирование и запись на магнитный носитель, а также размещение 
в Интернете, если на то нет письменного разрешения владельцев.
All rights reserved. No parts of this publication can be reproduced, sold or 
transmitted by any means without permission of the publisher.

УДК 536 + 621.5
ББК 31

Ц27

Оглавление

ПРеДИСЛОВИе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

ОСНОВНые СТАНДАРТНые И УСЛОВНые  

ОБОзНАчеНИЯ, ИНДеКСы И СОКРАщеНИЯ  . . . . . . . . . . . . . 7

Глава 1 

ЭНеРГОеМКОСТь И ЭНеРГОРеСУРСы.  

ВОзОБНОВЛЯеМые ИСТОчНИКИ ЭНеРГИИ  

И ВТОРИчНые РеСУРСы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Глава 2 

ТеРМОДИНАМИчеСКИе АСПеКТы ЭФФеКТИВНОГО 

ИСПОЛьзОВАНИЯ И ПРеОБРАзОВАНИЯ ЭНеРГИИ  . . . . . . 46

Глава 3 

РАБОчИе ВещеСТВА И МАСЛА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Глава 4 

ПАРОКОМПРеССОРНые ТеПЛОВые НАСОСы . . . . . . . . . 133

Глава 5 

АБСОРБЦИОННые ПРеОБРАзОВАТеЛИ ТеПЛОТы 

И ХОЛОДА  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

ПРИЛОЖеНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

СПИСОК ЛИТеРАТУРы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

ПредислОвие

Экологически и энергооптимальные решения в индустрии холода 
и низкотемпературной энергетики сегодня актуальны как никогда. 
В Российской Федерации в 2009 году приняты «Энергетическая 
стратегия России на период до 2030 года» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 13.11.2009 г. № 1717-р), Федеральный закон от 23.11.2009 г. № 261-Фз «Об энергосбережении 
и об энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», а Указом 
Президента № 642 от 1 декабря 2016 года утверждена стратегия 
научно-технологического развития Российской Федерации. Эти 
значимые документы определили необходимость энергосберегающих и экологических мероприятий, ресурсосбережения, применения альтернативных решений, в том числе в сфере техники низких 
температур, потребляющей значительную долю энергетических 
ресурсов страны.
Эта книга выходит в свет после прошедшего в декабре 2015 года 
Климатического саммита в Париже. Очередное обращение мировых лидеров к проблеме защиты климата земли логично продолжает череду международных форумов, посвященных этой проблеме, 
начиная с Венского конгресса 1985 года. Проблема изменения климата не исчезает, с каждым годом становится не просто актуальной, 
но и драматичной.
Не остались в стороне техника и технологии низких температур. Рабочие вещества холодильных машин и тепловых насосов 
(хладагенты) и в XXI веке в центре международных форумов, 
протоколов, которые ратифицируются, становятся обязательными 
для исполнения на международном и, тем более, на национальном уровнях.

 
Предисловие

5

Авторы книги, рассматривая совокупность этих вопросов, 
все еще противоречивых и спорных, надеются на читателей, 
их понимание необходимости сочетать понятия энергоэффективности с экологическими требованиями, физиологическими 
и токсикологическими свойствами рабочих веществ, пожаро- 
и взрывобезопасностью низкотемпературных систем для окружающей среды.
Приоритетное направление — техника низких температур и низкотемпературной энергетики: тепловые насосы и органические 
циклы Ренкина. Тепловые насосы (ТН) отнесены к оборудованию, 
использующему возобновляемые источники энергии. за последние 
20 лет индустрия тепловых насосов от мегапроектов дошла до индивидуальных потребителей, обеспечивая теплом и холодом. Примеры северных соседей России, не богатых лесами, углем, нефтью 
и газом показывают, что потенциал использования тепловых насосов далеко еще не исчерпан. Этот процесс, безусловно, затратный, 
требующий переосмысления установившихся парадигм, весьма 
длительный, но анализируя опыт последних лет, можно убедиться, 
что альтернатив нет.
В Университете ИТМО (ранее Ленинградском технологическом 
институте холодильной промышленности, Санкт-Петербургском 
государственном университете низкотемпературных и пищевых 
технологий) исследования в области техники и технологий низких 
температур проводятся на протяжении многих десятилетий, включают анализ циклов, исследования процессов тепломассопереноса 
в аппаратах, способы интенсификации, разработку холодильных систем для различных технологий на промышленных предприятиях, 
сфере ЖКХ и сельском хозяйстве, использованию возобновляемых 
и вторичных энергетических ресурсов. Результаты исследований 
реализованы в отечественных абсорбционных бромистолитиевых 
преобразователях теплоты, опубликованы в тысячах статей, десятках монографий и учебников, которые сформировали систему 
подготовки специалистов для холодильной техники и низкотемпературной энергетики. Ученые Университета ИТМО, доктора 
технических наук О. В. Волкова и Л. С. Тимофеевский в 2014 году 
за разработки в данной области удостоены премии правительства 
Российской Федерации.

О. Б. Цветков, А. В. Бараненко, Ю. А. Лаптев 
Энерго- и экологически эффективные технологии генерации холода и теплоты

Предлагаемая книга, надеемся, окажется полезной не только 
специалистам в области техники низких температур, но и студентам, магистрантам, преподавателям соответствующих профилей 
для использования в том числе и в учебном процессе.
Авторы искренне благодарны коллегам по совместным публикациям, использованным в этой книге: Л. С. Тимофеевскому, 
О. Н. Цветкову, А. Д. Кушнерову, Б. Д. Тимофееву, С. з. Сапожникову, А. П. Цою, А. В. Клецкому, А. В. Попову, магистрантам, бакалаврам, аспирантам и сотрудникам кафедр теоретических основ 
тепло- и хладотехники, холодильных установок, холодильных машин и низкопотенциальной энергетики Института холода и биотехнологий Университета ИТМО за их помощь в библиографических 
изысканиях, заинтересованные творческие дискуссии и советы 
по затронутым вопросам.

ОснОвные стандартные  
и услОвные ОбОзначения,  
индексы и сОкращения

Т 
температура, К 
t 
температура, °С 
t0 
температура кипения, °С 
tк 
температура конденсации, °С 
tо,с 
температура окружающей среды, °С 
τ 
приведенная температура
р 
давление, Па
р0 
давление кипения, Па
R 
газовая постоянная, Дж / (кг∙К)
М 
молекулярная масса, кг / кмоль
ρ 
плотность, кг / м3

s, ω 
приведенная плотность
υ 
удельный объем, м3 / кг
h 
удельная энтальпия, Дж / кг
s 
удельная энтропия, Дж / (кг∙К)
r 
удельная теплота парообразования, Дж / кг
ср 
удельная массовая изобарная теплоемкость, Дж / (кг∙К)
ξi 
массовая доля i-го компонента; концентрация раствора
μ, η 
коэффициент динамической вязкости, Па∙с 
ν 
коэффициент кинематической вязкости, м2 / с 
а 
температуропроводность, м2 / с 
λ 
коэффициент теплопроводности, Вт / (м∙К)
α 
коэффициент теплоотдачи, Вт / (м2∙К)
Δt 
неизотермичность фазового перехода (температурный 
глайд), °С 
Q 
теплота, Дж

О. Б. Цветков, А. В. Бараненко, Ю. А. Лаптев 
Энерго- и экологически эффективные технологии генерации холода и теплоты

8

q 
плотность теплового потока, Вт / м2

q0 
удельная холодопроизводительность, Дж / кг
q0, v 
удельная объемная холодопроизводительность, Дж / м3

l 
удельная работа, Дж / кг
xi 
мольная доля i-го компонента
ηад 
адиабатный  КПД компрессора
ηt 
степень термодинамического совершенства цикл, КПД 
цикла
εt 
холодильный коэффициент цикла
φ 
коэффициент удельных затрат мощности на получение единицы холодопроизводительности
μt 
отопительный коэффициент
Θ 
коэффициент удельных затрат на получение единицы высокопотенциальной теплоты
ω 
коэффициент использования низкопотенциальной теплоты
ξ 
тепловой коэффициент
φ 
коэффициент преобразования энергии
σ 
коэффициент поверхностного натяжения, Н / м
β 
коэффициент объемного расширения, 1 / К 
Qa 
количество теплоты, отдаваемое окружающей среде с температурой Тос
tw 
температура воды, ºС
Δtw 
изменение температуры воды, К 
а 
кратность циркуляции
М 
количество циркулирующего холодильного агента, кг / с 
М 
коэффициент трансформации
В 
удельный расход топлива на выработку теплоты, кг / кДж

кр 
критическая точка
н.к. 
нормальная температура кипения
о 
кипение
н 
состояние насыщения
‘ 
состояние насыщенной жидкости
‘’ 
состояние сухого насыщенного пара
к 
конденсация, конденсатор
всп 
вспышка (температура)

Основные стандартные  
и условные обозначения, индексы и сокращения

f 
застывание (температура)
м 
помутнение (температура)
т 
текучесть (температура)
ррm 
пропромиле (одна миллионная доля)
г 
газовая фаза
г, w2 
горячий
х, w1 
холодный
ж 
жидкая фаза
м 
масло
см 
смесь (раствор)
масс 
массовый
а 
хладагент
мм рт. ст. миллиметры ртутного столба
атм 
атмосфера (1 атм. = 98067 Па)
пар 
парообразное состояние
к, с 
цикл Карно
min 
минимум
max 
максимум
км 
компрессор
сж 
сжатие
var 
изменяющаяся
h 
греющий источник
п 
прямой
о 
обратный
н 
насос
нг 
нагреваемый объект
пон 
понижающий
пов 
повышающий
а 
абсорбер
ос 
окружающая среда
а 
слабый раствор
r 
крепкий раствор
ср 
средняя концентрация
М 
мега
Г 
гига