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 t 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 °С). 
 
 
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 t 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 t 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 > °С), 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 130230 °С. 
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 °С.  
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 
фреонов (зарубежное название). Обобщенная химическая формула фреона 
 
СmHnFpClqBrr, 
 
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: хлорфторуглероды – 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 °С – на хладагенты высокого (27 МПа), 
среднего (0,32 МПа) и низкого (меньше 0,3 МПа) давлений. По нормальным температурам кипения – на низкотемпературные (tН < 60 °С), среднетемпературные (tH =  60…10 °С), высокотемпературные (tН > 10 °С).  
Классификации по давлениям и температурам взаимосвязаны. Хладагенты высокого давления являются низкотемпературными рабочими веществами, низкого давления – высокотемпературными. 
10