Термодинамические диаграммы

Таблица 5

Хладоносители и их свойства

Хладоносители применяют для «транспортировки холода» от источника его получения (испарителя) до охлаждаемого объекта (камеры, аппарата и др.).

При одинаковых условиях (одинаковые температура воздуха в охлаждаемом объекте и тепловая нагрузка на него) энергопотребление в системе с хладоносителем будет выше, чем в системе непосредственного охлаждения (хладагент кипит непосредственно в аппарате, находящемся в охлаждаемом объекте). Это объясняется тем, что в системе с хладоносителем для его охлаждения температура кипения хладагента должна быть ниже на 5...6 °С. Кроме того, необходима дополнительная энергия для насосов, осуществляющих циркуляцию хладоносителя.

Несмотря на большую энергоемкость, систему с хладоносителем приходится применять при большом числе потребителей холода с различными температурами, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. В отдельных случаях использование системы с хладоносителем обусловлено специфичностью охлаждаемых объектов (искусственные катки, грунты и др.).

Наиболее распространенные хладоносители и их основные свойства приведены в табл. 5 [6].

Самым доступным хладоносителем является вода, которой присущи хорошие теплофизические свойства. Высокая нормальная температура кипения t_н.к обусловливает ее малую летучесть (испарение). Сравнительно низкая динамическая вязкость m предопределяет уменьшенный расход электроэнергии на привод насосов. Высокая объемная теплоемкость с_рrпозволяет меньше расходовать воды и тем самым снизить расход электроэнергии на ее циркуляцию.

Вода предпочтительнее других хладоносителей и благодаря малой коррозионной активности, нетоксичности, пожаро- и взрывобезопасности. Однако ее использование ограничено из-за сравнительно высокой температуры замерзания t_з=0 °С. Поэтому воду применяют в качестве хладоносителя главным образом в центральных системах кондиционирования воздуха.

Хладо-носитель	Хими-ческая фор- мула	Свойства хладоносителей
tз, °С	tн.к, °С	m×10^4, Па×с	срр, кДж/(м×К)	корро-зионная актив-ность	токсич-ность	пожаро- и взрыво-опасность
Вода	Н2О	0,0		15,5*		слабая	нет	нет
Раствор хлористого натрия (23,1 %)	NaCl	-21,2		26*	3900*	сильная	нет	нет
Раствор хлористого кальция (29,9 %)	CaCl2	-55		51,4*	3524*	средняя	средняя	нет
Этилен-гликоль (антифриз, 67 %)	C2H4(OH)2	-73		284,5**	3223**	слабая	слабая	нет
Трихлор-этилен	C2HCl	-86,3		10,6**	1350**	нет	средняя	средняя
Дихлор-метан (R30)	CH2Cl	-96,7	40,1	8,6**	1525**	нет	нет	нет
* При температуре 5°С ** При температуре -40°С

В холодильных установках крупных холодильников промышленности и торговли в качестве хладоносителей используют в основном рассолы — водные растворы хлористого натрия NaCI и хлористого кальция CaCI₂. Последний предпочтительнее из-за более низкой температуры замерзания и меньшей коррозионной активности. Однако он дороже, чем NaCI.

Для снижения коррозионной активности в рассолы добавляют специальные ингибиторы, например кальтозин, предложенный ВНИКТИхолодпромом.

Для специальных целей, где требуется хладоноситель с особо низкой температурой, используют этиленгликоль, трихлорэтилен или дихлорметан (R30). Однако их стоимость значительно выше стоимости рассолов.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Теоретические циклы холодильных машин изображают на термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип действия холодильных машин. Термодинамические диаграммы, кроме того, служат теоретической базой для расчета холодильных машин в целом и их отдельных элементов.

Наиболее распространены диаграммы энтальпия — давление (i, lgp1 -диаграмма) и энтропия — температура (s, Т-диаграмма). Первую применяют для тепловых расчетов, вторую — для анализа термодинамической эффективности циклов. При этом используют следующие простые измеряемые параметры:

температуру t в °С или абсолютную температуру Тв К;

давление р вПа или производных единицах (1кПа=10³Па, 1 МПа= 10⁶ Па= 10,2 кгс/см² = 10 бар);

удельный объем n в м³/кг;

плотность r= 1/n в кг/м³, т. е. величину, обратную удельному объему.

Кроме простых измеряемых параметров, используют также сложные расчетные параметры:

энтальпию I в кДж;

энтропию S в кДж/К.

Энтальпия I — это полная энергия рабочего вещества (хладагента), зависящая от его термодинамического состояния. На диаграммах и в расчетах применяют обычно удельную энтальпию iв кДж/кг, т.е. отнесенную к единице массы хладагента.

Удельную энтальпию можно выразить как i=u+pn,

где и— внутренняя энергия хладагента, кДж/кг; p— абсолютное давление, Па; v — удельный объем, м³/кг.

В этом выражении слагаемое pv представляет собой потенциальную энергию давления р. Она расходуется на совершение работы.

Значения i, зависящие от принятого на конкретных диаграммах или в таблицах начала отсчета, в разных источниках (учебниках, справочниках) могут не совпадать при одних и тех же значениях t и р.

Энтропия S — это также расчетный параметр, являющийся функцией термодинамического состояния хладагента, характеризующий направление протекании процесса теплообмена между хладагентом и внешней средой. На диаграммах и в расчетах пользуются удельной энтропией s в кДж/(кг×К), т. е. отнесенной к единице массы хладагента. Интерес обычно представляет ее изменение Ds =Dq/T_m,

где Dq — теплота, отнесенная к единице массы хладагента, кДж/кг;

Т_т — средняя абсолютная температура в течение процесса теплообмена, К.

На i, lgp и s, T-диаграммах (рис. 1) из точки К, соответствующей критическому состоянию хладагента, расходятся две так называемые пограничные кривые, разделяющие поле на три зоны: переохлажденной жидкости (ПЖ), парожидкостной смеси (Ж+П) и перегретого пара (ПП).

Рис.1. Изображение теплообменных процессов на термодинамических диаграммах:

а – I, lgp-диаграмма; б – s, T-диаграмма

Если на i, lgp-диаграмме провести линию постоянного давления (p=const)—изобару, а на s, Т-диаграмме линию постоянной температуры (Т=const) — изотерму, то они пересекут пограничные кривые в точках А и В. В точке А хладагент находится в состоянии насыщенной жидкости, а в точке В — насыщенного пара.

Фазовый переход от жидкости к пару на диаграммах идет слева направо. При подводе теплоты (энтальпия и энтропия возрастают) переохлажденная жидкость, достигнув состояния насыщения в точке А; начинает кипеть. По мере дальнейшего подвода теплоты содержание жидкости в единице массы хладагента уменьшается, а содержание пара увеличивается и в точке В достигает 100 %. Образуется насыщенный пар Паросодержание х хладагента на левой пограничной кривой равно 0, а на правой 1. Состояние при х =1 называют также сухим насыщенным паром, чтобы подчеркнуть, что пар не содержит частиц жидкости в отличие от влажного пара, представляющего собой смесь пара и жидкости (П + Ж).

Фазовый переход от пара к жидкости на диаграммах идет справа налево. При отводе теплоты происходит процесс конденсации хладагента. Он начинается в точке В и заканчивается в точке А.

На i, lgр-диаграмме разность значений энтальпий i в точках А и В будет равна величине r в кДж/кг, которую в зависимости от направления процесса (от А к В или от В к А) называют удельной (скрытой) теплотой парообразования или удельной теплотой конденсации (см. тему 3).

На s, Т-диаграмме величине r будет соответствовать площадь (заштрихованная) под процессом А — В, так как

Параметры, соответствующие состоянию хладагента на левой пограничной кривой (x = 0), обозначают с одним штрихом, а на правой (х=1) — с двумя. Таким образом,

В процессах кипения и конденсации давление и температура насыщения остаются неизменными, так как подводимая или отводимая теплота расходуется на изменение агрегатного состояния хладагента. При этом температура насыщения зависит от давления. При его увеличении она повышается, а при уменьшении — понижается. Это необходимо твердо помнить для уяснения принципа действия холодильной машины.

Если после подвода определенного количества теплоты и достижения хладагентом состояния насыщенного пара в точке В продолжать подводить теплоту при постоянном давлении (р = const), то этот процесс В — С будет сопровождаться повышением температуры: Т_С>Т_В. Насыщенный пар перейдет в точке С в состояние, называемое перегретым паром. Перегрев пара q_С определяется разностью температур:

q_С=Т_С-Т_В.

Аналогично, если после окончания процесса конденсации В — А продолжать отводить теплоту, то дальнейший процесс А — D будет сопровождаться понижением температуры. Насыщенная жидкость перейдет в точке D в состояние, называемое переохлажденной жидкостью. Переохлаждение жидкости определяется разностью температур:

q_D=Т_A-Т_D.

На i, lgp-диаграмме (рис. 1, а) изотермы (Т=const) в зоне ПЖ идут почти вертикально вверх, параллельно изоэнтальпам — линиям постоянной удельной энтальпии (i=const), а в зоне ПП — резко вниз.

На s, Т- диаграмме (рис. 1, б) изотермы горизонтальны. Изобары (р=const) в зоне ПЖ идут резко вниз и почти совпадают с пограничной кривой (х = 0), в зоне ПП — поднимаются круто вверх. Изоэнтальпы (i=const) спускаются круто вниз.

Линии постоянной удельной энтропии (s = const) s, Т-диаграмме вертикальны, а на i, lgp-диаграмме (рис. 1, а)располагаются примерно под углом 45° к горизонтали.

С небольшим подъемом от горизонтали идут на обеих диаграммах линии постоянного удельного объема (n = const). Большим давлениям р соответствует меньший удельный объем v.

Поскольку при работе парокомпрессионной холодильной машины в установившемся (стационарном) режиме давления кипения р₀ и конденсации р_к хладагента постоянны, количество подводимой или отводимой теплоты изображается на i, lgp-диаграмме в виде отрезка прямой линии и равно разности энтальпий в начале и конце процесса. В этом заключается достоинство i, lgp-диаграммы, которое обусловило ее широкое использование для расчета парокомпрессионных холодильных машин.

Дата добавления: 2013-12-11