ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
Пигарев В.Е., Архипов П.Е. /Под редакцией В.Е. Пигарева. Холодильные машины и установки кондиционирования воздуха: Учебник для техникумов и колледжей железнодорожного транспорта. — М.: Маршрут, 2003. — 424 с.
Рассмотрены теоретические основы холодильных машин и установок кондиционирования воздуха подвижного состава, принципы выбора и расчёта их элементов, особенности конструкции, эксплуатации и технического обслуживания холодильного оборудования, а также его техническая диагностика и методы испытания. Учебник написан в соответствии с государственными требованиями к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки выпускников техникумов и колледжей железнодорожного транспорта по программе дисциплины «Холодильные машины и установки кондиционирования воздуха», специальности 1707 Техническая эксплуатация подвижного состава железных дорог, специализации 1707.03 Установки и электрические аппараты вагонов. Предназначен для студентов техникумов и колледжей железнодорожного транспорта; может быть также использован персоналом вагонного хозяйства, связанным с эксплуатацией и ремонтом подвижного состава.
ВВЕДЕНИЕ
Холодильная техника — высокоразвитая отрасль промышленности, способная удовлетворять самые разнообразные требования, возникающие в связи с необходимостью отводить теплоту от различных объектов. Холодильная машина — это замкнутая система из аппаратов и устройств, предназначенных для осуществления холодильного цикла. Используют холодильные машины для охлаждения разнообразной продукции ниже температуры окружающей среды и для непрерывного поддержания заданной температуры в течение необходимого времени. Холодильная установка включает в себя холодильную машину, приборы автоматики, трубопроводы и сооружения, необходимые для проведения технологических процессов. В 1834 г. была изобретена компрессионная холодильная машина. Искусственное охлаждение начали применять при заготовке, обработке и транспортировке скоропортящихся продуктов. Первая установка для замораживания мяса была построена в Австралии в 1861 г. Такое мясо впервые было перевезено в 1876 г. на судне-рефрижераторе с машинным охлаждением. Изотермические вагоны с ледяным охлаждением начали эксплуатировать в США с 1858 г. Первую холодильную машину в России применили в 1888 г. на рыбных промыслах в Астрахани. В настоящее время практически нет такой отрасли промышленности, где бы не применялся искусственный холод. Холодильное хозяйство страны носит комплексный характер и представляет собой единую холодильную цепь, охватывающую все последовательные звенья производства, хранения, транспортировки и реализации пищевых продуктов. Железнодорожный хладотранспорт — одно из ведущих звеньев непрерывной холодильной цепи, представляющей собой технологическую систему, обеспечивающую подготовку, хранение и транспортировку скоропортящейся продукции. Перевозка скоропортящихся грузов связана с определёнными температурными режимами, поэтому энергетика рефрижераторного подвижного состава, кроме охлаждения груза в летнее время, предусматривает его обогрев зимой. Основной элемент современного железнодорожного хладотранспорта — рефрижераторный подвижной состав — имеет общую или индивидуальную для каждого вагона энергетическую установку и источник получения искусственного холода — холодильную машину. Выбор энергохолодильного оборудования и особенности его конструкции и энергетики рефрижераторного подвижного состава обусловлены спецификой технологии железнодорожного хладотранспорта. Конструктивные особенности оборудования в основном определяются габаритом подвижного состава. Это обстоятельство вызывает высокие удельные тепловые нагрузки рефрижераторных вагонов, что влечет за собой продолжительное время включения машинного оборудования, ужесточая требования к его надежности, а также интенсифицирует процессы усушки груза и потери его массы. Пространственная ограниченность вагона создает трудности и в размещении и обслуживании машинного оборудования. Конструктивные особенности, вытекающие из ограниченности габаритов и особенности геометрии вагонов, обостряют требования по поддержанию допустимых температурных градиентов по объему перевозимого груза. Для выполнения своей основной задачи железнодорожный хладотранспорт располагает: специальным подвижным составом, пунктами экипировки вагонов и их обслуживания, снабжения хладоносителем, специализированными депо, пунктами санитарной обработки вагонов, другими стационарными и передвижными устройствами. В соответствии с Соглашением о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и транспортных средствах доставки, предназначенных для этих перевозок, разработанным Европейской экономической комиссией ООН (ЕЭК ООН), весь подвижной состав хладотранспорта подразделяют на:
В настоящее время находят применение изотермические контейнеры, охлаждаемые навесными или встроенными холодильно-отопительными агрегатами. Их масса брутто колеблется от 5 до 30 т. Более широкая градация изотермических контейнеров предусмотрена международным стандартом (масса брутто 30, 25, 20, 10, 7,5 т). Высота и ширина всех стандартизированных контейнеров 2438 мм. На контейнеры, используемые для перевозки скоропортящихся грузов в международном сообщении, распространяются также таможенные предписания, морской регистр, требования бюро стандартов и др. Крупнотоннажные контейнеры, специализированные для перевозки пищевых продуктов, классифицированы по наличию источников холода, типу применяемой системы охлаждения или отопления. В соответствии с международными требованиями контейнеры проектируют для эксплуатации при наружных температурах от +45 до –45 °C. Системы охлаждения (отопления) должны сохранять работоспособность при наружных температурах от +55 до –50 °C и атмосферном давлении от 86,5 до 167 кПа. К номинальным (расчетным) условиям при проектировании изотермических контейнеров отнесены: температура грузового помещения –20 °C при температуре наружного воздуха +45 °C для рефрижераторных контейнеров и +16 и –40 °C соответственно для отапливаемых контейнеров. Характерная особенность таких контейнеров состоит в том, что они унифицированы по внешним и присоединительным параметрам с большегрузными контейнерами общего назначения. Холодоснабжение большегрузных изотермических контейнеров может осуществляться от машинной холодильной установки, установки с жидким азотом или сухим льдом. Машинным охлаждением оснащено около 90 % парка изотермических контейнеров. Важнейшие преимущества такого охлаждения: универсальность, автономность и экономичность; недостатки — сложность изготовления, низкая надежность. Относительная простота, высокая надежность, возможность быстрого понижения температуры груза и воздуха в грузовом помещении, незначительная естественная убыль — отличительные особенности жидкоазотной и сухоледной систем охлаждения контейнеров. Внутренний объём контейнеров многих зарубежных фирм массой брутто 20 т составляет 0,75 наружного. Объем грузового помещения 23—26 м3. Перевозят такие контейнеры на специальном подвижном составе, платформах-автомобилях, судах-контейнеровозах. В портах обрабатывают крупнотоннажные контейнеры на специально выделенных и технически оснащённых причалах-терминалах. Для дорог страны разработана техническая документация на рефрижераторный контейнер массой брутто 20 т; изготовлены и испытаны опытные образцы контейнеров с машинной и азотной системами охлаждения. Отечественные контейнеры типа СК-5 соответствуют типоразмерам международного стандарта, имеют надежную теплоизоляцию. В их конструкции широко использованы алюминий, его сплавы и стеклопластик. Температура, влажность, чистота и другие параметры воздуха, если они отвечают нормам, способствуют хорошему самочувствию людей и успешному выполнению многих производственных процессов. Для придания воздуху определенных свойств применяется кондиционирование. Термин «кондиционирование» воздуха образован от слова «кондиция» и в широком смысле этого слова означает обработку воздуха. Необходимость применения кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах обусловлена их низкой теплоустойчивостью, малым объемом помещения, приходящимся на одного пассажира, а также быстрым передвижением вагонов, вследствие чего они попадают в различные климатические зоны и разные погодные условия. В более узком и распространенном смысле кондиционирование воздуха — это подготовка и поддержание заданных параметров воздуха независимо от изменения климатических и погодных условий именно в бытовых помещениях, к которым относят и пассажирские вагоны. В качестве источника искусственного холода в современном подвижном составе используют установки машинного охлаждения с хладоновыми компрессорами. Несмотря на конструктивное совершенство, энергетическую эффективность и хорошие эксплуатационные показатели хладоновых холодильных машин, идет интенсивный поиск новых решений в области холодильной техники для установок подвижного состава, включающий разработку и использование более эффективных и экологически чистых хладагентов, а также создание машин принципиально новых типов. Важная задача совершенствования технологии хладотранспорта — это разработка единой автоматизированной системы управления перевозками скоропортящихся грузов различными видами транспорта.
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 1.1. Физические принципы получения низких температур 1.2. Основные параметры и единицы их измерения 1.3. Первый и второй законы термодинамики 1.4. Агрегатное состояние вещества 1.5. Обратный цикл Карно 1.6. Классификация и теплотехнические основы работы холодильных машин 1.7. Рабочий процесс паровой компрессорной холодильной машины 1.8 Рабочий процесс и основные параметры поршневого компрессора 1.9. Холодопроизводительность компрессора и установки 1.10. Мощность компрессора и энергетические коэффициенты 1.11. Рабочие процессы паровых двухступенчатых компрессионных холодильных машин 1.12. Холодильные агенты и холодоносители 1.12.1 Холодильные агенты 1.12.2 Теплоносители ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 2.1. Компрессоры холодильных машин 2.1.1. Классификация поршневых компрессоров 2.1.2. Конструкция компрессоров 2.1.3. Винтовые и роторные холодильные компрессоры 2.2. Устройство поршневых хладоновых компрессоров 2.2.1 Компрессор 2H2-56/7,5-105/7 2.2.2. Автоматический запорный вентиль 2.2.3. Компрессор 2ФУУБС18 2.2.4. Компрессор типа V 2.2.5. Повышение надежности и экономичности компрессоров 2.2.6. Характерные неисправности и требования безопасности при обслуживании компрессоров 2.3. Теплообменные и вспомогательные аппараты 2.3.1. Назначение теплообменников холодильных установок 2.3.2. Классификация и устройство конденсаторов 2.3.3. Теплопередача в конденсаторах и тепловой расчет 2.3.4. Классификация испарителей 2.3.5. Теплопередача в испарителях и воздухоохладителях 2.3.6. Конструкция испарителей подвижного состава 2.3.7. Характерные неисправности теплообменных аппаратов 2.3.8. Расчет испарителей 2.3.9. Вспомогательные аппараты ГЛАВА 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ. АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТЫ. ЗАЩИТА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН И УСТАНОВОК КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА 3.1. Принципы автоматизации холодильных установок 3.2. Основные понятия об автоматическом регулировании 3.3. Классификация и основные элементы приборов автоматики 3.4. Регуляторы заполнения испарителя хладагентом 3.5. Терморегулирующие вентили 3.6. Приборы регулирования давления 3.7. Приборы регулирования температуры 3.8. Исполнительные механизмы ГЛАВА 4. ХОЛОДИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ 4.1. Установка кондиционирования воздуха MAB-II 4.2 Установка кондиционирования воздуха УКВ-31 4.3. Шкафы-холодильники вагонов-ресторанов и охладители питьевой воды 4.3.1. Шкафы-холодильники 4.3.2 Водоохладители ГЛАВА 5. ХЛАДОНОВЫЕ УСТАНОВКИ РЕФРИЖЕРАТОРНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА 5.1. Основные характеристики хладоновых холодильных установок 5.2. Холодильные установки секции ZB-5 и АРВ 5.2.1. Холодильно-нагревательный агрегат FAL-056/7 5.3 Холодильные установки секций 5-БМЗ 5.4. Холодильная установка вагона для перевозки живой рыбы ГЛАВА 6. ЖИДКОАЗОТНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ (ЖАСО) ГРУЗОВ 6.1. Зарубежные разработки 6.2. Отечественные разработки ЖАСО для железнодорожного транспорта 6.2.1. Крупнотоннажный рефрижераторный контейнер с азотной системой охлаждения 6.2.2. Система охлаждения в АЖВ 6.2.3. Макетный образец АЖВ ГЛАВА 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ХЛАДОНОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК И УСТАНОВОК КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА 7.1. Эксплуатация и техническое обслуживание холодильного оборудования рефрижераторного подвижного состава 7.1.1. Холодильно-нагревательные установки ВР-1М 7.1.2 Холодильно-нагревательная установка FAL-056/7 7.1.3. Установка кондиционирования воздуха МАВ-II 7.1.4. Установка кондиционирования воздуха УКВ-31 7.1.5. Шкафы-холодильники 7.1.6. Охладитель питьевой воды TWK-10-3 7.2. Техническая диагностика холодильных установок 7.3. Техника безопасности при обслуживании ремонте и испытаниях холодильных установок 7.3.1. Общие положения 7.3.2. Правила техники безопасности ГЛАВА 8. СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ РЕФРИЖЕРАТОРНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ 8.1. Система вентиляции рефрижераторного подвижного состава 8.1.1. Рефрижераторная пятивагонная секция типа ZB-5 8.1.2. Рефрижераторная пятивагонная секция типа БМЗ 8.2. Вентиляция воздуха в пассажирских вагонах 8.2.1. Особенности системы вентиляции с рециркуляцией воздуха 8.2.2. Основы расчета и выбора параметров системы вентиляции 8.3. Система отопления РПС и пассажирских вагонов 8.3.1. Рефрижераторная пятивагонная секция типа ZB-5 8.3.2. Рефрижераторная пятивагонная секция типа БМЗ 8.3.3. Система отопления купейного и некупейного вагонов постройки Тверского вагоностроительного завода (ТВЗ) 8.3.4. Система отопления купейного вагона постройки Германии 8.4. Системы водоснабжения РПС и пассажирских вагонов 8.4.1. Рефрижераторная пятивагонная секция типа ZB-5 8.4.2. Рефрижераторная пятивагонная секция типа БМЗ 8.4.3. Водоснабжение пассажирских вагонов 8.4.4. Система водоснабжения купейного вагона модели 61-4179 постройки ТВЗ ЛИТЕРАТУРА
ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
1 В.Е. ПИГАРЕВ, П.Е. АРХИПОВ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА Утверждено Департаментом кадров и учебных заведений МПС России МОСКВА
2 УДК П ББК П32 Пигарев В.Е., Архипов П.Е. /Под редакцией В.Е. Пигарева. Холодильные машины и установки кондиционирования воздуха М.: Маршрут, с. ISBN Рассмотрены теоретические основы холодильных машин и установок кондиционирования воздуха, принципы выбора и расчёта их элементов, особенности конструкции, эксплуатации и технического обслуживания холодильного оборудования, а также его техническая диагностика и методы испытания. Учебник написан в соответствии с государственными требованиями к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки выпускников техникумов и колледжей железнодорожного транспорта по программе дисциплины «Холодильные машины и установки кондиционирования воздуха», УДК ББК Рецензенты: главный инженер Департамента вагонного хозяйства МПС России В.А. Чижов; заместитель главного инженера ФГУП «Воронежский вагоноремонтный завод им. Э.Тельмана», канд. техн. наук В.Т. Бахтин; преподаватель Московского коллежда железнодорожного транспорта А.В. Щепетов; преподаватель Воронежского электромеханического колледжа железнодорожного транспорта Е.П. Стрыжаков. Пигарев В.Е., Архипов П.Е., 2003 ISBN Издательство «Маршрут», 2003 УМК МПС России,
3 ВВЕДЕНИЕ Холодильная техника высокоразвитая отрасль промышленности, способная удовлетворять самые разнообразные требования, возникающие в связи с необходимостью отводить теплоту от различных объектов. Холодильная машина это замкнутая система из аппаратов и устройств, предназначенных для осуществления холодильного цикла. Используют холодильные машины для охлаждения разнообразной продукции ниже температуры окружающей среды и для непрерывного поддержания заданной температуры в течение необходимого времени. Холодильная установка включает в себя холодильную машину, приборы автоматики, трубопроводы и сооружения, необходимые для проведения технологических процессов. В 1834 г. была изобретена компрессионная холодильная машина. Искусственное охлаждение начали применять при заготовке, обработке и транспортировке скоропортящихся продуктов. Первая установка для замораживания мяса была построена в Австралии в 1861 г. Такое мясо впервые было перевезено в 1876 г. на судне-рефрижераторе с машинным охлаждением. Изотермические вагоны с ледяным охлаждением начали эксплуатировать в США с 1858 г. Первую холодильную машину в России применили в 1888 г. на рыбных промыслах в Астрахани. В настоящее время практически нет такой отрасли промышленности, где бы не применялся искусственный холод. Холодильное хозяйство страны носит комплексный характер и представляет собой единую холодильную цепь, охватывающую все последовательные звенья производства, хранения, транспортировки и реализации пищевых продуктов. Железнодорожный хладотранспорт одно из ведущих звеньев непрерывной холодильной цепи, представляющей собой технологическую систему, обеспечивающую подготовку, хранение и транспортировку скоропортящейся продукции. Перевозка скоропортящихся грузов связана с определёнными температурными режимами, поэтому энергетика рефрижераторного подвижного состава, кроме охлаждения груза в летнее время, предусматривает его обогрев зимой. 3
4 Основной элемент современного железнодорожного хладотранспорта рефрижераторный подвижной состав имеет общую или индивидуальную для каждого вагона энергетическую установку и источник получения искусственного холода холодильную машину. Выбор энергохолодильного оборудования и особенности его конструкции и энергетики рефрижераторного подвижного состава обусловлены спецификой технологии железнодорожного хладотранспорта. Конструктивные особенности оборудования в основном определяются габаритом подвижного состава. Это обстоятельство вызывает высокие удельные тепловые нагрузки рефрижераторных вагонов, что влечет за собой продолжительное время включения машинного оборудования, ужесточая требования к его надежности, а также интенсифицирует процессы усушки груза и потери его массы. Пространственная ограниченность вагона создает трудности и в размещении и обслуживании машинного оборудования. Конструктивные особенности, вытекающие из ограниченности габаритов и особенности геометрии вагонов, обостряют требования по поддержанию допустимых температурных градиентов по объему перевозимого груза. Для выполнения своей основной задачи железнодорожный хладотранспорт располагает: специальным подвижным составом, пунктами экипировки вагонов и их обслуживания, снабжения хладоносителем, специализированными депо, пунктами санитарной обработки вагонов, другими стационарными и передвижными устройствами. В соответствии с Соглашением о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и транспортных средствах доставки, предназначенных для этих перевозок, разработанным Европейской экономической комиссией ООН (ЕЭК ООН), весь подвижной состав хладотранспорта подразделяют на: вагоны-термосы, кузов которых образуют: теплоизоляционные стены, крыша, пол и двери, позволяющие ограничить теплообмен между внутренней и наружной поверхностями грузового помещения; вагоны-ледники, имеющие источник естественного холода с готовым холодоносителем (сухой лед, жидкий азот, эвтектические плиты и т.п.); в ряде конструкций подвижного состава подобного типа предусматривают системы автоматического регулирования подачи холодоносителя, обеспечивающие режим поддержания заданной температуры; 4
5 рефрижераторный подвижной состав 5-вагонные секции и автономные вагоны, имеющие общую или индивидуальную для каждого вагона энергетическую установку и источник получения искусственного холода холодильную машину; отапливаемые вагоны, оснащенные установками, позволяющими обеспечить и автоматически поддержать заданный температурный режим обогрева грузового помещения. В настоящее время находят применение изотермические контейнеры, охлаждаемые навесными или встроенными холодильно-отопительными агрегатами. Их масса брутто колеблется от 5 до 30 т. Более широкая градация изотермических контейнеров предусмотрена международным стандартом (масса брутто 30, 25, 20, 10, 7,5 т). Высота и ширина всех стандартизированных контейнеров 2438 мм. На контейнеры, используемые для перевозки скоропортящихся грузов в международном сообщении, распространяются также таможенные предписания, морской регистр, требования бюро стандартов и др. Крупнотоннажные контейнеры, специализированные для перевозки пищевых продуктов, классифицированы по наличию источников холода, типу применяемой системы охлаждения или отопления. В соответствии с международными требованиями контейнеры проектируют для эксплуатации при наружных температурах от +45 до 45 C. Системы охлаждения (отопления) должны сохранять работоспособность при наружных температурах от +55 до 50 C и атмосферном давлении от 86,5 до 167 кпа. К номинальным (расчетным) условиям при проектировании изотермических контейнеров отнесены: температура грузового помещения 20 C при температуре наружного воздуха +45 C для рефрижераторных контейнеров и +16 и 40 C соответственно для отапливаемых контейнеров. Характерная особенность таких контейнеров состоит в том, что они унифицированы по внешним и присоединительным параметрам с большегрузными контейнерами общего назначения. Холодоснабжение большегрузных изотермических контейнеров может осуществляться от машинной холодильной установки, установки с жидким азотом или сухим льдом. Машинным охлаждением оснащено около 90 % парка изотермических контейнеров. Важнейшие преимуще- 5
6 ства такого охлаждения: универсальность, автономность и экономичность; недостатки сложность изготовления, низкая надежность. Относительная простота, высокая надежность, возможность быстрого понижения температуры груза и воздуха в грузовом помещении, незначительная естественная убыль отличительные особенности жидкоазотной и сухоледной систем охлаждения контейнеров. Внутренний объём контейнеров многих зарубежных фирм массой брутто 20 т составляет 0,75 наружного. Объем грузового помещения м 3. Наружные габаритные размеры контейнеров: 2,435 2,435 6,055 м. Перевозят такие контейнеры на специальном подвижном составе, платформах-автомобилях, судах-контейнеровозах. В портах обрабатывают крупнотоннажные контейнеры на специально выделенных и технически оснащённых причалах-терминалах. Для дорог страны разработана техническая документация на рефрижераторный контейнер массой брутто 20 т; изготовлены и испытаны опытные образцы контейнеров с машинной и азотной системами охлаждения. Отечественные контейнеры типа СК-5 соответствуют типоразмерам международного стандарта, имеют надежную теплоизоляцию. В их конструкции широко использованы алюминий, его сплавы и стеклопластик. Температура, влажность, чистота и другие параметры воздуха, если они отвечают нормам, способствуют хорошему самочувствию людей и успешному выполнению многих производственных процессов. Для придания воздуху определенных свойств применяется кондиционирование. Термин «кондиционирование» воздуха образован от слова «кондиция» и в широком смысле этого слова означает обработку воздуха. Необходимость применения кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах обусловлена их низкой теплоустойчивостью, малым объемом помещения, приходящимся на одного пассажира, а также быстрым передвижением вагонов, вследствие чего они попадают в различные климатические зоны и разные погодные условия. В более узком и распространенном смысле кондиционирование воздуха это подготовка и поддержание заданных параметров воздуха независимо от изменения климатических и погодных условий именно в бытовых помещениях, к которым относят и пассажирские вагоны. 6
7 В качестве источника искусственного холода в современном подвижном составе используют установки машинного охлаждения с хладоновыми компрессорами. Несмотря на конструктивное совершенство, энергетическую эффективность и хорошие эксплуатационные показатели хладоновых холодильных машин, идет интенсивный поиск новых решений в области холодильной техники для установок подвижного состава, включающий разработку и использование более эффективных и экологически чистых хладагентов, а также создание машин принципиально новых типов. Важная задача совершенствования технологии хладотранспорта это разработка единой автоматизированной системы управления перевозками скоропортящихся грузов различными видами транспорта. 7
8 ГЛАВА 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 1.1. Физические принципы получения низких температур Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атомов. Когда тепло отводится, движение молекул замедляется и тело охлаждается. Если тепло подводится, движение молекул ускоряется и тело нагревается, т.е. причина тепла и холода движение молекул, из которых состоит любое физическое тело. Охлаждение это процесс отвода тепла или отдачи работы, сопровождающийся понижением температуры. Охлаждение осуществляется с участием не менее двух тел: охлаждаемого и охлаждающего. Количество тепла, которое может поглотить охлаждающее тело, определяет его охлаждающий эффект или холодопроизводительность. Естественное охлаждение осуществляется теплообменом с окружающей средой, искусственное холодильной машиной. Колебания температуры в природных условиях создают возможность сохранения при аккумуляции естественного холода. Наиболее распространенное тело, сохраняющее естественный холод, водный лед. В практических условиях для передачи холода применяют специальные устройства. Их работа осуществляется при дополнительной затрате энергии. Охлаждающий эффект при низких температурах достигается применением следующих физических процессов: фазовых превращений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли); расширения сжатого газа с отдачей внешней работы; расширения газа путем дросселирования (эффект Джоуля Томсона); вихревого эффекта охлаждения; пропускания электрического тока через спай двух металлов или полупроводников (эффект Пельтье); размагничивания твердого тела (магнитно-калорический эффект); десорбции газов. Фазовые превращения (плавление, кипение, сублимация) это процессы, поглощающие относительно большое количество тепла, и поэтому применяются для получения охлаждающего эффекта. 8
10 Кипение и сублимация. Процесс парообразования чистых веществ протекает при постоянных температуре и давлении. Полная теплота парообразования r = U U + А Р (n n ) = Р + j = i i, где U и U, i и i, ν и ν соответственно внутренняя энергия, энтальпия, удельные объемы насыщенного пара и жидкости; P = U U внутренняя теплота парообразования, затрачиваемая на придание необходимой энергии молекулам при переходе из жидкости в пар; ϕ = А P (ν ν ) внешняя теплота парообразования, расходуемая на преодоление внешнего давления. Температура кипения и теплота парообразования каждого вещества зависят от давления. При увеличении давления температура кипения повышается, а теплота парообразования уменьшается. Состояние вещества, в котором обе предельные точки переходной области из жидкости в пар совмещаются в одну с теплотой парообразования, равной 0, называется критическим. При температурах выше критических ни при каких условиях невозможен переход газов в жидкость. Приоритет в установлении критического состояния принадлежит Д. И. Менделееву (1861 г.). Соотношение между температурой и давлением в процессе парообразования определяется кривой I (рис. 1.2). Точки на этой кривой характеризуют состояния, при которых жидкая и газообразная фазы вещества сосуществуют, находясь в устойчивом равновесии. Кривая сверху ограничивается критической точкой. Рис Диаграмма равновесия фаз углекислоты; кривые: I кипения, II плавлениz, III сублимации; 1 жидкая фаза; 2 газообразная; 3 твердая; 4 кипение; 5 плавление; 6 сублимация (1.1) С повышением давления и перемещением по кривой равновесия жидкость пар разница в свойствах соответствующих фаз уменьшается и совсем исчезает в критической точке. Термодина- 10
11 мические свойства жидкости и пара в этой точке тождественны. Теплота парообразования используется для искусственного охлаждения в паровых холодильных машинах: компрессионных, пароэжекторных и абсорбционных. Интенсивное испарение воды для получения охлаждающего эффекта наблюдается при низкой относительной влажности воздуха. Испарительное охлаждение водой применяется при относительно высоких температурах. Для испарительного охлаждения при более низких температурах используют вещества с низкой температурой кипения при атмосферном (нормальном) давлении. Фреон R11, хладон R12, аммиак, фреон R22 имеют соответственно следующие нормальные температуры кипения: 23,7 C; 29,8 C; 33,4 C; 40,8 C. Температура плавления (затвердевания) зависит от давления и за некоторым исключением изменяется в одном направлении с ним, подобно температуре кипения. Кривые плавления II и кипения I пересекаются в точке, называемой тройной. Тройная точка характеризует состояние, в котором при определенном давлении и температуре сосуществуют три фазы (твердая, жидкая и газообразная) в любых количественных соотношениях. Ниже тройной точки вещество находится либо в твердом, либо в газообразном состоянии. Точки кривой III определяются значениями давлений и температур, при которых твердая и газообразная фазы находятся в равновесии. Процесс перехода из твердого состояния непосредственно в парообразное называется сублимацией, или возгонкой. В тройной точке для СО 2 температура 56,6 C и давление 0,528 МПа. Жидкая углекислота может иметь температуру выше 56,6 C. Температура сублимации твердой углекислоты при атмосферном давлении 78 C. Сублимирующая твердая углекислота называется «сухим льдом». Сухой лед широко применяют для охлаждения вследствие низкой температуры сублимации и высокой весовой холодопроизводительности. В вакууме температура сублимации сухого льда может быть понижена до 100 C; при смешении его с серной кислотой температура эвтектической точки достигает 82 С. Температура и давление тройной точки воды 0,00098 С и 0, Мпа соответственно; водный лёд сублимирует при температурах ниже нуля. Сублимацию водного льда используют при сушке различных препаратов под вакуумом. 11
12 Рис. 1.3 Процессы расширения газа в энтропийной диаграмме Работа расширения газов. Расширение сжатого идеального газа с отдачей внешней работы сопровождается понижением температуры. Отношение температур в политропическом процессе 1 2 n с показателем политропы n (рис. 1.3) T T n 1 2 Р2 n 1 = В адиабатическом (изоэнтропическом) процессе расширения 1 2 а отсутствует теплообмен с внешней средой, показатель п равен показателю адиабаты k, энтропия остается постоянной. В процессе 1 2 n с подводом тепла показатель политропы n k. Процесс расширения газа в расширительной машине (детандере) протекает с подводом тепла. Полное преобразование внутренней энергии в механическую работу осуществляется в адиабатическом процессе. Расширение газов путем дросселирования (эффект Джоуля Томсона). Резкое снижение давления жидкости или газа при прохождении их через суженное отверстие (вентиль, кран) называется дросселированием. В этом процессе не производится внешней работы и давление снижается очень быстро, вследствие этого теплообмен с внешней средой не происходит. Энтальпия остается постоянной i 1 = i 2, поэтому такой адиабатический процесс не является изоэнтропическим. Энтропия возрастает, и процесс необратим (1 2 U, l 2 i, 1 2 i, рис. 1.3). Линии постоянных температур и энтальпий (изотерма и изоэнтальпа) идеального газа совпадают, поэтому при дросселировании температура не изменяется. При дросселировании реального газа в результате изменения внутренней энергии совершается работа для преодоления внутренних сил взаимодействия молекул a u = 0, и поэтому изменяется температура. При дросселировании идеального газа объемная энергия не изменяется: Р 1. (1.2) 12
13 (Pν) = P 2 ν 2 P 1 ν 1 = 0, в процессах реального газа она может возрастать и уменьшаться (Pν) = P 2 ν 2 P 1 ν 1 0. Взаимодействие между молекулами реального газа и изменение его объемной энергии в процессе расширения обусловливают при дросселировании два температурных эффекта, которые могут складываться или взаимно компенсироваться. Точка, соответствующая состоянию реального газа, в котором эффект Джоуля Томсона равен нулю, называется точкой инверсии, а геометрическое место таких точек кривой инверсии. В интервалах температур инверсии дросселирование дает охлаждающий эффект, а выше и ниже происходит нагревание газа. Эффект Джоуля Томсона применяется при получении особо низких температур. Вихревой эффект охлаждения. Французский инженер Ранк предложил использовать для охлаждения вихревой эффект с помощью специальной трубы. Тангенциально по отношению к внутренней поверхности трубы установлено сопло (рис. 1.4). Около сопла расположена диафрагма с концентрическим отверстием. По одну сторону от диафрагмы находится свободный выход (холодный конец), а по другую дроссельный вентиль (горячий конец). Поток сжатого воздуха, предварительно охлажденного водой, поступает в сопло, завихряется и приобретает кинетическую энергию. Через центральное отверстие диафрагмы воздух выходит охлажденный, а через свободный выход нагретый. В трубе воздух разделяется на два потока холодный и горячий. Количество воздуха и, следо- (1.3) (1.4) Рис Вихревая труба: a конструкции; б схема протекания воздуха; 1 сопло; 2 диафрагма; 3 дроссельный вентиль; 4 горячий конец трубы; 5 холодный 13
14 вательно, температуру потоков можно регулировать бîльшим или меньшим открыванием дроссельного вентиля. Воздушный поток, вышедший из сопла, образует вихрь, угловая скорость W вращения которого велика около оси и уменьшается по мере удаления от нее. При движении к дроссельному вентилю поток, вследствие наличия сил трения между слоями газа, приобретает почти одинаковую угловую скорость, так как внутренние слои теряют скорость, а внешние набирают ее. В начальный момент процесса разделения газа угловая скорость элементарной массы его на некотором расстоянии от оси трубы больше, чем в последующий момент. При этом получается избыток кинетической энергии, который передается внешним слоям, повышая их температуру. Внутренние слои газа, охладившиеся при истечении, отдавая свою кинетическую энергию внешним слоям посредством трения, не получают в поле вихревого разделения газа эквивалентного возврата тепла от них. Температурное расслоение газа в вихревой камере происходит значительно быстрее наступления термического равновесия. Вследствие этого внешние слои выходят через дроссельный вентиль нагретыми, а внутренние через отверстие в диафрагме холодными. Термодинамически процессы вихревой трубы мало эффективны. Получение охлаждающего эффекта таким путем связано с перерасходом энергии в 8 10 раз по сравнению с воздушной холодильной машиной. Можно получить низкие температуры и термоэлектрическим способом (эффект Пельтье). Термоэлектрические явления обусловлены наличием связи между тепловыми и электрическими процессами. Если к термопаре подвести постоянный ток, один из спаев будет нагреваться, другой охлаждаться. При перемене направления тока изменится и нагрев спаев нагретый будет охлаждаться, а холодный нагреваться. Эффект Пельтье обусловлен особенностями прохождения потока электронов через поверхность спая разнородных металлов. Описанное явление открыто еще в 1834 г., но практического значения долгое время не имело. В последние годы эффект Пельтье применен в домашних электрохолодильниках и комнатных кондиционерах с термопарами из различных полупроводников. 14
15 1.2. Основные параметры и единицы их измерения Тепловое состояние физического тела характеризуется его температурой, которая является одним из основных параметров состояния тела. Международная система единиц (СИ) предусматривает для измерения температуры применение двух температурных шкал: термодинамической температурной шкалы и Международной практической температурной шкалы. Температуры по каждой из этих шкал могут быть выражены в градусах Кельвина (Т К) и в градусах Цельсия (t С) в зависимости от начала отсчета (положения нуля) по шкале. По шкале Кельвина за начало отсчета принят абсолютный нуль, расположенный на 273, 16 К ниже тройной точки воды. При абсолютном нуле прекращается поступательное и вращательное движение атомов и молекул. По шкале Цельсия за начало отсчета принята точка таяния льда, которая лежит на 273, 15 К выше абсолютного нуля и на 0,01 ниже тройной точки воды при нормальном атмосферном давлении. Соотношение между t C и ТК: t = Т 273,15 С, или приближенно t = T 273 С. Для измерения температуры используют следующие приборы: жидкостные и газовые термометры, в которых происходит изменение объема жидкости или газа; манометрические термометры, в которых изменяется давление газа в замкнутой системе; термометры сопротивления, в которых происходит изменение электрического сопротивления проводника (датчика) в зависимости от температуры; термоэлектрические пирометры (термопары), в которых два проводника из различных материалов образуют замкнутую цепь и имеют два спая; в цепи возникает электродвижущая сила, пропорциональная разности температур спаев. Чтобы определить физическое состояние вещества, необходимо знать его температуру и давление, т.е. силу, действующую на единицу поверхности перпендикулярно к ней (в холодильных установках это давление газов, паров или жидкостей на стенки труб, сосудов и т.п.). Основной единицей измерения давления является паскаль (Па), т.е. сила в 1 ньютон (Н), приходящаяся на 1 м 2 площади (1 Па = 1 Н/м 2 ). Эта единица давления очень мала, поэтому применяют укрупненные единицы-килопаскаль и мегапаскаль (кпа и Мпа соответственно). 15
16 Давление измеряют жидкостными или пружинными манометрами. Манометры, показывающие разрежение или вакуум, называют вакуумметрами. Давление по манометру называют избыточным или манометрическим P ман, в отличие от абсолютного P, учитывающего давление атмосферного воздуха P бар. Атмосферное давление приблизительно составляет 0,1 МПа: P = P ман + P бар. Температура, давление и объем любого тела определяют его физическое состояние. Все вещества отличаются одно от другого плотностью. Плотностью вещества (кг/м 3 ) называют величину, численно равную массе единицы его объема, т.е. P = m/v, где m и V соответственно масса и объем тела. За единицу массы всех веществ и тел принят килограмм (кг). Для характеристики газов используют также понятие удельного объема (м 3 /кг), т.е. объема единицы массы ν = V/m = 1/P. К сложным параметрам относятся: удельная внутренняя энергия u; удельная энтропия S; и удельная энтальпия i. Энтропия это функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой. В термодинамических расчетах используют не абсолютное значение энтропии, а ее изменение в процессе теплообмена, которое определяется отношением количества подведенной (или отведенной) теплоты к средней термодинамической температуре рабочего тела: S 2 S 1 = Q/T, где S 1, S 2 соответственно начальная и конечная энтропия, Дж/К; Q теплота, подведенная к рабочему телу или отведенная от него, Дж. Процессы без подвода или отвода теплоты называются адиабатными и протекают при S = const. Энтальпией называется полная энергия рабочего тела. Удельная энтальпия равна сумме удельной внутренней энергии U и потенциальной энергии давления pν: i = U + P ν. 16
17 В процессах с постоянным давлением при переходе тела из одного состояния в другое количество подведенной или отведенной теплоты равно разности энтальпий: q 1-2 = i 2 i 1. Затраченная или полученная работа в адиабатном процессе определяется также разностью энтальпий: l 1-2 = i 2 i 1 Для нагревания одинакового количества различных физических тел одной и той же массы на одно и то же число градусов необходимо подвести различное количество теплоты. Это объясняется различной теплоемкостью тел. Теплоемкость это отношение количества теплоты Q, сообщаемого телу, к соответствующему изменению его температуры: С = Q/ T. Отношение теплоемкости к массе тела m называется удельной теплоемкостью: с = С/т. В СИ удельная теплоемкость выражается в Дж/(кг К). Теплоемкость зависит от химического состава и состояния тела, процесса сообщения ему теплоты, его температуры. С понижением температуры теплоемкость в большинстве случаев уменьшается. Если тело нагревается от T 1 до Т 2, то средняя удельная теплоемкость будет: c = Q T 2 2 Q T m Теплоемкость газов существенно зависит от условий подвода тепла. Различают удельную теплоемкость газа при постоянном давлении с р и при постоянном объеме с ν. Установлено, что с р > с ν. Для жидкостей различием в этих теплоемкостях пренебрегают ввиду его малости Первый и второй законы термодинамики Первый закон термодинамики является выражением закона сохранения энергии для термодинамической системы. Согласно первому закону термодинамики теплота Q, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы U и совершение системой работы L против внешних сил: Q = U + L. 17
18 Для рабочего тела массой 1 кг первый закон термодинамики выражается уравнением: Q = U 2 U 1 + L, где Q удельное количество теплоты, подведенное к телу в процессе изменения его состояния, Дж/кг; U 1, U 2 удельная внутренняя энергия тела в начале и в конце процесса, Дж/кг; L удельная внешняя работа, совершенная телом, Дж/кг. Обратимые и необратимые процессы. Изменение состояния рабочего тела, при котором параметры состояния (все или некоторые) изменяются, а масса рабочего тела остается постоянной, называется термодинамическим процессом. Процессы бывают обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который может быть проведен в обратном направлении через все промежуточные состояния прямого процесса, в результате чего вся система приобретает первоначальное состояние. Необратимый процесс протекает только в одном направлении. Второй закон термодинамики. Если погрузить тело, имеющее низкую температуру, в горячую воду, вода будет охлаждаться, а тело нагреваться, т.е. вода будет отдавать свою теплоту более холодному телу. С точки зрения молекулярной теории, это объясняется так: средняя скорость движения молекул горячей воды выше, чем холодного тела, поэтому молекулы горячего тела отдают свою энергию менее подвижным молекулам холодного тела и увеличивают скорость их движения. Такая передача энергии будет происходить до тех пор, пока средняя скорость обоих тел и их температуры не сравняются. Таким образом, передача теплоты от теплого тела к более холодному происходит без затраты какой-либо энергии. Обратный процесс, т.е. передача теплоты от холодного тела к теплому, самопроизвольно не осуществляется. Но при затрате работы он может быть осуществим. Поэтому второй закон термодинамики может быть сформулирован так: чтобы передать теплоту от холодного тела к теплому, необходимо затратить работу. Теплота это энергетическая характеристика процесса теплообмена, измеряемая количеством энергии, передаваемым от одного тела к другому тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучистым теплообменом. 18
19 Теплопроводность это процесс распространения тепла в теле вследствие теплового движения его молекул. Скорость движения молекул при повышении температуры возрастает, увеличивается число соударений с соседними молекулами. В твердых телах теплопроводность единственный способ распространения тепла. Конвекция это процесс передачи тепла в жидкости или газе вследствие теплопроводности и непосредственного перемещения их частиц из одной части объема в другую. Конвективный перенос тепла наблюдается в движущихся жидкостях, газах, сыпучих телах. Лучистый теплообмен это процесс передачи тепла от одного тела к другому тепловыми лучами (электромагнитными колебаниями) через промежуточную прозрачную для теплового излучения среду. В облучаемом теле лучистая энергия вновь трансформируется в энергию теплового движения молекул (атомов). Универсальной единицей измерения работы, любого вида энергии, а также количества теплоты в системе СИ является джоуль (Дж), представляющий собой работу силы в 1 Н на пути в 1 м при совпадении направлений силы и перемещения точки ее приложения. Единицей измерения мощности является ватт (Вт), представляющий собой мощность, соответствующую работе в 1 Дж, совершенной в 1 с (1 Вт =1 Дж/с). Единицы измерения тепловой (холодильной) мощности и теплового потока, а также коэффициенты теплоотдачи, теплопередачи и теплопроводности выражают в ваттах или кратных им единицах. Соотношения между единицами измерения тепловой энергии следующие: 1 кдж = 0,239 ккал = 0, квт ч; 1 ккал = 4,187 кдж = 1, квт ч; 1 квт ч = 3600 кдж = 860 ккал. Способность различных веществ проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности λ [квт/(м К)], т.е. количеством тепла, которое проходит через проводник (тело) длиной 1 м с поперечным сечением 1 м 2 за 1 ч при разности температур на его концах в один градус. Теплоотдача это процесс теплообмена между твердой стенкой (телом) и обтекающей ее жидкой (газообразной) средой. Теплопередача это процесс теплообмена между двумя средами, разделенными некоторой перегородкой. 19
20 Коэффициент теплоотдачи α [квт/(м 2 К)] показывает, какое количество тепла отдается (отбирается) в 1ч. с единицы поверхности тела при разности температур среды и поверхности тела в один градус. Коэффициент теплопередачи к [квт/(м 2 К)] определяет количество тепла, проходящее в 1 ч через единицу поверхности при разности температур веществ по обе стороны этой поверхности в один градус. Для практических расчетов стационарных (постоянных во времени) процессов теплоотдачи и теплопередачи используют формулы: Q = α(t СТ T)Fτ, Q = к(t 1 T 2 )Fτ, где Q количество тепла, отданного или приобретенного потоком жидкости (газа), кдж; α, к соответственно коэффициент теплоотдачи и теплопередачи, квт/(м 2 К); T ст, Т средняя температура соответственно стенки и жидкости, К; F поверхность обтекаемой стенки, м 2 ; т время (длительность процесса), ч; t 1, t 2 средние температуры греющей и обогреваемой среды соответственно, К. Термическим сопротивлением называют величину, обратную коэффициенту теплоотдачи или теплопередачи, например Rк = 1/к. Разности температур типа T = T 1 T 2 называются температурными напорами. Подвод или отвод тепла приводит к нагреванию или охлаждению тела Агрегатное состояние вещества Агрегатное состояние вещества (твердого, жидкого, газообразного) зависит от внешних условий температуры и давления. При определенном изменении этих условий в теле меняется форма связи между молекулами и оно переходит из одного агрегатного состояния в другое. Например, если лед нагревать, то через некоторое время он обратится в воду, а при дальнейшем нагревании в пар. Если же от водяного пара отнимать тепло, то он сначала сконденсируется в воду, а в дальнейшем затвердеет и обратится в лед. Переход однородного тела из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре, зависящей от фи- 20
21 зических свойств вещества и условий перехода его из одного состояния (фазы) в другое. Постоянство температуры при переходе тела, например, из твердого состояния в жидкое и из жидкого в парообразное, объясняется тем, что тепло, используемое на изменение агрегатного состояния тела, расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами, на увеличение потенциальной энергии частиц его. А приращение потенциальной энергии не сопровождается ощутимым нагревом. Тепло, воспринимаемое телом, остается в скрытом виде. Переход тела из одного агрегатного состояния в другое физический процесс. Изменение агрегатного состояния тела сопровождается выделением или поглощением соответствующего количества тепла, расходуемого на внутреннюю работу по перегруппировке молекул. Для получения холода имеют значение такие изменения агрегатного состояния тела, которые протекают при низких температурах и сопровождаются поглощением тепла из охлаждаемой среды. Переход химически однородного тела из одного агрегатного состояния в другое характеризуется диаграммой (рис. 1.5). При подводе тепла к жидкости по достижении определенной температуры начинается парообразование, т.е. постепенное превращение жидкости в пар. Переход тела из жидкого состояния (фаза II) в газообразное (фаза III) при постоянной температуре с подводом тепла называется процессом кипения. Этому процессу предшествует процесс испарения жидкости, усиливающийся с повышением температуры. Обратный процесс превращения пара в жидкость, протекающий с отъемом того же количества тепла, называется конденсацией. Кипение происходит при такой температуре, когда упругость образующихся паров жидкости становится равной давле- Рис Диаграмма фазовых состояний вещества 21
22 нию в окружающем жидкость пространстве. Следовательно, температура кипения зависит от физических свойств жидкости и определяется давлением паров над ней. С понижением давления паров снижается и температура кипения жидкостей. Температура кипения жидкости есть одновременно температура ее насыщенного пара при данном давлении. У всех жидкостей температура кипения возрастает с повышением давления и снижается с его уменьшением. При кипении парообразование происходит не только на свободной поверхности жидкости, но и во всей ее массе с подъемом пузырьков в пространство над поверхностью. Испарение происходит практически при любых, в том числе и низких температурах; пары образуются над открытой поверхностью жидкости. Жидкость испаряется, когда упругость ее паров ниже давления в окружающем пространстве. В хладотехнике часто под термином «испарение» понимают процесс кипения жидкости. Теплотой испарения называют количество тепла (кдж/кг), необходимое для превращения 1 кг жидкости при данном давлении и неизменной температуре в сухой насыщенный пар. Конденсация это процесс перехода пара в жидкое состояние при охлаждении или при сжатии и охлаждении одновременно. Для такого изменения агрегатного состояния давление и температура пара должны быть ниже критических, при которых исчезает различие между жидкостью и паром. Если температура пара будет выше критической, то данное вещество не может быть обращено в жидкое состояние, какое бы высокое давление ни создавалось. Теплота конденсации это количество тепла, которое необходимо отвести от 1 кг пара для перехода его в жидкое состояние. Температура конденсации зависит от физических свойств вещества и давления конденсирующихся паров; в процессе конденсации она остается постоянной. Температура конденсации жидкости равна температуре ее кипения. Переход вещества из твердого состояния (см. фазу I, рис. 1.5) в жидкое при подводе необходимого количества тепла называется плавлением (обратный процесс затвердевание). Точка пересечения линий испарения и плавления в координатах давление температура (точка Л) называется тройной точкой. Давление и темпе- 22
23 ратура однокомпонентного вещества в тройной точке (р А, T А ) являются термодинамическими константами (постоянными) этого вещества. Например, для тройной точки воды эти константы таковы: T А = 273, 16 К; р A = 0, МПа. В тройной точке имеет начало линия возгонки, или сублимации. Сублимация это процесс перехода некоторых твердых веществ в парообразное состояние непосредственно, минуя жидкую фазу. Такими физическими свойствами обладают летучие вещества (например, сухой лед), пары которых имеют значительное давление уже при температурах ниже точки плавления. Теплота сублимации это количество тепла, необходимое для перехода 1 кг вещества в пар при постоянном давлении и неизменной температуре, минуя жидкую фазу. Линии фазовых превращений в координатах давление температура являются изображениями термодинамического равновесия двухфазовых систем (см. рис. 1.5): линия кипения изображает равновесие пара и жидкости; линия плавления равновесие жидкой и твердой фаз; линия сублимации равновесие пара (газа) и твердой фазы. Каждая линия фазовых превращений характеризует зависимость температуры данного фазового превращения от давления (и наоборот). По мере повышения давления различие удельных объемов и других физических характеристик равновесных элементов кипящей жидкости и сухого насыщенного пара уменьшается, а вместе с тем уменьшается и значение теплоты испарения. В критической точке K (конечная точка на линии испарения) исчезают основные различия между жидкостью и ее паром. Удельные объемы и прочие характеристики кипящей жидкости и сухого насыщенного пара при этом равны, а скрытая теплота испарения обращается в нуль. Параметры критической точки следующие: Р кр критическое давление, при котором и выше которого жидкость не может быть превращена в пар; T кр критическая температура, при которой и выше которой пар не может быть сконденсирован. Теплота, расходуемая на внутреннюю работу по преодолению сил, удерживающих молекулы жидкости, называется скрытой или удельной теплотой парообразования L. Аналогично теплота других изотермических превращений вещества (плавления, сублимации), протекающих без изменения температуры, называется скрытой теплотой плавления или сублимации. Удельная теплота паро- 23
24 образования воды очень велика 2256 кдж/кг при температуре 373 К. У других жидкостей (спирт, аммиак, ртуть) она различна, но в несколько раз меньше. Конденсация пара наступает при охлаждении его до температуры кипения данной жидкости или несколько ниже этой температуры. Если температура кипения конкретной жидкости очень низка, но необходимо сконденсировать пар при более высокой температуре, то его следует сжать до такого давления, которому соответствует температура кипения, равная выбранной температуре конденсации. Именно такой способ широко применяется в холодильной технике. Регулируя давление, при котором происходит кипение, можно регулировать (изменять) температуру охлаждения. Этот принцип охлаждения положен в основу работы паровой компрессионной и абсорбционной холодильных машин. Для поддержания непрерывного кипения жидкости необходимо выполнить два условия довести жидкость до требуемой температуры кипения и сообщить ей скрытую теплоту парообразования. Для превращения в пар жидкости массой m потребуется следующее количество тепла: Q п = ml. При конденсации пара благодаря отдаче скрытой теплоты парообразования происходит выделение такого же количества тепла Q к = ml. Принято считать количество тепла положительным, если тело его получает, и отрицательным, если отдает. При повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. Сухой насыщенный пар получается при полном испарении (выкипании) всей нагреваемой жидкости. Сухой насыщенный пар это физическое тело неустойчивого состояния; даже незначительный отвод от него тепла при постоянном давлении приводит к частичной конденсации и переходу во влажный пар. Влажный пар это смесь сухого насыщенного пара с жидкостью, т.е. с мельчайшими взвешенными капельками жидкости. Состав этой смеси определяется массовым содержанием сухого пара х в 1 кг смеси, называемым степенью сухости или паросодержанием. Характеризуется влажный пар также массовым содержанием жидкости в 1 кг смеси, равным (1 х) и называемым влажностью пара. Состояние влажного пара определяется его давлением или температурой и степенью сухости. 24
25 Нагревание сухого насыщенного пара при постоянном давлении приводит к повышению его температуры и переходу в состояние перегретого пара. Перегретый пар имеет температуру более высокую, чем насыщенный пар того же давления. Плотность перегретого пара ниже плотности насыщенного пара при одинаковых значениях давления и температуры Обратный цикл Карно В соответствии со вторым законом термодинамики непрерывное искусственное охлаждение не может происходить без затраты энергии. Совокупность процессов, которые при этом осуществляет рабочее тело, называется обратным круговым процессом или обратным термодинамическим циклом. В прямом круговом процессе, или прямом термодинамическом цикле, тепло переносится от горячего тела к холодному (окружающей среде); при этом совершается работа. В обратном цикле тепло переносится от холодного тела к нагретому (окружающей среде); при этом затрачивается работа. Обратный цикл, в котором тепло от охлаждаемой среды передается окружающей среде (воде или воздуху), называется холодильным циклом. Рассмотрим наиболее совершенный в термодинамическом отношении обратный цикл Карно, осуществляемый с минимальной затратой работы. На рис. 1.6 изображен цикл Карно в диаграмме Т S. Он состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. В изотермическом процессе 4 1 к рабочему телу подводится тепло q 0, отнимаемое от источника тепла низкой температуры Т 0. Это тепло выражается площадью 4 1 а b. В адиабатическом процессе 1 2 рабочее тело сжимается компрессором от начального давления Р 0 до конечного давления Р к, при этом его температура повышается от Т 0 до температуры окружающей среды или Рис Обратный цикл Карно 25
27 Выражение (1.7) показывает, что холодильный коэффициент цикла Карно не зависит от физических свойств рабочего тела, а является лишь функцией температур Т 0 и Т к. Холодильный коэффициент тем больше, чем выше температура источника низкой температуры Т 0 и чем ниже температура источника высокой температуры Т к. В действительных условиях работы источником низкой температуры является охлаждаемое тело: воздух, вода, рассол, продукт, грунт и т.д., источником высокой температуры охлаждающая среда: вода или воздух. Согласно выражению (1.6), чем больше холодильный коэффициент, тем меньше работа, затрачиваемая на получение единицы холода, т.е. выше экономичность работы холодильной машины. Исходя из этого необходимо при проектировании холодильной установки стремиться к возможно наиболее высокой температуре Т 0 и к более низкой температуре Т к. Обратный цикл Карно характеризует минимальную величину работы, необходимую для осуществления холодильного цикла в заданном интервале температур охлаждаемой и охлаждающей сред. Рабочее тело, с помощью которого осуществляется холодильный цикл, называется холодильным агентом. Тепло, подведенное к холодильному агенту от источника низкой температуры за один час, называется холодопроизводительностью Q 0 Вт. Холодопроизводительность 1 кг холодильного агента или количество тепла, необходимого для испарения 1 кг холодильного агента, называется весовой холодопроизводительностью q 0 кдж/кг. Холодопроизводительность 1 м 3 парообразного холодильного агента или количество тепла, которое отнимает холодильный агент для получения 1 м 3 пара, называется объемной холодопроизводительностью q ν кдж/м 3. Объемная холодопроизводительность определяется как отношение весовой холодопроизводительности q 0 к удельному объему всасываемых паров ν в м 3 /кг: q0 q ν =. (1.8) v Весовая и объемная холодопроизводительность зависят от условий работы машины: чем ниже t 0 и выше t к, тем меньше q 0 и q ν. Эта величина определяет часовой объем компрессора, т.е. конструкционные характеристики холодильной машины. 27
28 Термодинамические диаграммы. Для определения параметров при расчетах циклов холодильных машин применяют таблицы параметров хладагентов, а также тепловые диаграммы. Наиболее распространенными являются диаграммы: энтропиятемпература (S Т) и энтальпия-давление (lgp- i) (рис. 1.7). Диаграмма Т S. В диаграмме Т S по оси абсцисс откладывают энтропию S и проводят вертикальные линии постоянных энтропии адиабаты, по оси ординат откладывают абсолютную температуру Т и проводят горизонтальные линии постоянных температур изотермы. По полученной сетке из адиабат и изотерм наносят пограничные кривые: левая кривая характеризует состояние насыщенной жидкости (паросодержание х = 0), правая кривая состояние сухого насыщенного пара (х = 1). Между обеими пограничными кривыми расположена область влажного пара 2. Левая пограничная кривая отделяет от области влажного пара область переохлажденной жидкости 1, а правая область перегретого пара 3. На диаграмме нанесены линии постоянных паросодержаний х, линии постоянных давлений р изобары, линии постоянных объемов v изохоры, линии постоянных энтальпий i изоэнтальпы. Изобара в области влажного пара совпадает с изотермой, а в области перегретого пара круто поднимается вверх. Характер линий постоянных х, v, i виден на рис В диаграмме Т S подведенная и отведенная теплота, затраченная и полученная работа изображаются площадями. На рис. 1.8, а для примера Рис Тепловые диаграммы: a S T; б i lgp 28
29 показана теплота, подведенная к телу в изотермическом процессе 1 2, эквивалентная площади 1 2 а b, теплота, отведенная в изобарном процессе 3 4, эквивалентная площади 3 4 d с. Тепловой расчет одноступенчатой паровой холодильной машины. При тепловом расчете холодильной машины определяют: объем, описываемый поршнем компрессора, м 3 /ч. По величине этого объема подбирают компрессор; тепловую нагрузку на конденсатор, Вт, по величине которой определяют его поверхность; эффективную мощность Nэ, квт, на валу компрессора; тепловую нагрузку на переохладитель или теплообменник, по величине которой определяют их поверхности. Основанием для расчета служит заданная холодопроизводительность машины Q 0 брутто(вт) с указанием хладагента, температурных условий работы и намечаемых компрессоров и аппаратов. С помощью диаграммы S T и i lgp и таблиц насыщенных паров (табл и 1.3) соответствующих хладагентов определяют параметры узловых точек цикла холодильной машины. Рис Изображение количества теплоты в диаграммах: S T (а); i lgp (б) 29
