Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг жидкости, доведенной до температуры кипения, в пар, называется удельной теплотой парообразования или теплотой кипения.
Теплота парообразования расходуется на преодоление сил взаимного притяжения молекул жидкости и отрыв их от кипящей массы.
Испарением называется процесс превращения в пар жидкости, не достигшей точки кипения. Испарение происходит не по всему объему жидкости, а только на поверхности.
Процесс, обратный кипению, называется конденсацией. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования.
Во время кипения и при конденсации над поверхностью жидкости находится насыщенный пар.
Плотность и давление насыщенного пара в присутствии жидкости не изменяется при изменении его объема, при условии, что температура жидкости и пара остается неизменной. Насыщенный пар всегда находится в динамическом равновесии с жидкостью.
Давление насыщенного пара для каждой жидкости изменяется только с изменением температуры: чем выше температура, тем больше давление.
Насыщенный пар может быть сухим и влажным. Сухой насыщенный пар получается при полном испарении всей жидкости. Влажный пар – смесь сухого насыщенного пара с мельчайшими капельками жидкости, находящимися в нем во взвешенном состоянии.
1.3 Понятие о холодильном цикле
Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последовательно различные превращения, возвращается снова в первоначальное состояние, называются замкнутыми процессами или циклами.
В системах координат, по осям которых откладываются параметры состояния (p – v; T – s; p – i), такие процессы изображены замкнутыми контурами. За начало и конец цикла может быть принята любая его точка, но обычно за начало цикла принимают начало подвода теплоты к рабочему телу.
Различают прямые и обратные термодинамические циклы. Прямые циклы – это циклы тепловых двигателей. В них рабочее тело переносит тепло от нагретого источника к холодному, совершая при этом полезную работу за счет своего расширения (например, в паровой или газовой турбине).
В графиках прямых циклов линия расширения всегда расположена выше линии сжатия, а сам цикл совершается по часовой стрелке.
Назначение холодильных машин – отбирать тепло от охлаждаемого объекта и возвращать его более теплой окружающей среде.
Холодильная машина представляет собой замкнутую систему, внутри которой циркулируется рабочее тело, называемое холодильным агентом или хладагентом.
Чтобы перенести тепло, необходимо затратить внешнюю энергию на сжатие хладагента. Работа сжатия в холодильных машинах всегда больше работы расширения. Линия сжатия на графиках холодильных циклов располагается выше линии расширения, а сам цикл совершается против часовой стрелки. Поэтому такие циклы называют обратными или холодильными циклами.
Для эффективной работы холодильной машины не безразлично, из каких процессов состоит совершающийся в ней обратный цикл. Стремятся создать такие циклы, в которых получение холода происходит с минимальной затратой внешней энергии.
Наиболее совершенным холодильным циклом является обратный цикл Карло, получивший свое название по имени французского инженера, который предложил и исследовал его в середине 19 века. Этот цикл состоит из двух изотермических (4-1 и 2-3) и двух адиабатных (1-2 и 3-4) процессов.
В изотермическом процессе (4-1) к холодильному агенту подводится тепло от охлаждаемой среды, при этом температура остается постоянной. Точка 1 характеризует состояние паров хладагента, температура которых соответствует температуре охлаждаемой среды. В процессе адиабатного сжатия (1-2), протекающего без теплообмена с окружающей средой, температура и давление паров хладагента возрастают до значений, при которых начинается конденсация их в жидкость. Это состояние характеризуется на графике точкой 2. На этот процесс затрачивается работа. Процесс конденсации протекает при постоянной температуре Тк и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится в окружающую среду. Точка 3 на графике характеризует состояние, при котором процесс конденсации заканчивается и пары холодильного агента полностью переходят в жидкое состояние.
В адиабатном процессе расширения (3-4) холодильный агент понижает свою температуру от температуры Тк до температуры охлаждаемого объекта То. При этой температуре начинается процесс испарения жидкого хладагента, который протекает при постоянной температуре То и сопровождается поглощением скрытой теплоты парообразования (4-1).
Площадь заштрихованного прямоугольника 1-2-3-4 изображает внешнюю работу l, которую надо затратить для передачи тепла (q0) 1 кг хладагента от охлаждаемого объекта теплой окружающей среде. Отведенное тепло (q0) выражается площадью прямоугольника а-1-4-б.
Цикл Карно является идеальным циклом. Он предполагает, что температура охлаждаемой среды То не понижается, а температура окружающей среды Тк не повышается. Кроме того, в этом процессе предполагается отсутствие разности температур между источниками тепла и холодильным агентом, т.е. То, является температурой кипения холодильного агента и охлаждаемого объекта, а Тк – температура конденсации холодильного агента и окружающей среды.
Практически температура охлаждаемого объекта всегда должна быть выше температуры кипения холодильного агента. Тогда тепло от охлаждаемого объекта самопроизвольно перейдет к более холодному холодильному агенту в процессе 4-1. Температура окружающей среды, т.е. воздуха или воды, должна быть ниже температуры сжатых паров холодильного агента, тогда произойдет охлаждение и конденсация паров.
Исследования показали, что не существует других холодильных циклов, в которых работа, затраченная на передачу тепла от холодного источника к теплому, была бы меньше, чем в цикле Карно.
Действительные, реальные циклы холодильных машин отличаются от теоретического цикла Карно. Однако при создании холодильных машин стремятся к тому, чтобы совершающийся в них цикл как можно больше приближается к циклу Карно.
1.3 Одноступенчатая паровая компрессионная холодильная машина
Машины, в которых выработка холода производится за счет кипения жидкости с последующим сжатием образовавшихся паров в компрессоре, называются паровыми компрессионными машинами.
Паровая компрессионная холодильная машина состоит из четырех основных узлов: испарителя 2, компрессора 1, конденсатора 4 и регулирующего вентиля 3, соединенных между собой трубопроводами в замкнутую герметичную систему, в которой циркулирует холодильный агент.
Испаритель служит для кипения в нем холодильного агента, благодаря чему отбирается тепло от охлаждаемого объекта.
Компрессор служит для отсасывания паров из испарителя, что обеспечивает низкое давление кипящего холодильного агента, и для сжатия паров до такого высокого давления, при котором они могут сжижаться в конденсаторе.
В конденсаторе перегретые после сжатия в компрессоре пары сначала охлаждаются до температуры конденсации, а затем отдают скрытую теплоту парообразования, после чего насыщенные пары превращаются в жидкость.
Регулирующий вентиль дросселирует жидкий холодильный агент от давления конденсации до давления кипения в испарителе и регулирует подачу холодильного агента в испаритель.
В испаритель надо подавать столько жидкости в единицу времени, сколько успевает ее выкипеть и в виде паров отсасывается компрессором.
Благодаря затрате энергии на привод компрессора, холодильный агент, циркулируя по системе и меняя свое агрегатное состояние, отбирает тепло от охлаждаемого объекта и передает его охлаждающей воде в конденсаторе. Все тепло, забираемое в охлаждаемом объеме (Q0), и тепло, которое получают пары холодильного агента при сжатии в компрессоре (Qе ), передается охлаждающей воде конденсатора (Qк).
Qк = Q0 + Qе – это равенство называется тепловым балансом паровой компрессионной холодильной машины.
1.4 Многоступенчатая паровая компрессионная машина
В тех случаях, когда в паровой компрессионной машине должна быть достигнута сравнительно низкая температура, а также, когда охлаждающая конденсатор среда имеют температуру свыше 30' С и выше, компрессор должен работать со значительной степенью сжатия.
Высокая степень сжатия приводит к снижению производительности компрессора за счет уменьшения подачи свежего хладагента в цилиндр из-за расширения паров, оставшихся в нем от предыдущего сжатия, образования нагара в цилиндрах из-за высокой температуры сжатия, а также из-за глубокого дросселирования жидкого хладагента.
Чтобы повысить экономичность холодильных машин такого типа, при степени сжатия, равной восьми и более, применяют двухступенчатое сжатие и двухступенчатое дросселирование.
В двухступенчатой холодильной машине можно получить одну или две температуры испарения, что позволяет снабжать потребителей холодом двух параметров.
Цикл холодильной машины с двухступенчатым сжатием характеризуется последовательным сжатием паров в цилиндре низкого давления ЦНД и цилиндре высокого давления ЦВД с промежуточным охлаждением паров водой и за счет кипения хладагента.
Рабочий цикл совершается в следующем порядке: сухие пары, образовавшиеся в испарителе низкого давления F, засасываются цилиндром компрессора низкого давления В. После сжатия до промежуточного давления перегретые газы сначала охлаждаются при том же давлении водой в водяном охладителе G, а затем, за счет испарения части хладагента в особом аппарате – промежуточном сосуде Д.
После этого цилиндр высокого давления А засасывает:
Охлажденный насыщенный пар из ЦНД;
Пар, образовавшийся в промежуточном испарителе Е;
Пар, образовавшийся в промежуточном сосуде Д при первом дросселировании. Тепло этого пара пошло на снятие температуры перегрева паров, поступивших из ЦНД.