Термодинамические диаграммы

Выбор хладоносителей

В холодильных установках крупных холодильников промышленности и торговли в качестве хладо носителей используют в основном рассолы: водные растворы хлористого натрия NaCl и хлористого кальция СаСl2. Последний предпочтительнее из-за более низкой температуры замерзания и меньшей коррозионной активности. Однако он дороже, чем NaCl. Для снижения коррозионной активности в рассолы добавляют специальные ингибиторы, например, кальтозин. Для специальных целей, где требуется хладоноситель с особо низкой температурой, используют этиленгликоль, трихлорэтилен или дихлорметан (R30). Однако их стоимость значительно выше стоимости рассолов.

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 (h, lgp-диаграмма) и энтропия — температура (s, T-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 T в К;

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

- удельный объем в м³/кг;

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

Кроме простых измеряемых параметров, используют также сложные расчетные параметры:

- энтальпию h в кДж;

- энтропию S в кДж/К.

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

h = u + p,

где u — внутренняя энергия холодильного агента, кДж/кг; p — абсолютное давление, Па; — удельный объем, м³/кг.

В этом выражении слагаемое pv представляет собой потенциальную энергию давления p. Она расходуется на совершение работы. Значения h, 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 p. Энтропия S — это также расчетный параметр, являющийся функцией термодинамического состояния хладагента, характеризующий направление протекания 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

s = q / T_m,

где q — теплота, отнесенная к единице массы хладагента, кДж/кг; T_m — средняя абсолютная температура в течение процесса теплообмена, К.

На h, Igp и s, T-диаграммах (рисунок 5.1) из точки К, соответствующей критическому состоянию хладагента, расходятся две так называемые пограничные кривые, разделяющие поле диаграммы на три зоны: переохлажденной жидкости (ПЖ), парожидкостной смеси (Ж + П) и перегретого пара (ПП). Если на h, lgp-диаграмме провести линию постоянного давления (p = const) —изобару, а на s, T-диаграмме линию постоянной температуры (T = const) — изотерму, то они пересекут пограничные кривые в точках A и В. В точке A 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 насыщеным 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 h,lg р-диаграмме разность значений энтальпий h в точках A и B 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. На s, Т-диаграмме величине r будет соответствовать площадь (заштрихованная) под процессом A – B,так как r = = T_m параметры, соответствующие состоянию хладагента на левой пограничной кривой (х = 0) обозначают с одним штрихом, а на правой (х = 1) — с двумя. Таким образом,

r = h- h.

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

а — h lqр-диаграмма; б — s T-диаграмма

Рисунок 3.3 - Изображение теплообменных процессов на термодинамических диаграммах.

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 B – C будет сопровождаться повышением температуры T_c Tв. Насыщенный пар перейдет в точке С в состояние, называемое перегретым паром. 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. На h, lg р-диаграмме (рисунке) изотермы (T = const) в зоне ПЖ идут почти вертикально вверх, параллельно изоэнтальпам — линиям постоянной удельной энтальпии (h = const), а в зоне ПП — резко вниз. На s, T-диаграмме (рисунке) 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. Изоэнталпы (h = const) спускаются круто вниз. Линии постоянной удельной энтропии (s = const) нa s, T-диаграмме вертикальны, а на h lg р-диаграмме (рисунке)располагаются примерно под углом 45⁰ к горизонтали. С небольшим подъемом от горизонтали идут на обеих диаграммах линии постоянного удельного объема (= const). Большим давлениям p соответствует меньший удельный объем. 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 h, lg р-диаграмме в виде отрезка прямой линии и равно разности энтальпий в начале и конце процесса. В этом заключается достоинство h, lg р-диаграммы, которое обусловило ее широкое использование для расчета парокомпрессионных холодильных машин.