Введение
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов судомеханического факультета ОНМУ, обучающихся по специальностям 6.090.509 «Судовые энергетические установки и оборудование судов» и 6.100302 «Эксплуатация судовых энергетических установок». Настоящее пособие составлено применительно к методологии построения учебника В.А. Загоруйко и А.А. Голикова «Судовая холодильная техника» [1], утвержденного Министерством образования и науки Украины для указанных специальностей в качестве учебника и пособия, выпущенного авторами Вассерманом А.А., Слынько А.Г. [2]. Подготовку настоящего пособия, как и предыдущего, стимулировало то, что с каждым новым учебным планом подготовки инженеров по указанным специальностям в ОНМУ количество часов, отводимое для изучения судовых холодильных установок и систем кондиционирования воздуха уменьшается. Это вызывает затруднения у студентов при освоении материала, изложенного не только на 600 страницах учебника, но и на 150 страницах пособия. К тому же в учебнике [1], как и в пособии [2], отсутствуют примеры решения конкретных задач, связанных с проектированием и эксплуатацией холодильных установок и систем кондиционирования воздуха, что важно как для глубокого усвоения теории холодильных установок для эффективного практического её применения, так и при непосредственной эксплуатации судовой холодильной техники.
В то же время значение дисциплины для инженеров–судомехаников с каждым годом повышается, так как в настоящее время холодильные машины используются на всех судах без исключения для охлаждения провизионных кладовых и обеспечения работы систем кондиционирования воздуха. На рефрижераторных судах холодильные установки применяются для охлаждения скоропортящихся грузов с целью их биосохранной перевозки, а на рыбопромысловых судах они крайне необходимы для охлаждения и замораживания рыбы, приготовления льда, используемого при длительном хранении морепродуктов, наконец, на газовозах — для поддержания низкой температуры в танках, при перевозке сжиженных газов.
Учитывая изложенное, дисциплина «Судовые холодильные установки» становится одной из профилирующих для инженеров указанных специальностей и её задачей является глубокое изучение будущими инженерами-судомеханиками физической сущности процессов, протекающих в элементах холодильных установок и системах кондиционирования воздуха, основ их проектирования и эксплуатации, а также обучение их решению практически важных задач, часто встречающихся при проектировании и эксплуатации холодильных установок.
В пособии рассматриваются только парокомпрессорные холодильные установки и одноканальные системы кондиционирования воздуха на их основе.
1. Представление термодинамических свойств хладагентов для их использования при тепловых расчётах холодильних установок
Особенности построения и использования таблиц и диаграмм термодинамических свойств хладагентов
Для использования в качестве рабочих тел холодильных машин вновь синтезируемых веществ (фреонов) необходимы данные об их теплофизических свойствах. Такие данные, как правило, сначала получаются экспериментально, затем обобщаются в виде уравнений, по которым рассчитываются таблицы и строятся диаграммы.
Обычно рассчитываются и используются два типа таблиц термодинамических свойств хладагента:
— таблицы в состоянии насыщения, содержащие свойства насыщенных жидкости и пара;
— таблицы в однофазной области, содержащие свойства перегретого пара и обычной жидкости (последние для хладагентов обычно отсутствуют, а, при необходимости, используются данные насыщенной жидкости при заданной температуре (давлении)).
Таблицы в состоянии насыщения рассчитываются (представляются), как правило, по целочисленным значениям давления либо температуры. Таблицы в однофазной области рассчитываются по целочисленным значениям температуры и давления. В том случае, когда заданные (рассчитываемые) в цикле значения температуры и/или давления (аргументов) не совпадают с табличными значениями, свойства хладагента в исследуемом состоянии определяются методом интерполяции либо даже двойной интерполяции, что значительно усложняет расчеты.
Поэтому для предварительных (прикидочных) расчетов и анализа эффективности холодильных циклов строят и используют диаграммы термодинамических свойств хладагентов. Наибольшее применение для термодинамического анализа холодильных циклов нашла тепловая T,s диаграмма (температура, удельная энтропия), а для их расчетов — lgp,h диаграмма (давление, удельная энтальпия).*)
*) Для уменьшения размеров и удобства пользования lgp,h диаграммой, значения давлений в ней представлены по логарифмической шкале, поэтому она называется логарифмической диаграммой.
Структурные схемы T,s и lgp,h диаграмм хладагентов приведены на рис.1.1. [1]. Хладагент в жидком насыщенном (кипящем) состоянии характеризуется в этих диаграммах пограничной кривой насыщенной (кипящей) жидкости (левая пограничная кривая, степень сухости х = 0), а в состоянии сухого насыщенного пара – пограничной кривой насыщенного пара (правая пограничная кривая, х = 1). Пограничные кривые плавно сопрягаются в точке К, характеризующей критическое состояние хладагента. Пограничные кривые делят термодинамические диаграммы на три основные области:
— область жидкости, ограничиваемая левой пограничной кривой (х=0, К) и критической изотермой (изобарой), то есть область, находящаяся слева от пограничной кривой насыщенной жидкости;
— область перегретого пара, ограничиваемая правой пограничной кривой (х=1, К) и критической изотермой (изобарой), то есть область, находящаяся
справа от пограничной кривой насыщенного пара;
— наконец, область влажного пара (область насыщения), ограничиваемая пограничными кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара (х=0, К, х=1) и осью абсцисс.
В диаграммах наносятся семейства изотерм (t = const), изоэнтроп (s = const), изобар (p= const), изоэнтальп (h = const), изохор (v = const) и линий постоянной степени сухости пара (x = const).
Особенностью диаграммы lgp,h является то, что три из четырёх процессов, образующих холодильный цикл, изображаются прямыми линиями, а теплоты и работы соответствуют в масштабе диаграммы отрезкам прямых линий и рассчитываются как разность энтальпий в конечных точках соответствующих процессов.
Как известно, особенностью T,s диаграммы является то, что теплота в процессах, образующих холодильный цикл, изображается площадью под соответствующей кривой процесса и осью абсцисс. Это позволяет наглядно определять изменение подводимой (отводимой) теплоты при модификации рассматриваемого холодильного цикла, что является весьма важным при его анализе.
Рис. 1.1. Структурные схемы T,s и lgp,h диаграмм состояния хладагентов