17. Кондиционер, принцип действия, цикл и отопительный коэффициент

Холодильные установки предназначены для искусственного охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Рабочее тело в холодильных установках совершает обратный круговой процесс, в котором затрачиваемая внешняя работа расходуется на отъем тепла от охлаждаемого тела.

Кондиционер – это система узлов и механизмов, позволяющая осуществлять циркуляцию, кипение и конденсацию хладагента за счет изменения параметров рабочей среды.

Принцип работы кондиционера: По своей сути кондиционер является частным случаем холодильной машины. Принцип действия основан на изменении агрегатного состояния хладагента (фреона) в зависимости от температуры и давления в замкнутой системе.

Охлаждение происходит за счет испарения хладагента (фреона) в контуре испарителя (внутреннего блока). Далее фреон в газообразном состоянии всасывается компрессором, который повышает его давление до 20-25 атм. Соответственно повышается и его температура (до 90 градусов). Поступивший в теплообменник конденсатора (наружного блока) под высоким давлением фреон конденсируется и переходит в жидкое состояние. Далее фреон в жидком состоянии попадает в регулятор потока, где давление уменьшается. При этом часть фреона может испариться и в испаритель попадет смесь жидкости и пара.

В испарителе фреон снова закипает, отбирая тепло у окружающего воздуха, и выходит из конденсатора. Цикл повторяется.

Тепловым насосом называют холодильную установку, используемую обычно для подвода тепла к нагреваемому объему. Такое название они получили потому, что они как бы «перекачивают» тепло из холодного источника в горячий. В горячий источник поступает тепло q1, отобранное от холодного источника q2, и работа lц, подводимая извне для осуществления этого холодильного цикла.

Эффективность теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение количества тепла q1, сообщенного нагреваемому объему, к величине работы lо, подведенной в цикле

Поскольку q1 = q2 + lо, то с учетом того, что

Получим,

Или

Из этого соотношения следует, что чем выше холодильный коэффициент, тем выше и отопительный коэффициент цикла. В тепловых насосах используются циклы как воздушных, так и паровых компрессорных холодильных установок.

Следует отметить, что холодильные установки могут использоваться и для совместного получения тепла и холода. Такого рода комбинированные установки, несомненно, перспективны.

17. Процесс образования пара.

Одно и то же вещество в зависимости от внешних условий (давление и температура) может находиться в различных агрегатных состояниях. Например, при атмосферном давлении вода существует в трех фазах:

• лед – температура воды ниже нуля градусов (t < 0 °С);

• вода – температура воды ниже ста градусов (t < 100 °С), но выше нуля (t > 0 °С);

• пар – температура воды не ниже ста градусов (t ≥ 100 °С).

Известно также, что при изменении давления изменяются также температуры затвердевания и кипения вещества.

Фазовым переходом называют переход вещества из одной фазы в другую, существующую одновременно с первой. При этом обычно имеют в виду агрегатные состояния вещества и поэтому говорят о газовой, жидкой и твердой фазах. Следовательно, под фазовым переходом подразумевают переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Линию фазового перехода можно изобразить на диаграмме в рТ-координатах (рисунок 1.36), если нанести состояния, соответствующие давлениям и температурам фазового перехода.

Слева от линии АОВ расположена область твердого вещества, справа от линии КОВ – область газообразного веществ, а между линиями ОА и ОК – область жидкого состояния.

И з этой диаграммы следует, что линия ОВ представляет собой кривую линию сублимации вещества (фазового перехода из

твердого агрегатного состояния в газообразное). Линия ОА представляет собой кривую линию плавления (затвердевания), а линия

ОК – кривую линию кипения (конденсации). Кривая кипения

обычно называется линией насыщения. Точка О представляет собой тройную точку, в которой вещество существует одновременно в трех агрегатных состояниях. Поскольку свойства разных веществ отличаются друг от друга, то диаграммы в рТ- координатах будут различными для различных веществ.

Из диаграммы (рисунок 1.36) видно, как изменяется состояние вещества в процессе нагрева при постоянном давлении. Двигаясь по линии изобары (р = const) из области твердого состояния вещества, видно, что изобара пересекает линию плавления в точке С, где вещество переходит в жидкое состояние, а при дальнейшем нагреве линия изобары пересечет линию насыщения ОК в точке Д и вещество превратится в пар.

Для воды тройная точка соответствует температуре 0,01°С и давлению 610,8 Па.

17. PV и TS диаграммы водяного пара.

Процесс парообразования в рv-координатах

Образование пара в котлах и его перегрев происходит при одном и том же (рабочем) давлении котельного агрегата. При постоянном же давлении происходит и конденсация отработавшего пара турбины (паровой машины). Поэтому процесс парообразования при постоянном давлении для паросиловых установок имеет практическое значение.

Наибольшей наглядностью данного процесса обладают диаграммы в рv-координатах (рисунок 1.37).

Постоянному при всех давлениях удельному объему воды с температурой 0°С на диаграмме в рv-координатах соответствует линия 1-I, параллельная оси давлений. На этой линии точкой I отмечено состояние воды, имеющей температуру 0°С и давление р.

Если одному килограмму воды, находящейся в таком состоянии, подвести тепло, сохраняя давление постоянным (р =const), то при возрастании температуры воды будет увеличиваться и ее объем.

Этот процесс подвода тепла изобразится горизонтальной линией I-II. В точке II вода закипает, и начинаетcя процесс паро-образования (температура кипения tк, удельный объем v'). Количество тепла, сообщаемое одному килограмму воды для ее нагрева от 0°С до температуры кипения, называют удельной теплотой жидкости, q, кДж/кг. Объем смеси, получающейся из воды и пара, значительно возрастает и изобразится линией II-III. Эта линия

является изобарой. Поскольку в процессе парообразования температура пароводяной смеси остается постоянной, зависящей только от давления tк = f(р), то линия II-III является также и изотермой.

В тот момент, когда последняя частица воды испарится, полученный чистый пар будет иметь температуру tк и удельный объем v². Этот пар называют сухим насыщенным паром. Состоянию этого пара соответствует точка III. Имевшуюся до этого смесь пара и воды называют влажным насыщенным паром. Это такая смесь, в которой мельчайшие частицы воды находятся во

взвешенном состоянии в среде пара.

Влажный насыщенный пар представляет собой смесь сухого пара и воды (отрезок II-III), в точке III – пар сухой насыщенный (без жидкой фазы). Насыщенный пар характеризуется степенью сухости пара – х (паросодержанием), то есть отношением массы сухого пара к массе влажного насыщенного пара. Очевидно, что в точке II паросодержание равно нулю (х = 0), а в точке III равно единице (х = 1).

Количество тепла, которое сообщается 1 кг воды, нагретой до температуры кипения для превращения ее в сухой насыщенней пар, называется теплотой парообразования (r, Дж/кг). Тогда все количество тепла, сообщенного воде с температурой t = 0 °С для превращения ее в сухой насыщенный пар, называют полной теплотой сухого насыщения пара (l, кДж/кг)

l = q + r. (1.154)

При подводе тепла (при р = const) к сухому насыщенному пару его температура будет возрастать, а удельный объем – увеличиваться. Пар, температура которого выше температуры кипения, соответствующей его давлению, называют перегретым паром (линия III-IV).

Из диаграммы в pv-координатах (рисунок 1.37) следует, что отрезок II-III характеризует влажный пар, отрезок III-IV – перегретый пар, а состояние сухого насыщенного пара характеризуется точкой III. Это указывает на неустойчивость состояния сухого насыщенного пара: незначительный отвод тепла вызывает конденсацию, нагрев – перегрев пара.

При более высоком давлении р' и температуре равной нулю (t = 0°С) удельный объем будет равен vо', как и при давлении р, так как вода – практически несжимаемая жидкость. Состоянию воды при температуре 0 °С и давлению р ' на диаграмме (рисунок 1.37) соответствует точка I'. Известно, что большему давлению соответствует и более высокая температура кипения, следовательно, удельный объем воды, нагретой до температуры кипения

при давлении р', равный v', получается бóльшим, чем при давлении равным р, и точка II' оказывается лежащей на диаграмме правее точки II.

Дальнейший подвод тепла вызовет парообразование (линия II '- III'). Бóльшему давлению р¢ соответствует меньший удельный объем v² сухого насыщенного пара, поэтому точка III' получается лежащей левее точки III, а линия II'-III' короче, чем аналогичная ей линия II - III.

Если рассмотреть процесс парообразования при еще более высоком давлении р², то окажется что точка II², соответствующая состоянию кипящей воды при давлении р², расположится на диаграмме еще правее точки II', а точка III² – еще левее точки III', а отрезок линии, лежащий между точками II² и III² оказывается еще короче, чем отрезок, лежащей между точками II' - III'.

Опытом установлено, что при определенном давлении, а следовательно, и температуре объем воды v' оказывается равным объему пара v², то есть разность между этими объемами (соответствующая отрезку линии II и III) равна нулю (точка К). Эта точка соответствует особому процессу перехода воды в пар, при котором отсутствует состояние влажного пара. Состояние воды и пара, соответствующее этому процессу, называется критическим.

Особенность процесса парообразования при критическом состоянии (рк р = 225,65 ат), заключается в том, что как только вода достигнет температуры 374,15 °С, она сразу и без остатка превращается в сухой насыщенный пар. При критическом состоянии теплота парообразования равна нулю (r = 0) и полная теплота сухого насыщения равна теплоте жидкости, λ = q.

Линия, соединяющая точки 2-II-II'-II²-К, делит диаграмму на две части:

• левая часть – область жидкости;

• правая часть – область влажного насыщенного пара.

Линию, для которой степень сухости пара х = 0, называют кривой жидкости или нижней пограничной кривой.

Линия 3 – III - III '- III² - К отделяет область влажного насыщенного пара от области перегретого пара. Для этой линии степень сухости пара х = 1, поэтому ее называют кривой сухого насыщенного пара или верхней пограничной кривой.

1.4.3 Процесс парообразования в Ts-координатах

Для наглядной иллюстрации протекания процессов, в которых рабочим телом является водяной пар, используют диаграмму парообразования в Ts-координатах (рисунок 1.38). Точка I соответствует начальному состоянию воды, имеющей температуру 0°С и любое давление. Она лежит на оси температур, так как в этом состоянии энтропию воды в термодинамике принято считать равной нулю (sо= 0). Линия I - К представляет собой нижнюю пограничную кривую, построенную по значениям температуры кипения и энтропии для ряда давлений. Левее линии I - К располагается область жидкости, правее – область влажного насыщенного пара.

Линия 5-К представляет собой верхнюю пограничную кривую, изображающую в Тs-координатах состояния сухого насы-щенного пара при разных температурах, а следовательно, и давлениях. Эта линия строится тем же способом, что и линия I-К. Нижняя и верхняя пограничные кривые встречаются в общей точке К. Между линиями I-К и 5-К лежит область влажного насыщенного пара. Правее линии 5-К и выше прямой горизонтальной линии, соответствующей значению Т = Ткр, находится область перегретого пара. Линия I-К соответствует значению сухости пара х= 0, а линия 5-К – значению х = 1.

Подвод к воде тепла при постоянном давлении от Т0 = 0°С сопровождается повышением ее температуры и энтропии. Изменение этих двух параметров выражается зависимостью

где s – энтропия, кДж/(кг·К);

срm – средняя удельная массовая теплоемкость воды при постоянном давлении.

Формула (1.155) представляет собой уравнение изобары нагрева жидкости от 0°С до температуры кипения. Обычно для водяного пара в Тs -координатах считают, что нижняя пограничная кривая служит одновременно изобарой нагрева воды для всех давлений.

Таким образом, нагрев воды от 0°С (точка I) до температуры кипения (точка II) в Ts-координатах изображается изобарой I-II. Процесс превращения воды в пар происходит при неизменной температуре кипения Тк, поэтому он изображается в Ts-координатах прямой линией II-III, которая, будучи, изобарой, является в то же время и изотермой. Точка III характеризует состояние сухого насыщенного пара с давлением р и температурой Тк. Дальнейший перегрев этого пара при том же постоянном давлении р ведет к

росту температуры и энтропии (линия III-IV). Эта линия является изобарой.

Площадь I-II-2-1-I измеряет количество тепла, подведенного к 1 кг воды для нагрева ее от температуры 0°С до температуры кипения, то есть теплоту жидкости или энтальпию воды:

i' = площади I-II-2-1-I.

Аналогично этому теплота парообразования r = площади IIIII- 3-2-II, и тогда срm(Tпе – Tк) = площади III-IV-4-3-III.

Вся площадь под изобарой I-II-III-IV, то есть площадь I-IIIII-IV-4-1-I, соответствует энтальпии перегретого пара iпе, а энтальпия сухого насыщенного пара i ''= площади I-II-III- 3-1-I.