4.4. Термодинамічні властивості робочих речовин холодильних машин. Рівняння стану реальних газів і парів

Робочі речовини класифікують за тиском р і нормальними температурами кипіння t, (при р=0,981∙10⁵ Па).

За тиском робочі речовини умовно поділяють на три групи: високого, середнього і низького тиску. До першої групи відносять речовини, у яких тиск конденсації при t=30°С складає від 7 до 2 МПа, до другої групи – речовини, у яких тиск конденсації – від 2 до 0,3 МПа, до третього – нижче 0,3 МПа.

За нормальними температурами кипіння речовини також поділяють на три групи. До першої групи відносяться речовини з нормальною температурою кипіння t₀<-60С, до другої з t₀=-60-10С, до третьої – t₀>-10C.

Класифікації за тисками і температурами взаємозалежні. Низькотемпературні речовини відносять до групи речовин високого тиску і, навпаки, речовини низького тиску відносять до групи високотемпературних речовин.

Класифікація робочих речовин визначає їхній вибір у відповідності з температурним режимом роботи холодильних машин, серед яких розрізняють:

високотемпературні  (t₀>-10°С) – теплові насоси, машини для кондиціонування повітря, в основному одноступінчаті;

середньотемпературні (-10-30С), в основному одноступінчаті;

низькотемпературні одноступінчаті (-30-55°С), двохступінчаті (до -70С) і каскадні (до -110°С).

Термодинамічні характеристики робочих речовин впливають головним чином на температурні режими роботи холодильних машин, ефективність термодинамічних циклів, показники і характеристики холодильних машин і компресорів. До термодинамічних характеристик відносяться критичні параметри – р_кр, Т_кр, нормальна температура кипіння Т_н, температура затвердіння Т_з, постійна Трутона Мг_н/Т_н (М- молекулярна маса, г_н- теплота пароутворення за нормальних умов), число Гульдберга Т_н/Т_кр, теплоємність: насиченої рідини , сухої насиченої пари , перегрітої пари с_р, с_υ, ентропія s, ентальпія h. Крім цього в області перегрітої пари термодинамічні властивості визначаються залежністю: .

Термодинамічні параметри стану робочих речовин пов’язані між собою рівнянням стану, загальний вид якого: .

Рівняння стану Клапейрона , як відомо, справедливо лише для ідеальних газів. Для реальних газів його можна використовувати, якщо р → 0. Очевидно, що для ідеальних газів відношення . Однак цього не можна сказати про реальні гази. Для них . Величина називається коефіцієнтом стискуваності.

Для реальних газів стисливість є величиною перемінною, що залежить від природи газу, тиску та температури. На рис.4.1. показано спільний вплив температури та тиску на коефіцієнт стисливості z для R22. Для реальних газів і парів рівняння стану може бути подане в такому вигляді . Воно дозволяє визначити невідомий параметр, якщо задана функціям z=f(υ,T).

Рис.4.1. Залежність z=f(p,T) для R22

Фізичні особливості реальних газів більш точно відображаються рівнянням Ван-дер-Ваальса. Воно ж є і найбільш простим, єдиним для рідкої та газової фази термодинамічним рівнянням стану. Він ввів поправочні фактори в рівняння стану ідеального газу (1.16):

.

Сталі а і b постійні для кожного газу. Величина називається внутрішнім тиском, враховує сили притягування між молекулами. Величина b враховує об'єм недоступний для руху молекул. В результаті досліджень було виявлено, що ці константи змінюються в залежності від тиску та температури. Це рівняння не досить відповідає експериментальним дослідженням, особливо в області високих температур.

Для реальних газів запропоновано велику кількість рівнянь, однак ні одне з них у повній мірі не є достатньо загальним і точним. Набули застосування рівняння стану багатьох авторів, значних учених, наприклад рівняння Бітті-Бріджмена, М.П.Вукаловича і І.І.Новікова, Н.Н.Боголюбова-Дж.Майера, А.В.Клецкого та ін. Рівняння стану реальних робочих речовин досить громіздкі, що ускладнює їх використання при ручному рахунку. Застосування ЕОМ дозволяє визначати розрахунковим шляхом термічні і калоричні параметри речовин при розрахунку циклів і робочих процесів холодильних машин. Широке поширення одержало рівняння Боголюбова-Майера:

, (4.1)

де В– коефіцієнти залежні тільки від температури. Вони мають фізичний зміст –характеризують взаємодію пари, трійки і т.д. до і=n молекул. Із збільшенням числа молекул, які взаємодіють, падає відносний внесок коефіцієнтів у рівняння стану. Чим менше значення має щільність робочої речовини, тим менше число членів варто враховувати. Коефіцієнти, що входять в рівняння залежать від властивостей робочих речовин і визначаються за експериментальними даними. Рівняння стану реальних робочих речовин мають велике практичне значення. Знаючи таке рівняння, а також функціональну залежність для теплоємності с_р або с_υ, можна за відомими у термодинаміці формулами визначити всі термодинамічні параметри холодильного агента.