Теоретические основы холодильных машин

КУРС ЛЕКЦИЙ

Могилев 2005

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

Кафедра теплохладотехники

Холодильные машины

конспект лекций

для студентов механических специальностей

дневной и заочной формы обучения

Могилев 2005

УДК 664.7

Рассмотрены и утверждены

на заседании кафедры

теплохладотехники

Протокол № 4 от 22.11.2005г.

Составитель к. т. н., доцент В.П. Зыльков

Рецензент старший преподаватель. В.И. Сидоров

УО «Могилевский государственный университет продовольствия»

СОДЕРЖАНИЕ с

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР 7

1.1. Параметры состояния вещества.............................. 7

1.2. Основные законы термодинамики ............................ 9

1.3. Термодинамические основы холодильных машин. 11

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР........... 14

2.1. Фазовый переход........................................... 14

2.2. Дросселирование........................................... 16

2.3. Адиабатное расширение..................................... 18

2.4. Вихревой эффект.......................................... 19

2.5. Термоэлектрический эффект................................. 20

2.6. Адиабатное размагничивание................................ 22

2.7. Десорбция газов........................................... 23

3. РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 24

3.1. Классификация рабочих веществ............................. 24

3.2. Свойства холодильных агентов.............................. 25

3.4. Выбор холодильных агентов................................. 45

3.5. Промежуточные хладоносители............................... 45

3.6. Выбор хладоносителей...................................... 47

3.7. Термодинамические диаграммы............................... 48

4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАТНЫХ ЦИКЛОВ 52

4.1. Классификация обратных циклов............................. 52

4.2. Необратимые потери обратных циклов........................ 54

4.3. Выбор обратимого цикла.................................... 59

4.4. Методы сокращения необратимых потерь...................... 61

4.5. Связь прямого и обратного циклов.......................... 63

4.6. Эксергетический анализ обратных циклов.................... 64

5. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ КОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН.... 68

5.1. Классификация паровых компрессионных холодильных машин 68

5.2. Одноступенчатые холодильные машины........................ 68

5.3. Двухступенчатые холодильные машины........................ 74

5.4. Трехступенчатые холодильные машины........................ 81

5.5. Каскадные холодильные машины.............................. 83

6. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ГАЗОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 86

6.1. Классификация газовых холодильных машин................... 86

6.2. Детандерные замкнутые холодильные машины.................. 87

6.3. Детандерные разомкнутые холодильные машины................ 89

6.4. Вихревые холодильные машины............................... 91

7. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН........ 93

7.1. Теоретические основы термоэлектричекого охлаждения........ 93

7.2. Взаимосвязь термоэлектрических эффектов................... 94

7.3. Эффективность применения термоэлектрического охлаждения 97

ВЫВОД 99

ЛИТЕРАТУРА..................................................... 100

Введение.

Любое вещество состоит из мельчайших частиц, которыми являются молекулы. Они связаны между собой силами взаимного притяжения и отталкивания и поэтому находятся в непрерывном движении. Как все движущиеся вещества, имеющие массу, молекулы обладают кинетической энергией движения. Кроме этого молекулы обладают и потенциальной энергией, обусловленной их силами сцепления и взаимного расположения. Сумма кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия называется внутренней энергией вещества.

В природе энергия от одного тела к другому может передаваться с помощью механического или теплового взаимодействия. При механическом взаимодействии тел передача энергии осуществляется за счет работы механических или электромагнитных сил. Тепловое взаимодействие обусловлено передачей энергии хаотическим движением молекул за счет теплопроводности или теплового излучения.

Количество энергии, переданное или полученное при тепловом взаимодействии тел, называется количеством теплоты или просто теплотой. Увеличение средней скорости хаотического движения молекул вызывает повышение кинетической энергии, а значит и увеличение внутренней энергии вещества. Уменьшение средней скорости хаотического движения молекул вызывает снижение кинетической энергии, а значит и уменьшение внутренней энергии вещества. Повышение или уменьшение внутренней энергии влияет на относительную нагретость вещества, т.е. не его температуру. При подводе к веществу теплоты его внутренняя энергия возрастает, вещество нагревается и температура повышается. Отвод теплоты от вещества приводит к уменьшению его внутренней энергии, охлаждению и снижению температуры.

Теплота – это одна из форм передачи энергии. Она может быть преобразована в другие виды энергии, например в механическую или электрическую. И наоборот, все виды энергии могут быть превращены в тепловую энергию.

Физическая природа теплоты и холода одинакова. Теплота и холод условные понятия относительно какой-либо фиксированной температуры. Например, для двигателя автомобиля атмосферный воздух с температурой +30 ^оС является холодным, а человеком он воспринимается как теплый.

К низкотемпературному диапазону относится диапазон температур от температуры окружающей среды до температуры абсолютного нуля. В свою очередь он делится на область умеренного холода и область глубокого холода.

1. Основы термодинамики низких температур

1. Параметры состояния вещества.

Вещества обычно пребывают в одном из трех основных состояний: в виде газа, жидкости или твердого тела. Одно и то же тело, одно и то же вещество при разных условиях может находиться в различных состояниях. В заданных неизменных условиях рассматриваемое вещество всегда будет находиться в одном и том же состоянии, например при атмосферном давлении и температуре 400° С вода будет существовать только в виде пара, но никак не в виде жидкости или твердого вещества.

Для того чтобы определить конкретные физические условия, при которых рассматривается вещество, и тем самым однозначно определить состояние рассматриваемого вещества, вводятся удобные характеристики состояния вещества — так называемые параметры состояния.

Свойства вещества могут быть интенсивными и экстенсивными. Интенсивными называются свойства, не зависящие от количества вещества в системе (давление, температура и некоторые другие).

Свойства, зависящие от количества вещества, называются экстенсивными. Примером экстенсивных свойств является объем, который изменяется в данных условиях пропорционально количеству вещества: объем 10 кг вещества будет в 10 раз больше, чем объем 1 кг.

Удельные, т. е. отнесенные к единице количества вещества, экстенсивные свойства приобретают смысл интенсивных свойств. Так, например, удельный объем, удельная теплоемкость и т. п. могут рассматриваться как интенсивные свойства. Интенсивные свойства, определяющие состояние тела или группы тел — термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами состояния тела (системы) .

Наиболее удобными и поэтому наиболее распространенными параметрами состояния являются абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем (или плотность) тела.

Одним из важнейших параметров является абсолютная температура. Температура характеризует тепловое состояние тела. Как хорошо известно из опыта, тепло может самопроизвольно переходить лишь от более нагретых тел к менее нагретым, т. е. от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Таким образом, температуры тел определяют направление возможного самопроизвольного перехода тепла между этими телами.

Измерение температуры производится, например, с помощью термометров. Поскольку физические свойства веществ в большей или меньшей степени зависят от температуры, то в качестве термометра может быть использован прибор, основанный на точном, легко воспроизводимом измерении таких свойств вещества.

Каждый прибор, используемый для измерения температуры, должен быть отградуирован (оттарирован) в соответствии с твердо установленной температурной шкалой. В настоящее время применяются различные температурные шкалы — Цельсия, Фаренгейта, Реомюра.

Наиболее употребительной является международная стоградусная температурная шкала (шкала Цельсия), в которой интервал температур от точки плавления льда до точки кипения воды при атмосферном давлении разбит на сто равных частей (градусов).

Особо важную роль в термодинамике играет так называемая термодинамическая шкала температур.

Другой важный параметр состояния — абсолютное давление — представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности. Для измерения давления применяются различные единицы: паскаль (Па) а также бар, так называемая техническая атмосфера или просто атмосфера (1 кгс/см²), миллиметр ртутного или водяного столба.

Удельный объем вещества представляет собой объем, занимаемый единицей плотности вещества. Удельный объем v связан с массой тела G и его объемом V следующим очевидным соотношением:

Удельный объем вещества обычно измеряется в м³/кг или в см³/г. Плотность

измеряется обычно в кг/м³ или г/см³.

Иногда употребляется понятие удельного веса вещества. Под удельным весом понимается вес вещества в единице его объема. В соответствии со вторым законом Ньютона плотность и удельный вес вещества связаны между собой соотношением

где g — ускорение свободного падения.

При отсутствии внешних воздействий на систему состояние чистого вещества однозначно определено, если заданы два интенсивных независимых параметра. Любой другой параметр является однозначной функцией двух заданных параметров. Если, например, рассматривается водяной пар при температуре 250° С и давлении 98 кПа (10 кгс/см²), то удельный объем такого пара может иметь только одно значение ( =0,2375 м³/кг). Таким образом, удельный объем данного вещества определяется величиной давления р и температуры Т, т. е.

v = f(p, T)

Поскольку все параметры состояния «равноправны» с точки зрения определения состояния вещества, то температура вещества будет однозначно определена соотношением

Т = (Р, v),

а давление — соотношением

р= {Т, v)

Таким образом, любые три параметра состояния (например, р, v и Т) чистого вещества однозначно связаны между собой. Уравнение, связывающее между собой эти параметры, называется уравнением состояния данного вещества.

F(p, v, Т) = 0

Для каждого вещества характер функциональной связи между р, v и Т (или значения констант, входящих в эту связь) индивидуален, и, следовательно, термодинамические свойства описываются своим для каждого вещества уравнением состояния.

Единицы физических величин.

Теплота.

Теплотой называется изменение внутренней энергии рабочего вещества. Количество теплоты, подведенной или отведенной от рабочего вещества, выражается в джоулях или калориях. Количество теплоты в 1 Дж называется такое же изменение внутренней энергии тела, как и совершенная над ним механическая работа в 1 Н·м, которая полностью идет на изменение внутренней энергии. Калория – это количество теплоты, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1 К при нормальном атмосферном давлении. Соотношение между единицами теплоты таково:

1 Дж = 0,24 Ккал. 1 Ккал. = 4,19 Дж

Давление.

Давление рабочего вещества является результатом хаотических ударов молекул о стенки сосуда. Давление Р численно равно силе F, действующей на единицу поверхности сосуда S, т.е. Р = F/S.

В Международной системе СИ единицей давления служит 1 Па (Паскаль), равный силе в 1 Н (Ньютон), действующий на площадь в 1 квадратный метр (м²), т.е. 1 Па = 1 Па/1 м². Эта величина очень мала и неудобна в расчетах, поэтому часто используются более высокие единицы измерения давления Килопаскаль (КПа) и Мегапаскал (МПа) . 1 КПа = 10³ Па, 1 МПа = 10⁶ Па. Для практического использования введена внесистемная величина 1 бар, которая равна 0,1 МПа или 10⁵ Па. В системе МКГСС основной единицей давления является техническая атмосфера 1 ат. = 10⁴ кгс /см². Кроме вышеперечисленных единиц давления имеются и другие, такие как физическая атмосфера (атм), миллиметр ртутного столба (мм.рт.ст), миллиметр водяного столба (мм.вод.ст), которые в холодильной технике используются крайне редко.

Давление рабочего вещества может быть барометрическое Р_б, избыточное Р_из и абсолютное Р_абс Барометрическим или атмосферным давлением является давление окружающей среды при данных климатических условиях. Избыточное давление – это давление в системе, отличающееся от атмосферного. Оно может быть ниже или выше барометрического. Если давление в системе ниже атмосферного, то там наблюдается вакуум (разряжение). Абсолютным давлением называется действительное давление в системе с учетом барометрического и избыточного давления, т.е. Р_абс=Р_б± Р_из.

Температура.

Температура характеризует степень нагретости тела. Она зависит от скорости хаотического движения молекул. Если теплота передается от одного тела к другом, то температура первого тела выше, чем второго, т.е. Т₁ > Т₂. С понижением температуры скорость хаотического движения молекул в веществе снижается. При какой-то определенной температуре тепловое движение молекул в веществе вовсе прекращается. Такая температура называется абсолютным нулем. Существует несколько температурных шкал, по которым измеряется температура или степень нагретости вещества. По шкале Цельсия за ноль принята температура плавления водного льда, а температура кипения воды при атмосферном давлении равна +100 ^оС. Температура абсолютного нуля по шкале Цельсия равна –273,15 градусов. В Международной системе измерений (СИ) широко используется шкала Кельвина, по которой температурой абсолютного нуля принят ноль градусов Кельвина (0 К). Тогда температура таяния водного льда будет равна 273,15 К (~273 К), а температура кипения воды – 373,15 К (~373 К). Соотношение между температурами по шкале Цельсия и по шкале Кельвина равно

Т (К) = t (^оС) + 273.15 (~273) или t (^оС) = Т (К) – 273.15 (~273)

В США, Канаде, Австралии и других странах используется температурная шкала в градусах Фаренгейта (^оF). По этой шкале температура таяния льда соответствует 32 ^оF, а температура кипения воды равна 212 ^оF. Соотношение между температурами по шкале Цельсия и по шкале Фаренгейта следующее

t (^оС) = 5/9 [t (^оF) + 32] или t (^оF) = 9/5 t (^оС) + 32.

Во Франции часто применяется температурная шкала Реомюра, в которой температура таяния льда принята за ноль градусов, а температура кипения воды соответствует 80 градусов Рюмера.

Как будет видно из дальнейшего, важную роль в самых разнообразных термодинамических расчетах играет величина суммы внутренней энергии системы U и произведения давления системы р на величину объема системы V; эта величина носит название энтальпии и обозначается через I:

Энтальпия измеряется в тех же единицах, что и теплота, работа и внутренняя энергия.

Поскольку между i и u существует однозначная связь, начало отсчета энтальпии связано с началом отсчета внутренней энергии: в точке, принятой за начало отсчета внутренней энергии (u=0), энтальпия будет равна i=pv. Так, в уже упоминавшейся точке начала отсчета внутренней энергии для воды (t=0,01° С; р=610,8 Па; =0,0010002 м3/кг) значение энтальпии равно i= р =610,8*0,0010002=0,611 Дж (0,000146 ккал/кг).

Поскольку новая функция — энтальпия — скомбинирована из величин, являющихся функциями состояния (u, р, ), то, следовательно, энтальпия также является функцией состояния. Так же как и внутренняя энергия, энтальпия чистого вещества может быть представлена в виде функции двух любых параметров состояния, например давления р и температуры Т:

Энтропия (от греческого – изменение) – является отношением подведенной энергии к увеличению температуры за счет этого.

Энтропия является экстенсивным свойством и подобно другим экстенсивным величинам обладает свойством аддитивности. Величина

называемая удельной энтропией, представляет собой энтропию единицы массы вещества.

Как видно из определения энтропии, энтропия имеет размерность единицы тепла, деленной на единицу температуры. Наиболее употребительные единицы измерения энтропии — Дж/К, ккал/К.

Единицы измерения удельной энтропии — Дж/(кг-К), кДж/(кг-К), ккал/(кг-К) и т. д. Таким образом, размерность энтропии совпадает с размерностью теплоемкости. Нуль отсчета энтропии для чистого вещества и для смеси веществ, не вступающих между собой в химическую реакцию, может быть выбран произвольно, подобно тому как произвольно выбирается нуль отсчета внутренней энергии; при рассмотрении различных термодинамических процессов нас будет интересовать изменение энтропии в этих процессах, т. е. разность энтропии в точках начала и конца процесса, которая, естественно, никак не зависит от побора начала отсчета энтропии.