tot_book

111

Рис. 67.

При адиабатном сжатии 1–2" (рис. 67,б) пар нагревается до температуры, превосходящей температуру окружающей (горячей) среды, поэтому в конденсаторе он самопроизвольно отдает теплоту охлаждающей воде или воздуху и конденсируется, превращаясь в точке 2' в насыщенную жидкость. Расширительный цилиндр (детандер) 3 адиабатно понижает параметры жидкости до уровня, соответствующего давлению р1.

Жидкость вскипает, ее температура становится ниже температуры холодной среды. При кипении в испарителе 4 хладагент отбирает теплоту от холодной среды, а образующийся пар вновь поступает в компрессор 1.

Таким образом, цикл Карно здесь, как и в ПСУ, целиком осуществляется в двухфазной области. Детандер 3 изготовить сложно, а возврат работы при расширении хладагента весьма мал. Плохо работают и компрессоры, в которых сжимается пар с низкой степенью сухости. Обратный цикл Карно, как и прямой паровой цикл Карно, имеет, скорее, теоретическое, чем практическое значение.

Эффективность цикла ХМ характеризует холодильный

112

где q1 — теплота, отданная хладагентом в конденсаторе горячей среды; q2 — теплота, полученная хладагентом в испарителе от холодной среды; lс — работа компрессора.

Для обратного обратимого цикла Карно

Поскольку Т2 > Т1, значения εC могут быть как больше, так и

меньше 1,0. Чем ниже температура Т2, тем меньше значение εC : отводить теплоту тем труднее, чем ниже температура охлаждаемой системы.

1.10.2. Цикл парокомпрессионной холодильной машины с перегревом пара и дросселированием

В простейшей реальной ХМ протекает цикл с перегревом пара и дросселированием (рис. 68). Схема такой ХМ (рис. 68,a)

почти соответствует прежней, лишь детандер заменен вентилем 3,

Рис. 68.

в котором жидкость дросселируется — неравновесно расширяется от большего давления р1 до меньшего р2 без совершения работы. Процесс дросселирования предельно необратим, но можно показать, что его начальное и конечное состояния лежат на линии h

113

= const, проходящей через точку 2'. На диаграмме Т–s дросселирование обозначено штриховой линией 2–3h. Цикл ХМ включает, таким образом, необратимый процесс, следовательно, необратим и весь цикл, а площадь пл. 122"2'3hl не характеризует работу компрессора по сжатию хладагента.

Компрессор 1 сжимает сухой насыщенный пар, что заметно упрощает его конструкцию, повышает надежность и долговечность. Вентиль 3 значительно проще и надежнее детандера, но теплота, отводимая от холодной среды, при дросселировании уменьшается. Действительно, если бы в цикле происходило не дросселирование 2'–3h, а адиабатное расширение 2'–3s, то отведенная в испарителе теплота составила бы не q2=пл. bЗh1с, а q2s=пл. a3slc, при этом, как показано на рис. 68,б, ∆q = q2s – q2>0. На практике потеря ∆q с лихвой окупается простотой и надежностью цикла ХМ с дросселированием.

Холодильный коэффициент парокомпрессорной ХМ с перегревом пара и дросселированием

Величина ε тем больше, чем “шире” цикл в направлении оси s, что диктует одно из требований к хладагентам: расстояние между пограничными кривыми должно у них быть как можно большим, а линии h = const в двухфазной области — идти максимально близко к обратимым адиабатам s = const. Как и в обратном цикле Карно, с понижением температуры кипения T1 холодильный коэффициент ε снижается.

1.10.3. Цикл теплового насоса

Если нижний температурный уровень в цикле ХМ соответствует температуре окружающей среды Тc=Т0, то теплоту, отводимую на верхнем уровне, Th можно использовать для отопления (рис. 69). Устройство, реализующее такой цикл, называют тепловым насосом (предложен Кельвином в 1852 г.).

114

Тепловые насосы термодинамически не отличаются от обычных ХМ, а конструктивно близки к ним.

Рис. 69.

Эффективность работы теплового насоса характеризует

Поскольку ψ > 1, отопление с помощью теплового насоса термодинамически наиболее выгодно. Никакого нарушения первого начала термодинамики здесь, конечно, нет: в цикле идет трансформация тепловой энергии (подобная трансформации переменного электрического тока); тепловые насосы называют также термотрансформаторами.

1.11.ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ

1.11.1.Основные понятия и определения

Вциклах ДВС и ГТУ мы считали рабочим телом воздух, причем свойства его определялись, в основном, соотношением массовых долей азота и кислорода. Нас окружает воздух, в котором может удерживаться достаточно много водяных паров, иногда они даже конденсируются в виде мельчайших капелек тумана. Смесь

115

сухого воздуха с водяным паром называют влажным воздухом. Влажность воздуха – важнейший параметр, определяющий комфортность окружающей среды; в транспортных системах особую роль играет влажность в салоне или кабине: ее искусственно поддерживают с помощью систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

При атмосферном давлении и “обычных” температурах влажный воздух близок к идеально-газовой смеси; по закону Дальтона, его давление

где ра, рw — парциальные давления сухого воздуха и водяного пара (от англ. air — воздух, watеr — вода).

Максимальное парциальное давление водяного пара при данной температуре влажного воздуха равно давлению насыщения рs при этой температуре. Если рw < рs, то влажный воздух называют ненасыщенным; водяной пар в ненасыщенном влажном воздухе находится в перегретом состоянии.

Если ненасыщенный воздух охлаждать, не меняя давления, то при определенной температуре давление рw может сравняться с “новым” давлением насыщения рs, соответствующим этой температуре. Условие рw = рs определяет насыщенное состояние влажного воздуха, а температура воздуха в момент насыщения называется температурой точки росы td (от англ. (dew — роса). При дальнейшем изобарном охлаждении давление рw превысит рs, начнется конденсация пара. Этот процесс неустойчив: по мере удаления водяного пара в виде конденсата давление рw во влажном воздухе снижается, а при рw — рs воздух возвращается в насыщенное состояние.

Абсолютной влажностью воздуха называют количество водяного пара (кг), содержащееся в 1 м3 влажного воздуха. По законам газовых смесей объем пара Vw равен всему объему смеси, поэтому абсолютная влажность D численно равна плотности водяного пара при парциальном давлении рw и температуре влажного воздуха:

Относительной влажностью воздуха ϕ назовем отношение реально существующей абсолютной его влажности D к максимально возможной абсолютной влажности Dmах при той же температуре. Ясно, что Dmах = ρs, поскольку наибольшее количество пара может содержаться в состоянии насыщения, когда температура td равновесна парциальному давлению насыщения рs. Поэтому

Если и далее полагать, что вплоть до точки насыщения водяной пар сохраняет свойства идеального газа, то

где Rw — газовая постоянная водяного пара, поэтому уравнение можно представить в виде

ϕ = ρw ρs ,

т. е. относительная влажность определяется отношением парциального давления водяного пара к давлению насыщения при данной температуре. Поскольку pw≤ps, во всех случаях ϕ ≤1 (иногда относительную влажность ϕ выражают в процентах). Значение ϕ = 0 соответствует сухому воздуху, а ϕ =1 — воздуху в состоянии насыщения.

Отношение массы пара mw к массе сухого воздуха ma

Менделеева; при этом уравнение (1.125) принимает вид

117

где µa = 28,96 кг/кмоль — молярная масса сухого воздуха;

µw = 18,016 кг/кмоль — молярная масса водяного пара.

Сувеличением парциального давления pw влагосодержание увеличивается. Если в формуле (1.126) заменить pw на ps, то получим максимальное влагосодержание

отсюда следует, что при p = ps (в точке кипения) влагосодержание ds→∞.

Относительную влажность ϕ и влагосодержание d определяют с помощью психрометра. Прибор состоит из двух одинаковых термометров: “сухого” и “мокрого”. Шарик “мокрого” термометра обернут влажной тканью, за счет испарения влаги отводится теплота, и показания “мокрого” термометра twt всегда ниже, чем “сухого“ tdt (от англ. wet thermometer, dry thermometer —

мокрый термометр, сухой термометр). Разность ∆t = tdt – twt однозначно определяет ϕ и d; функции ϕ(∆t) и d(∆t) представлены в виде таблиц и диаграмм.

Изобарную теплоемкость влажного воздуха рассчитывают как сумму теплоемкостей 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара:

cp = cpa +ccwd =1,00 +1,96d,

где cpa 1,00 кгкДжК — удельная изобарная теплоемкость сухого воздуха;

cpa 1,96 кгкДжК — удельная изобарная теплоемкость водяного

пара.

Энтальпию рассчитывают аналогично:

118

где hа — энтальпия сухого воздуха; hw — энтальпия перегретого пара.

Величину hw рассчитывают по диаграммам и таблицам водяного пара:

hw = r +cpwt 2500 +1,96t,

1.11.2. h–d-диаграмма влажного воздуха

Уравнение (1.129) однозначно связывает параметры h, t и d. В 1918 г. Л.К. Рамзин впервые изобразил эту связь в виде h–d- диаграммы (диаграммы Рамзина) (рис. 70). Особенность ее построения: ось h вертикальна, а ось d наклонена к ней на 135° — так “удобней” располагать все линии. Диаграмма построена для давления р = 745 мм рт. ст. = 0,0991 МПа, типичного для климатических условий России; при расчете систем кондиционирования в тропиках пользуются диаграммами h–d, рассчитанными для большего давления р.

Кроме линий h(d), на диаграмму нанесены изотермы t = const, линии ϕ = const и линия парциального давления водяных паров pw ≤ ps.

Выше линии ϕ = 100 % воздух находится в ненасыщенном состоянии, ниже — в пересыщенном (когда влага конденсируется). Любая точка на h–d-диаграмме характеризует состояние влажного воздуха, а линия — термодинамический процесс с влажным воздухом.

С помощью h–d-диаграммы можно:

— по двум известным параметрам (ϕ и t или ϕ и pw) определить значения h и d, а по значению d — величину pw;

119

— для воздуха произвольного состояния определить точку росы (надо из точки, характеризующей параметры воздуха, опустить перпендикуляр на кривую ϕ = 100 %; температура, соответствующая точке пересечения, дает точку росы td);

Рис. 70.

— рассчитывать процессы в кондиционерах, сушильных камерах и других устройствах, где рабочим телом служит влажный воздух.

Рассмотрим нагрев влажного воздуха при d = const (процесс, характерный для кабинных отопителей в транспортных системах). Если начальное состояние воздуха характеризуется параметрами ϕA и tA, то при нагреве до tB > tA относительная влажность воздуха уменьшится до ϕB < ϕA.

При охлаждении воздуха от той же исходной точки (ϕA, tA) до точки С(ϕC, tC) относительная влажность возрастет: ϕC > tC. Если задано t'C <tD, то процесс идет по линии ACDC': воздух дойдет до состояния насыщения, а потом из него начнет выпадать влага. В

120

любом процессе EF можно задать параметры влажного воздуха

(например, ϕE, tE в точке Е и ϕE, tF — в точке F).

Если соединить точки Е и F прямой линией, то теплоту, подведенную в процессе EF, можно рассчитать через энтальпии в точках Е и F:

qEF = hF −hE ,

а изменение влагосодержания

∆dEF = dF −dE .

При тепловом расчете транспортных систем h–d-диаграмма позволяет оценить как комфортность параметров воздуха, так и тепловые нагрузки отопителей и кондиционеров.