Посібник

рідини у пористих тілах. Рідина – це один з агрегатних станів речовини. Для рідини характерна температура кипіння та замерзання (переходу до газоподібного та твердого стану).

3.5.1.7. Агрегатний стан речовин

Кожна речовина може перебувати у одному з трьох агрегатних станів: твердому, рідкому і газоподібному. Зміна агрегатного стану залежить від температури тіла, яка має назву температури плавлення, коли агрегатний стан змінюється з твердого до рідкого; температури кипіння, коли рідина перетворюється у пару.

Кількість тепла, що необхідна для перетворення 1 кг речовини з твердого стану у рідкий, називають питомою теплотою плавлення (топлення), або прихованою теплотою плавлення, оскільки температура тіла у цьому процесі не змінюється.

Подальше нагрівання рідини викликає її кипіння – процес пароутворення, що проходить з поглинанням енергії. Температура кипіння залежить від тиску пари над поверхнею рідини і за сталого тиску не змінюється. Кількість тепла, необхідна для перетворення 1 кг рідини у пару за температури кипіння, називається питомою (прихованою) теплотою пароутворення. Якщо тиск зменшується, то й температура кипіння зменшується.

Рідини з низькою температурою кипіння можна використовувати для отримання холодильного ефекту, оскільки під час кипіння рідина відбирає тепло з довкілля у тій кількості, яка необхідна для перетворення її у газоподібний стан.

Конденсацією називається процес перетворення пари у рідину. Для цього пару треба охолодити до температури конденсації, після чого наступне відведення тепла викликає конденсацію.

У процесі кипіння і конденсації над поверхнею рідини є насичена пара. Тиск цієї пари змінюється лише за умови зміни температури: чим більша температура, тим більший тиск. Якщо насичену пару підігрівати, то утвориться перегріта пара. Температура перегрітої пари завжди вища від температури насиченої пари.

3.5.1.8. Ентальпія

Ентальпія (і) – це функція стану тіла. Вона розраховується за формулою:

i = u + pV (Дж/кг),

де u – питома внутрішня енергія, Дж/кг; V – питомий об’єм , м3/кг; р – тиск, Па.

В ізобаричних процесах зміна ентальпії дорівнює кількості тепла, якою обмінюється тіло з довкіллям.

81

3.5.1.9. Закони термодинаміки

Перший закон термодинаміки формулюється, виходячи з положень закону збереження енергії: підведена до тіла теплова енергія витрачається на зміну його внутрішньої енергії U і на виконання роботи L: Q = U + L.

Відомо з практичного досвіду, що тепло передається від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою. За положенням другого закону термодинаміки для того, щоб передати тепло у зворотному напрямку, тобто від холоднішого тіла до тіла з вищою температурою, необхідно затратити енергію (виконати роботу). Отже, щоб охолодити тіло до температури, нижчої від температури довкілля, необхідно виконати роботу (затратити енергію).

3.5.2. Принцип дії холодильної машини

Холодильними машинами називають установки для охолодження матеріалів чи приміщень промислового та побутового призначення. Розглянемо принцип дії холодильної машини (рис. 3.15). До об’єкта охолодження з довкілля надходить тепло QТ. Щоб його температура не підвищувалася, необхідно відбирати від нього тепло Q0 = QТ. Якщо Q0 > QТ, то температура об’єкта буде знижуватися. Холодильна машина має дві частини: холодну і теплу. Температура холодної частини на 10 – 15 0С менша від температури об’єкта охолодження, тому вона відбирає тепло від цього об’єкта. Для повернення тепла Q0 у довкілля необхідно затратити роботу W. Ця робота, перетворена у тепло, разом з корисним теплом Q0 передається теплу частину, температура якої на 10 – 15 0С більша від температури довкілля. Тому й передається це тепло від теплої частини машини до довкілля.

На рис. 3.16 наведена схема найпоширенішого холодильника, який складається з чотирьох частин: випарника, компресора, конденсатора і розширювального клапана (можливо регулювального вентиля). Внутрішній об’єм елементів холодильника заповнений робочим тілом – холодильним агентом. У різних частинах машини робоче тіло має різну температуру, тиск і густину. Замкнута послідовність зміни стану робочого тіла називається циклом.

Цикл холодильної машини складається зі стискання пари робочого тіла у компресорі (оскільки у компресорі не втрачається тепло, то такий процес називається адіабатичним), ізобаричний (без зміни тиску) процес охолодження робочого тіла до рідкого стану у конденсаторі, Дроселювання робочого тіла у розширювальному клапані та ізобаричний процес кипіння робочого тіла у випарнику. У випарнику робоче тіло нагрівається до температури, вищої від температури його кипіння. Далі цикл повторюється.

82

Укомпресорі тиск пари збільшується з р0 до рК, що супроводжується збільшенням внутрішньої енергії робочого тіла, тиску і температури. Температура тим більша, чим більше значення тиску рК.

Уконденсаторі за умови сталого тиску відбувається охолодження пари до стану її насичення, конденсація та переохолодження рідини. Отже

кількість відданого у довкілля тепла перевищує тепло конденсації. Температура конденсації на 5 – 10 0С більша від температури довкілля.

Процес дроселювання рідкого робочого тіла супроводжується зміною агрегатного стану – частина рідини перетворюється у насичену пару, тому

зрозширювального клапана виходить суміш насиченої пари і рідини (волога пара).

Увипарнику волога пара розділяється на рідину і газ: рідина кипить в

умовах сталого тиску; пара всмоктується компресором. У випарнику пара підігрівається на 5 – 7 0С вище від температури кипіння.

На рис. 3.19 наведена залежність температури кипіння холодоагента R 12 (фреон -12) від тиску. У компресійних холодильниках використовується також хладон – R 22, R 134, R 404, R 407 та інші, а у абсорбційних – аміак

(NH3).

Побутовий холодильник – один з найбільш енергоспоживальних електроприймачів. Він постійно увімкнений у електромережу і протягом року споживає від 250 до 1400 кВт·год електроенергії, що складає 30 – 70 % від загального електроспоживання у побуті.

Сумарна кількість енергії, яку отримує холодоагент (робоче тіло) у випарнику q0 і підведеної до нього роботи wKM у компресорі, дорівнює кількості тепла q , переданого від конденсатора у довкілля:

q = q0 + wKM ,

де q0 – питома кількість тепла, отриманого у випарнику, Дж/кг; wKM – питома кількість енергії, затраченої компресором, Дж/кг; q – питома кількість енергії, переданої у довкілля.

83

Теоретична потужність компресора дорівнює: N = wKM··М. Сумарна кількість енергії, відведеної від конденсатора дорівнює:

Q = q ·M.

Питома електрична холодопродуктивність: КЕЛ= Q0 / N .

Зі зниженням температури кипіння робочого тіла холодопродуктивність та холодильний коефіцієнт зменшуються (рис. 3.18).

3.5.4. Теплові помпи

Коефіцієнт корисної дії сучасних електростанції дуже низький, тому використання електроенергії в установках прямого перетворення електроенергії у тепло завжди пов’язане з перевитратами первинного палива.

Існує принципово інакший спосіб реалізації електротеплопостачання – це використання теплових помп. Розроблені теплові помпи (ТП) компресійного, абсорбційного та термоелектричного типу.

Принцип дії компресійної теплової помпи був відкритий у 1862 році лордом Кельвіном і базується на реалізації двох фізичних законів:

-у процесі випаровування у сталому об’ємі речовина поглинає тепло, а під час охолодження - виділяє;

-підвищення тиску речовини за незмінного її об’єму викликає підвищення її температури, а зменшення тиску – зниження температури.

Основним елементом ТП є компресор, який змінює тиск і температуру теплоносія – фреону (рис. 3.19). Теплоносій циркулює у замкненій системі, де змінюється його агрегатний стан: пара (газ) та конденсат (рідина).

У повітряному теплообміннику (випарнику) холодний теплоносій у газоподібному стані підігрівається теплим повітрям з довкілля, яке подається вентилятором (замість повітря може бути вода чи земля). У пароподібному стані (теплий газ) теплоносій поступає у компресор, де пара стискається і її температура значно підвищується. Проходячи через водяний теплообмінник, теплоносій віддає тепло воді і переходить до

рідкого стану (конденсується). Рідкий теплоносій проходить через розподільний клапан, де внаслідок перепаду тиску до і після клапана, перетворюється у холодний газ та подається і випарник. Таким чином теплом, що віддане теплоносію від теплого повітря у повітряному теплообміннику, нагрівається вода у водяному теплообміннику.

85

Рис. 3.19. Принципова схема теплової помпи

Рівняння теплового балансу теплової помпи виглядає так:

Q1 Q0 P t - QВТР ,

де Q1 – тепло, витрачене на нагрівання води; Q0 - тепло, відібране від довкілля; Р –потужність електричних агрегатів теплової помпи; t – час увімкнення електричних агрегатів теплової помпи у мережу, QВТР – втрати тепла у елементах системи.

Якщо ліву і праву частину рівняння поділити на Р·t , то отримаємо:

З останнього рівняння видно, що за умови якщо втрати тепла QВТР незначні, кількість тепла Q1, відданого воді у водяному теплообміннику, завжди більша від електричної енергії, витраченої електроагрегатами на величину Q0 . Інакше кажучи, теплова помпа віддає воді більше енергії, ніж вона споживає з електричної мережі. Ця властивість оцінюється тепловим коефіцієнтом k0:

Для теплової помпи без втрат тепловий коефіцієнт залежить від температури повітря та води. Якщо позначити температуру повітря tП , а середню температуру підігрітої води tВ , то теоретичне значення теплового коефіцієнта буде дорівнювати:

З останнього рівняння видно, що чим менша різниця температур у знаменнику, тим більше значення k0 . На рис.3.20 наведені значення k0 залежно від температури повітря, від якого відбирається тепло, і температури нагрітої води.

86

Як видно з рисунка, практичні показники роботи теплової помпи дещо (у 3 – 4 рази) нижчі від теоретичних внаслідок втрат у системі. Теоретично теплові помпи можуть відбирати тепло від середовища з додатною і від’ємною температурами, однак за від’ємних температур на теплообміннику осідає іній і теплообмін погіршується. Середня температура води на виході системи підігріву не перевищує 55 – 65 0С. У побуті такі помпи можуть використовуватися як для підігріву води, так і для низькотемпературного опалення.

3.5.5. Використання теплових помп для обігріву приміщень

Для обігрівання приміщень можна використати тепло Землі. На глибині понад 6 м температура Землі майже незмінна і становить близько 10 0С. За допомогою теплової помпи можна передати це тепло для нагрівання оселі. Як видно з рис. 3.21, за допомогою електроенергії можливо тепло Землі трансформувати у тепло в оселі.

Рис. 3.21. Схема трансформування тепла Землі

На рис. 3.22 наведена схема використання тепла землі для опалення індивідуального будинку. Як первинний теплоносій там використано грунтові води, що існують поблизу будівлі. Воду, що пройшла через

87

Принцип роботи системи опалення подібний до принципу роботи теплової помпи для підігріву води (рис. 3.19). Тут замість води підігрівається повітря у приміщенні будівлі, а тепло для цього забирається від нагрітої ґрунтової води. Проміжним теплоносієм, що проходить по водяному теплообміннику теплової помпи і по калориферах у приміщеннях будівлі є фреон. Цикл перетворення його агрегатних станів наведений на рис. 3.19.

Сучасна теплова помпа – це компактна система з автоматичним керуванням. Розміри агрегату, здатного обігріти утеплену за сьогоднішніми вимогами будівлю площею до 300 м2, - такі самі , що й домашнього холодильника.

3.6. Елементи автоматики побутових приладів

У побутових приладах застосовують автоматичну та напівавтоматичну пускову та захисну апаратуру.

88

Для регулювання температури підошви праски, як описано у 3.4.3, застосовується теплове реле, принцип дії якого базується на здатності біметалевої пластини деформуватися під дією температури. Такий принцип використовується у багатьох захисних приладах, що захищають електрообладнання від перегрівання електричним струмом. У 3.3 наведений приклад застосування біметалевої пластини у стартерах для увімкнення люмінесцентних ламп.

Теплове реле застосовують у пральних машинах, холодильниках та інших пристроях для захисту обмоток електродвигунів від перегрівання електричним струмом. Реле (рис. 3.23) має одну пару розмикаючих контактів, нагрівний елемент та біметалеву пластину. У випадку надмірного збільшення струму нагрівний елемента та біметалева пластина нагріваються. Пластина вигинається і розмикає контакти. Після охолодження (за час від 30 секунд до 10 хвилин) пластина знову випрямляється і замикає контакти.

Схема комбінованого пускозахисного реле для пуску і захисту електричних двигунів пральних машин та холодильників наведене на рис. 3.24. Реле складається з пускового та захисного (теплового) реле. Після увімкнення напруги мережі струм від мережі проходить по такому колу: мережа – замкнений контакт теплового реле KST – біметалева пластина БМ – нагрівний елемент R2 – котушка реле КА – контакт 2 – робоча обмотка двигуна РО – контакт 3 – мережа. Двигун запускається у хід після замикання контактів 1КА і виникнення шляху для струму через пускову обмотку ПО. Після набрання розгону двигуна пусковий струм зменшується, притягальна сила котушки КА стає недостатньою для притягання якоря реле, який під власною вагою падає і розмикає контакти 1КА у колі пускової обмотки. Для того, щоб якір упав під власною вагою, реле необхідно розташовувати вертикально! Двигун продовжує працювати, аж до вимкнення напруги мережі.

У разі збільшення струму понад номінальне значення, нагрівний елемент R2 нагріває біметалеву пластину БМ (пластина нагрівається й від

89

проходження по ній струму), примушує її деформуватися і розімкнути контакти KST, знеструмлюючи двигун.

Уразі, коли пуск двигуна затягується, біметалева пластина розмикає контакт KST під дією тепла, що виділяється на нагрівному елементі R1.

Ухолодильниках застосовуються давачі температури манометричного типу, контакти яких вмикаються-розмикаються залежно від температури у камері холодильника і тиску у сильфоні. У разі підвищення температури контрольованого середовища тиск у сильфоні збільшується, він розширюється і замикає контакт регулятора, яким запускається двигун компресора холодильника. Після зниження температури і досягнення

бажаного значення, тиск газу у сильфоні зменшується і контакт регулятора розмикається. Натягуванням протидіючої пластини контакту регулятора можна регулювати температуру.

90