1.12.2. Теплоносители

Теплоноситель (хладоноситель) — зто промежуточное вещество, предназначенное для отвода тепла от охлаждаемьх обьектов и пе-редачи его хладагенту. Такая передача тепла обьчно происходит на некотором расстоянии от охлаждаемого обьекта. Теплоносите-ли подразделяются на жидкие и газообразнье. К жидким относятся вода, рассоль (воднье растворь солей), растворь зтиленгликоля, глицерин и др. Газообразньми теплоносителями являются воздух и другие газь .

К теплоносителям предьявляются следующие требования: низ-кая температура замерзания и незначительная вязкость при низких температурах; достаточно вьісокая теплоемкость; дешевизна, без-вредность, негорючесть, нейтральность к конструкционньм мате-риалам; стабильность свойств.

Наиболее доступнье теплоносители: воздух, вода и воднье ра-створь солей.

Атмосферньїй воздух — зто собой смесь различньїх газов. Ос-новнье его параметрь : влажность (абсолютная и относительная), влагосодержание, знтальпия (теплосодержание), теплоемкость, теп-лопроводность. В воздухе всегда имеется от нескольких десятьх до­лей процента до 3—4 % водяньх паров. Влажньй воздух обьчно рассматривают как смесь двух идеальньх газов: сухого воздуха и водяного пара.

Содержание в воздухе водяньх паров в отличие от состава сухо­го воздуха колеблется в довольно больших пределах. Вне помеще-ний содержание водяньх паров зависит от времени года, погодь и местньх климатических условий. В помещениях их содержание, кроме того, зависит от конкретньх условий и в первую очередь от относительного (к обьему помещения) количества присутствующих людей.

Максимальное содержание водяньх паров в воздухе определяет-ся пределом насьщения, при котором дальнейшее увеличение содер­жания паров не происходит, так как они начинают конденсироваться и вьпадать в виде капель водь , а при температурах ниже 273 К (0 °С) — в виде инея. Чем вьше температура воздуха, тем больше в нем может содержаться водяньх паров и каждой данной температуре соответствует свой определенньй предел насьщения. Позтому если температура влажного воздуха понижается, то при достижении оп-ределенного уровня, назьваемого точкой рось , происходит конден-сация находящихся в нем водяньх паров с вьпадением рось или инея. В зтом состоянии воздух назьвается насьщенньм.

Предел насьщения воздуха водяньми парами зависит также и от его давления. Однако давление атмосферного воздуха в его ниж-них зонах изменяется в очень незначительньх пределах и позтому в процессах, связанньх с кондиционированием воздуха на железно-дорожном транспорте, им пренебрегают.

Сухой воздух в насьщенном состоянии в пределах температур и давлений, имеющих место в процессах кондиционирования, по сво-им физическим свойствам близок к идеальньм газам и подчиняется законам идеальньх газов.

В кондиционировании воздуха при расчетах, связанньїх с опре-делением обьемов воздуха (например, при расчетах производитель-ности вентиляции и скоростей движения воздуха в воздуховодах), влажностью воздуха обьчно пренебрегают. В теплотехнических расчетах, связанньх с использованием теплоемкости и теплосодер-жания воздуха, его всегда рассматривают как смесь из двух состав-ляющих: сухого воздуха и водяного пара.

Масса водяньх паров, содержащаяся в 1 м³ влажного воздуха, на-зьвается его абсолютной влажностью, измеряемой в килограммах.

Отношение количества содержащихся в воздухе водяньх паров к их количеству, насьщающему воздух при тех же температуре и давлении, назьівается относительной влажностью ф. Относитель-ную влажность воздуха принято вьражать в процентах. Для совер-шенно сухого воздуха ф = 0 %, для насьіщенного ф = 100 %.

Масса водяньх паров, содержащаяся в 1 кг сухого воздуха, на-зьівается его влагосодержанием и обозначается буквой х (кт/г) Ве­личина х всегда является дробной, что неудобно для расчетов, по-зтому влагосодержание, как правило, вьражают в размерности г/ кг и обозначают буквой й.

Количество тепла, которое содержится в 1 кг воздуха, зависит от его температурьі І и влагосодержания й, назьівается удельньїм

теплосодержанием (или удельной знтальпией) и обозначается бук-

вой /. При определении теплосодержания воздуха учитььвается скрьь-тая теплота парообразования водьь, равная 2491,15 кДж/кг.

Удельное теплосодержание влажного воздуха равно сумме удель-ньх теплосодержаний сухого воздуха и содержащегося в нем водя­ного пара. Оно определяется по формуле (кДж/кг):

I = 1,084/ +

1000

(2491 +1,926/).

Приведеннье вьше понятия — относительная и абсолютная влаж-

ность воздуха — по своему значению принципиально различнь .

Относительная влажность воздуха имеет большое гигиеничес-кое значение и, наоборот, с точки зрения теплотехнических расче-тов относительная влажность воздуха значения не имеет.

Абсолютная влажность воздуха (в килограммах на кубометр су­хого воздуха) или его влагосодержание (в килограммах или грам-мах на килограмм сухого воздуха) сами по себе без учета темпера-турь на организм человека не действуют. При теплотехнических же расчетах, связанньх с кондиционированием воздуха, зти пара-метрь имеют первостепенное значение.

Для уяснения сказанного следует учитьвать, что вьсокая отно-сительная влажность может соответствовать низкому влагосодер-

жанию и наоборот.

Например, при ф =100 % и І =5 °С влагосодержание й = 5,4 г/кг, при ф = 70 % и І = 20 °С й = 10,5 г/кг, при ф = 40 % и І = 35 °С й = 14,8 г/кг.

Соотношение основньх параметров влажного воздуха — темпе-ратурьь, относительной влажности, влагосодержания, удельного теп-лосодержания — можно определять по специальньм таблицам или по диаграмме І—й влажного воздуха, впервьіе предложенной про-фессором. Л. К. Рамзинььм (І—й-диаграмма приведена на рис 1.28).

Зта диаграмма представляет собой графическую интерпрета-цию уравнения знтальпии влажного воздуха. Она вьражает в гра-фическом виде связь основньїх параметров влажного воздуха (т, ф, Р_п, й, І).

Диаграмма составляется для давления воздуха Р = 750 мм рт. ст.= = 10⁵ Па или для давлений 760 и 745 мм рт. ст. Такие относительно небольшие различия барометрического давления мало влияют; в тех-нических расчетах можно допустить применение I—й-диаграмм, по-строенньх при любом из указанньх значений давления.

I—й-диаграмма построена в косоугольной системе координат. Вер­тикальная ось ординат, на которой отложеньї значения знтальпий I, проходит под углом 135° к оси абсцисс со значениями влагосодержаний й. Для удобства отсчета влагосодержаний ось абсцисс на диаграмму не наносится, а вместо нее через начало координат проводится вспомога-тельная горизонтальная линия, на которой откладьваются значения влагосодержаний. Вертикали, проведеннье через полученнье точки, представляют линии постоянного влагосодержания й = соші. На оси ординат вверх и вниз, от точки О, соответствующей.

I = 0 и й = 0, отложеньї значения знтальпии и проведень линии I = соші параллельно оси абсцисс, т.е. под углом 135° к вертикали. На полученной сетке из параллелограммов строятся прямье линии изотерм (І = соші) и кривше линии постоянной относительной влаж-ности (ф = соші). Нижняя кривая ф = 100 % характеризует состоя-ние насьщенного воздуха (кривая насьщения).

На I—й - диаграмму наносятся также значения парциальньїх дав­лений водяного пара Р_п.

Точка на I—й диаграмме обозначает вполне определенное состоя-ние воздуха, положение точки определяет его параметрь : температу­ру, относительную влажность, влагосодержание, знтальпию, парци-альное давление. Прямая линия, соединяющая любье две точки, соот-ветствует некоторому термодинамическому процессу перехода из од­ного состояния в другое. Если параметрь начального и конечного со-стояния воздуха соответственно й) и ^ й и I, то отношение

^-10³

І

= є

^{а - а0 (1.49)}

називается угловьім козффициентом луча тепловлажностного процесса, характеризующим изменение состояния воздуха. Угловой козффициент — размерность кДж/кг влаги показьівает, какое ко-личество тепла получает или отдает воздух на каждьй 1 кг воспри-нятой или отданной влаги.

Рассмотрим некоторье характернье точки на І—й-диаграмме (рис. 1.29). Если из произвольной точки А провести луч АБ по вер­тикали (й = соші), то процесс будет характеризовать нагревание воздуха без изменения его влагосодержания. Если провести луч АВ до пересечения с кривой насьщения, то зтот луч будет представ­лять процесс охлаждения, а точка В — точку рось (соответствую-щая ей температура ір — температура точки росьі). Если воздух в состоянии, определяемом точкой А, увлажнять без подвода или от-вода тепла, то процесс, характеризующийся линией аг, будет про-исходить без изменения знтальпии (І = соші). Точка Г на пересече-нии зтой линии с кривой насьщения назьвается точкой мокрого термометра, а соответствующая ей температура і_м — температу-рой мокрого термометра (температура влажного воздуха в процес-се адиабатического увлажнения при условии полного насьщения). Зная температурьі по мокрому и сухому термометрам, можно опре-делить относительную влажность воздуха, что используется в псих-ро-метрических методах определения зтой величинь .

При изотермическом насьщении воздуха водяньми парами (І = соші) его состояние при полном насьіщении определится пе-ресечением изотермь , проведенной из точки А до пересечения с пограничной кривой в точке д, назьіваемой точкой изотермичес-кого увлажнения воздуха. В процессе, определяемом линией ад, влагосодержание и знтальпия увеличиваются.

При кондиционировании воздуха происходят более сложнье процессь , чем рассмотреннье при постоянньх значениях й, І, І. По линии АЕ происходит охлаждение и осушка, а по АЖ — нагрева-ние и увлажнение воздуха. В различньх случаях изменения состоя-

ния воздуха угловой козффициент может изменяться от + ос до - ос.

Если влажньїй воздух отдает тепло и влагу (І < І^, й < й0), то зто соответствует процессу охлаждения и одновременной осушки воздуха. Угловой козффициент в зтом случае представляется в следующем виде;

I -1₀ -дІ є = --1000 = 1000 > 0.

а - а 0 -да

В случае отдачи тепла при неизменном влагосодержании процесс ха-рактеризуется лучом, параллельньгм линии й = соші, и направлен вниз:

є = ^{1 І0} -1000 = -^ДІ-1000 = -°о. а - а₀ 0

Если влажньїй воздух получает влагу при неизменной знталь-пии (адиабатический процесс), то луч процесса направлен по ли­нии I = соші и, следовательно, угловой козффициент

І —І₀ 0

є = --1000 = 1000 = 0.

і — і 0 сі — сі 0

В случае нагревания влажного воздуха при неизменном влаго-содержании процесс будет характеризоваться лучом, параллельньїм линии сі = соші и направленньїм вверх:

I —1₀ А! є = --1000 = 1000 = +°°.

с — с ₀ Ас

При одновременном поглощении тепла и влаги направление луча процесса будет характеризоваться угловьм козффициентом

I — 1₀ А!

є = --1000 = 1000 > 0.

с — с ₀ Ас

При кондиционировании воздуха в пассажирских вагонах про-исходит смешивание двух потоков влажного воздуха, наружного и рециркуляционного (из помещения вагона) с последующим охлаж­дением смеси. Параметрьі смеси могут бьіть определеньї аналити-чески или по I—і-диаграмме. Если смешивается кг воздуха с па­раметрами ^ і],, її с т2 кг воздуха с параметрами ї>. то пара-метрьі смеси, имеющей массу т = + т₂, могут бьіть рассчитаньї по балансу тепла и влаги. Влагосодержание, температура и знталь-пия будут соответственно:

тііі + т2 і 2 т

т

І

ті Іі + т212

т

Если смешивается масса воздуха т1 с параметрами, определяе-мьіми на I—й-диаграмме точкой 3 (рис. 1.29), и масса воздуха т_г с параметрами, определяемьіми на I—й-диаграмме точкой И, то па­раметри смеси представляются точкой К, расположенной на отрез-ке прямой ЗИ, причем должно вьшолняться отношение

ЗК/КИ = т₂/т₁,

т. е. точка К делит линию ЗИ на отрезки, обратно пропорцио-нальнье массам составньх частей.

Для определения всех параметров влажного воздуха по I—й-ди-аграмме достаточно знать только два параметра.

I—й-диаграмма широко применяется для расчета процессов из-менения температурно-влажностного состояния воздуха в системе кондиционирования воздуха пассажирского вагона.

Для освоения I—й-диаграммьі влажного воздуха рассмотрим ре-шения следующих задач:

1. Определить относительную влажность воздуха по температу- рам сухого термометра І -27 °С и мокрого термометра психромет- ра Ассмана І_м = 18 °С.

Находим на левой кромке диаграммь температуру 18 °С. Далее находим точку пересечения изотермь 18 °С с кривой насьщения (точка А') и из зтой точки параллельно наклонньїм штриховим ли-ниям проводим прямую до пересечения с изотермой 27 °С (точка А). Относительная влажность воздуха определяется положением точки А, которая находится немного вьше кривой ф = 40 %. По масштабу с учетом его нелинейности (расстояние между ф = 30 % и ф = 31 % больше, чем между ф = 39 % и ф = 40 %) примерно опреде-ляем искомое значение фа = 39 %.

2. Определить точку роси, т.е. температуру, при которой из ох- лаждаемого воздуха с начальной температурой 30 °С и относитель- ной влажностью 40 % начнет вьпадать влага.

Находим на диаграмме точку, отвечающую указанньм значе-ниям, соединяем зту точку линией влагосодержания с кривой нась -щения и по изотермам находим искомую температуру, которая в данном случае составляет 15,3 °С.

В зтом примере вследствие его простоть на диаграмме не отме-чень линии построения и сама точка.

3. Найти теплосодержание и влагосодержание воздуха, имеющего температуру 25 °С и относительную влажность 70 %.

На пересечении изотермьі І = 25 °С и кривой относительной влаж-ности ф = 70 % отмечаем точку б, которая лежит между линиями теп-лосодержаний 60 и 65 (ближе к 60) кДж/кг. По масштабу определяем теплосодержание і = 62,7 кДж/кг. Проведя из точки Б линию, парал-лельную линиям влагосодержаний, до нижней кромки диаграммь , таким же образом по масштабу найдем влагосодержание й = 14,3 г/кг.

Из приведенньїх примеров легко уяснить, что, зная два любьіх параметра влажного воздуха, можно по I—й-диаграмме установить все остальнье.

I—й-диаграмма дает возможность не только определять пара-метрь воздуха, но может бьть использована и для графических рас-четов процессов температурно-влажностного изменения его состо-яния. В частности, при помощи зтой диаграммь можно определять параметрь смеси различньх количеств воздуха, имеющих разнье параметрь , что часто приходится делать при расчетах установок кондиционирования воздуха.

Предположим, необходимо определить температуру, удельнье влагосодержание, теплосодержание и относительную влажность смеси воздуха, состоящей из одной части с массой = 500 кг, тем-пературой І1 = 40 °С и относительной влажностью ф = 30 % и дру-гой части с массой С2 - 1100 кг. температурой ^= 26 °С и относи-тельной влажностью ф₂ = 70 %.

Графическое решение задачи вьполняется просто: находим на диаграмме точки В и Г, отвечающие параметрам соответственно пер-вой и второй составляющих, соединяем их прямой, откладьваем на зтой прямой отрезки обратно пропорционально массам (или долям) составляющих и находим точку д, по которой определяем указаннь-ми више способами искомье параметри смеси і_см = 30,4 °С, й_см = -14,85 г/кг, !_см = 68,7 кДж/кг и ф_см = 53%. Искомая точка Д смеси всегда расположена ближе к точке той из составляющих, масса кото-рой больше.

Расчетное решение зтой же задачи значительно сложнее:

= ^ + і₂0₂ = 40-5 + 26.11 = 30,37 _ос ^см 0₁ + 0₂ 5 +11

Для расчета й_см и I необходимо предварительно по таблицам или по I—й-диаграмме определить значения Іи й составляющих частей воз­духа (которьіми при графическом решении мьі даже не интересовались):

^а см

й_хО_х + а ₂ С₂ = 14,3 • 5 +15,1 • 11 С_х + С₂ ~ 5 +11

= 14,85 г/кг;

¹ см

5 +11

1₁С₁ +1₂ С₂ = 77,3 • 5 + 64,6 • 11

(?1 + ^2

68,6 кДж/кг.

Рассчитать значение ф_см, исходя из исходньїх значений фі и ф₂ по формуле, аналогичной трем предьідущим, нельзя вследствие ее нелинейности зтим величинам. Позтому значение ф_см определяют по любьім двум из трех уже известньїх величин, например, І и й_см или і_см и І_см, используя таблицьі или І—й-диаграмму.

Вода имеет високую теплоемкость (в 4 раза вьіше теплоемкости воздуха), что важно для теплоносителя, но одновременно и вьсо-кую температуру замерзания, что существенно ограничивает ее при-менение в качестве хладоносителя. Она применяется только для тем­ператур вьше 0 °С (на химических заводах, а также при кондицио-нировании воздуха, охлаждении напитков, молока и др.)

Растворм солей (хлористого кальция СаСІ2, поваренной соли КаСІ и хлористого магния МдСЬ?), или рассольь применяют в каче-стве хладоносителей для температур ниже 0 °С.

Свойства рассолов зависят от концентрации соли в растворе. С уве-

личением концентра-ции температура за-мерзания рассола снижается (рис. 1.30). Такое понижение происходит до крио-гидратной точки КТ, соответствую-щей температуре за-мерзания всего рас-сола в виде однород-ной смеси кристал­лов льда и соли (криогидрата). Увеличение концентрации соли вьше криогидратного содержания приводит к повьшению температурь за-мерзания рассола (правье ветви кривьх на рис. 1.30). При зтом будут вьделяться кристалль соли. При замерзании рассола с концентраци-ей ниже криогидратной точки происходит вьделение водного льда.

Криогидратная точка для водного раствора №С1 характеризу-ется температурой — 21,2 °С и содержанием 29 % (по массе) соли в воде, для растворов СаСІ2 и МдСІ2 — соответственно -55 °С и 42,7 %,

-33,6 °С и 27,6 %.

С увеличением концентрации возрастает плотность рассола и снижается его теплоемкость, что приводит к увеличению затрат знергии на циркуляцию в охлаждающей системе. Позтому при вь -боре концентрации ограничиваются областью ненасьщенного ра-створа, лежащей над кривой вьделения кристаллов льда.

Раствор хлористого кальция применяют для создания температур до -50 °С, раствор поваренной соли — до -15 °С. Рассоль вьзьвают усиленную коррозию металла. Разьедающее действие рассолов снижа-ют путем добавления специальньх веществ — пассиваторов или инги-биторов (бихромат натрия, едкий натр). Их добавляют, соблюдая пра­вила обращения с едкими веществами, до получения слабощелочной реакции рассола (проверяется фенолфталеином). Плотность раствора определяют при помощи ареометра или взвешиванием 1 л рассола.

Для увеличения срока службь охлаждающих приборов в качестве хладоносителей применяют и менее коррозионно-активнье вещества, например водньй раствор зтиленгликоля (антифриза), температура замерзания которого в зависимости от концентрации приведена ниже.

Содержание зтиленгликоля, % 30 40 50 60 70 Температура замерзания,°С -16 -25,5 -37,2 -51 -67,2

Наряду с интенсивной коррозией рассольньм системам свой-ствен еще один большой недостаток, связанньй с необходимостью работь при пониженньх температурах кипения, а следовательно, с большей затратой знергии. Позтому применение установок с про-межуточньм теплоносителем в каждом конкретном случае должно бьть подтверждено технологической необходимостью или сообра-жениями безопасности.