7.4 Агрегатное состояние вещества

Агрегатное состояние вещества (твердого, жидкого, газообраз­ного) зависит от внешних условий — температуры и давления. При определенном изменении этих условий в теле меняется форма свя­зи между молекулами и оно переходит из одного агрегатного со­стояния в другое. Например, если лед нагревать, то через некото­рое время он обратится в воду, а при дальнейшем нагревании — в пар. Если же от водяного пара отнимать тепло, то он сначала скон­денсируется в воду, а в дальнейшем затвердеет и обратится в лед.

Переход однородного тела из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре, зависящей от физических свойств вещества и условий перехода его из одного состояния (фазы) в другое. Постоянство температуры при перехо­де тела, например, из твердого состояния в жидкое и из жидкого в парообразное, объясняется тем, что тепло, используемое на изме­нение агрегатного состояния тела, расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами, на увеличение потенциальной энер­гии частиц его. А приращение потенциальной энергии не сопро­вождается ощутимым нагревом. Тепло, воспринимаемое телом, остается в скрытом виде.

Переход тела из одного агрегатного состояния в другое — фи­зический процесс.

Изменение агрегатного состояния тела сопровождается выде­лением или поглощением соответствующего количества тепла, рас­ходуемого на внутреннюю работу по перегруппировке молекул. Для получения холода имеют значение такие изменения агрегатного состояния тела, которые протекают при низких температурах и сопровождаются поглощением тепла из охлаждаемой среды.

Конденсация пара наступает при охлаждении его до температу­ры кипения данной жидкости или несколько ниже этой температу­ры. Если температура кипения конкретной жидкости очень низка, но необходимо сконденсировать пар при более высокой темпера­туре, то его следует сжать до такого давления, которому соответ­ствует температура кипения, равная выбранной температуре кон­денсации. Именно такой способ широко применяется в холодиль­ной технике. Регулируя давление, при котором происходит кипе­ние, можно регулировать (изменять) температуру охлаждения. Этот принцип охлаждения положен в основу работы паровой компрес­сионной и абсорбционной холодильных машин.

Для поддержания непрерывного кипения жидкости необходи­мо выполнить два условия — довести жидкость до требуемой тем­пературы кипения и сообщить ей скрытую теплоту парообразова­ния.

7.5 Обратный цикл Карно

В соответствии со вторым законом термодинамики непрерывное искусственное охлаждение не может происходить без затраты энер­гии. Совокупность процессов, которые при этом осуществляет ра­бочее тело, называется обратным круговым процессом или обрат­ным термодинамическим циклом. В прямом круговом процессе, или прямом термодинамическом цикле, тепло переносится от горячего тела к холодному (окружающей среде); при этом совершается рабо­та. В обратном цикле тепло переносится от холодного тела к нагре­тому (окружающей среде); при этом затрачивается работа. Обрат­ный цикл, в котором тепло от охлаждаемой среды передается окру­жающей среде (воде или воздуху), называется холодильным циклом.

Рассмотрим наиболее совершенный в термодинамическом от­ношении обратный цикл Карно, осуществляемый с минимальной затратой работы.

На рисунок 7.1. изображен цикл Карно в диаграмме T-S. Он состоит из двух изотермических и двух ади­абатических процессов. В изо­термическом процессе 4—1 к ра­бочему телу подводится тепло q₀, отнимаемое от источника тепла низкой температуры T₀. Это тепло выражается площа­дью 4—1—а—b. В адиабатичес­ком процессе 1—2 рабочее тело сжимается компрессором от на­чального давления P₀ до конеч­ного давления Р_к, при этом его температура повышается от T₀ до температуры окружающей среды или источника высокой температуры Т_к. На сжатие затрачива­ется работа l_сж. В изотермическом процессе 2—3 рабочее тело отдает источнику высокой температуры T_к тепло q_K, которое выражается площадью 2—3—b—а. Чтобы рабочее тело снова могло отнимать тепло от источника низкой температуры, оно адиабатически расши­ряется в детандере (процесс 3—4) от давления Р_к до P₀, при этом его температура понижается от Т_к до T₀. В процессе адиабатического рас­ширения рабочее тело совершает работу l_расш. Таким образом, в ре­зультате осуществления обратного цикла тепло q₀ отводится от ис­точника низкой температуры T₀ и передается источнику высокой тем­пературы Т_к. Чтобы такой перенос тепла был возможен, затрачива­ется работа цикла l_ц, равная разности работы, затраченной в комп­рессоре и полученной в детандере: l_ц= l_к -l_расш

Рисунок 7.1 Обратный цикл Карно

В соответствии со вторым законом термодинамики тепловой баланс холодильной машины выражается равенством: q₀₊ l_ц= q_K.

Следовательно, величина l_ц может быть выражена площадью 1— 2—3—4, равной разности между площадями 2—3—b—а и 4—1 —а— b.

Эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом . Холодильным коэффициентом называется отно­шение количества тепла, отведенного от охлаждаемого источни­ка, к затраченной работе:

.

Откуда: l_ц= q_K - q₀

Холодильный коэффициент цикла Карно не зависит от физических свойств рабочего тела. Он тем больше, чем выше температура источника низкой температуры T₀ и чем ниже температура источника высокой температуры Т_к. В действительных условиях работы источником низкой температуры является охлаждае­мое тело: воздух, вода, рассол, продукт, грунт и т.д., источником высо­кой температуры — охлаждающая среда: вода или воздух.

Чем больше холодильный коэффи­циент, тем меньше работа, затрачиваемая на получение единицы холода, т.е. выше экономичность работы холодильной машины. Исходя из этого необходимо при проектировании холодильной установки стремиться к возможно наиболее высокой температуре T₀ и к более низкой температуре Т_к.

Обратный цикл Карно характеризует минимальную величину работы, необходимую для осуществления холодильного цикла в заданном интервале температур охлаждаемой и охлаждающей сред.

Рабочее тело, с помощью которого осуществляется холодиль­ный цикл, называется холодильным агентом.

Тепло, подведенное к холодильному агенту от источника низкой тем­пературы за один час, называется холодопротводительностью Q₀ Вт.

Холодопроизводительность 1 кг холодильного агента или коли­чество тепла, необходимого для испарения 1 кг холодильного аген­та, называется весовой холодопротводительностью — q₀ кДж/кг.

Холодопроизводительность 1 м³ парообразного холодильного агента или количество тепла, которое отнимает холодильный агент для получения 1 м³ пара, называется объемной холодопротводитель­ностью q_v кдж/м³.

Объемная холодопроизводительность определяется как отноше­ние весовой холодопроизводительности q₀ к удельному объему вса­сываемых паров v в м³/кг.

Весовая и объемная холодопроизводительность зависят от ус­ловий работы машины: чем ниже t₀ и выше t_к, тем меньше q_Q и q_v.

Эта величина определяет часовой объем компрессора, т.е. кон­струкционные характеристики холодильной машины.

Термодинамические диаграммы. Для определения параметров при расчетах циклов холодильных машин применяют таблицы па­раметров хладагентов, а также тепловые диаграммы.

Наиболее распространенными являются диаграммы: энтропия-температура (S—Т) и энтальпия-давление (Igp- i) (рисунок 7.2).

В диаграмме Т—S по оси абсцисс откладыва­ют энтропию S и проводят вертикальные линии постоянных энт­ропии — адиабаты, по оси ординат откладывают абсолютную тем­пературу Т и проводят горизонтальные линии постоянных темпе­ратур — изотермы. По полученной сетке из адиабат и изотерм на­носят пограничные кривые: левая кривая характеризует состояние насыщенной жидкости (паросодержание х - 0), правая кривая — состояние сухого насыщенного пара (х = 1). Между обеими погра­ничными кривыми расположена область влажного пара 2.

Левая пограничная кривая отделяет от области влажного пара область переохлажденной жидкости 1, а правая — область перегре­того пара 3. На диаграмме нанесены линии постоянных паросодержаний х, линии постоянных давлений р — изобары, линии постоян­ных объемов v — изохоры, линии постоянных энтальпий i — изоэнтальпы. Изобара в области влажного пара совпадает с изотермой, а в области перегретого пара круто поднимается вверх. Характер ли­ний постоянных х, v, i виден на рисунок 7.2.

Рисунок 7.2 Тепловые диаграммы: а - S— Т; 6 - i—lgp.

Тепловой расчет одноступенчатой паровой холодильной машины.

При тепловом расчете холодильной машины определяют:

— объем, описываемый поршнем компрессора, м³/ч. По вели­чине этого объема подбирают компрессор;

— тепловую нагрузку на конденсатор, Вт, по величине которой определяют его поверхность;

— эффективную мощность N3, кВт, на валу компрессора;

— тепловую нагрузку на переохладитель или теплообменник, по величине которой определяют их поверхности.

Основанием для расчета служит заданная холодопроизводитель­ность машины Q_{0 брутто}(Вт) с указанием хладагента, температур­ных условий работы и намечаемых компрессоров и аппаратов.