Термодинамические диаграммы
Теоретические циклы холодильных машин изображают на термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип действия холодильных машин. Термодинамические диаграммы, кроме того, служат теоретической базой для расчета холодильных машин в целом и их отдельных элементов.
Наиболее распространены диаграммы энтальпия — давление (/, Igp[4] — диаграмма) и энтропия — температура (s, Г-диаграмма). Первую применяют для тепловых расчетов, вторую — для анализа термодинамической эффективности циклов. При этом используют следующие простые измеряемые параметры:
Температуру / в °С или абсолютную температуру Г в К;
Давлениер в Па или производных единицах (1кПа=103Па, 1 МПа= 106 Па = 10,2 кгс/см2 = = 10 бар); удельный объем v в м3/кг; ПЛОТНОСТЬ р = I /у в кг/м3, т. е. величину, обратную удельному объему.
Кроме простых измеряемых параметров, используют также сложные расчетные параметры: энтальпию / в кДж; энтропию S в кДж/К. Энтальпия 1 — это полная энергия рабочего вещества (хладагента), зависящая от его термодинамического состояния. На диаграммах и в расчетах применяют обычно удельную энтальпию і в кДж/кг,
Т. е. отнесенную к единице массы хладагента.
Удельную энтальпию можно выразить как i=u+pv,
Где и — внутренняя энергия хладагента, кДж/кг;
Р — абсолютное давление, Па;
V — удельный объем, м3/кг.
В этом выражении слагаемое pv представляет собой потенциальную энергию давления р. Она расходуется на совершение работы.
Значения і, зависящие от принятого на конкретных диаграммах или в таблицах начала отсчета, в разных источниках (учебниках, справочниках) могут не совпадать при одних и тех же значениях t и р.
Энтропия S — это также расчетный параметр, являющийся функцией термодинамического’ состояния хладагента, характеризующий направление протекания процесса теплообмена между хладагентом и внешней средой. На диаграммах и в расчетах пользуются. удельной энтропией s в кДж/(кг-К), т. е. отнесенной к единице массы хладагента. Интерес обычно представляет ее изменение As =Д q/Tm,
Где Д<7 — теплота, отнесенная к единице массы хладагента, кДж/кг;
Тп — средняя абсолютная температура в течение процесса теплообмена, К.
На i, lg р- и s, Г-диаграммах (рис. 1) из точки К, соответствующей критическому состоянию хладагента, расходятся две так называемые пограничные кривые, разделяющие поле на три зоны: переохлажденной жидкости (ПЖ), парожидкостной смеси
(Ж+П) и перегретого пара (ГІП).
Если на i, lg р-диаграмме провести линию постоянного давления (р = const)—изобару, а на s, Т-диаграмме линию постоянной температуры (T=const) — изотер м у, то они пересекут пограничные кривые в точках А и В. В точке А хладагент находится в состоянии насыщенной жидкости, а в точке В — насыщенного пара.
РИС. I. Изображение теплообменных процессов на термодинамических диаграммах: а — і, fftj-днаграмма; б — s, Г-диаграмма |
Фазовый переход от жидкости к пару на диаграммах идет слева направо. При подводе теплоты (энтальпия н энтропия возрастают) переохлажденная жидкость, достигнув состояния насыщения в точке А; начинает кипеть. По мере дальнейшего подвода теплоты содержание жидкости в единице массы хладагента уменьшается, а содержание пара увеличивается и в точке В достигает 100 %. Образуется насыщенный пар. Паросодер — жание х хладагента на левой пограничной кривой равно 0, а на правой I. Состояние при jc= і называют также сухим насыщенным паром, чтобы подчеркнуть, что пар не содержит частиц жидкости в отличие от влажного пара, представляющего собой смесь пара и жидкости (П + Ж).
Фазовый переход от пара к жидкости на диаграммах идет справа налево. При отводе теплоты происходит процесс конденсации хладагента. Он начинается в точке В и заканчивается в точке А.
На lg р-диаграмме разность значений энтальпий і в точках А и В будет равна величине г в кДж/кг, которую в зависимости от направления процесса (от А к В или от В к А) называют удельной (скрытой) теплотой парообразования или удельной теплотой конденсации (см. тему 3),
На s, Г-диаграмме величине г будет соответствовать площадь (заштрихованная) под процессом А — В, так как
R=AqA_B=AsTm.
Параметры, соответствующие состоянию хладагента на левой пограничной кривой (х = 0), обозначают с одним штрихом, а на правой (де— 1)—с двумя. Таким образом,
В процессах кипения и конденсации давление и температура насыщения остаются неизменными, так как подводимая..или отводимая теплота расходуется на изменение агрегатного состояния хладагента. При этом температура насыщения зависит от давления. При его увеличении она повышается, а при уменьшении — понижается. Это необходимо твердо помнить для уяс-
пения принципа действия холодильной машины.
Если после подвода определенного количества теплоты и достижения хладагентом состояния насыщенного пара в точке В продолжать подводить теплоту при постоянном давлении (р — const), то этот процесс В — С будет сопровождаться повышением температуры: ТС>ТВ. Насыщенный пар перейдет в точке С в состояние, называемое перегретым паром. Перегрев пара 6С определяется разностью температур:
0c=rc-7V
Аналогично, если после окончания процесса конденсации В — А продолжать отводить теплоту, то дальнейший процесс А — D будет сопровождаться понижением температуры. Насыщенная жидкость перейдет в точке D в состояние, называемое переохлажденной жидкостью. Переохлаждение жидкости определяется разностью температур:
%-Тл-Го-
На i, lgр-диаграмме (рис. I, а) изотермы (7′ = consl) в зоне ПЖ ндут почти вертикально вверх, параллельно изоэнтальпам— линиям постоянной удельной энтальпии (<=const), а в зоне ПП — резко вниз.
На s, Г-диаграмме (рис. 1,6) изотермы горизонтальны. Изобары (p=* const) в зоне ПЖ идут резко вниз и почти совпадают с пограничной кривой (лг = 0), в зоне ПП — поднимаются круто вверх. Изоэнтальпы (i—const) спускаются круто вниз.
Линии постоянной удельной энтропии (s = const) Has, Г-диаграмме вертикальны, а на lg р-диаграмме (рис. I, а) располагаются примерно под углом 45° к горизонтали.
С небольшим подъемом от горизонтали идут на обеих диаграммах линии постоянного удельного объема (к —const). Большим давлениям р соответствует меньший удельный объем V.
Поскольку при работе парокомп — рессионной холодильной машины в установившемся (стационарном) режиме давления кипения р0 и конденсации рк хладагента постоянны, количество подводимой или отводимой теплоты изображается на /, lg р-диаграмме в виде отрезка прямой линии и равно разности энтальпий в начале и конце процесса. В этом заключается достоинство х, lg р-диаграммы, которое обусловило ее широкое использование для расчета парокомпрессионных холодильных машин.
Posted in К холодильной технике