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