Раздел 1. Холодильные машины.

Тема 1.1. Термодинамические основы работы холодильных машин.

Практическое занятие 1.

Построение тепловых процессов, определение параметров точек, количеств подведенной и отведенной теплоты, затраченной работы. Работа с таблицами хладагентов.

Цель: приобретение навыков работы с диаграммами S-Т и I-lgР и таблицами хладагентов.

Литература: (1) с.7-20. (2) с.7-19. (3) с. 6 - 18.

Методические указания.

При изучении этой темы студенты должны освоить физическую сущность процесса охлаждения, понять что физическая природа теплоты и холода одинакова и получить охлаждающий эффект можно лишь путем отвода теплоты от тела. Охлаждение тел естественным путем возможно только до температуры окружающей среды. Охлаждение тел ниже температуры окружающей среды называется искусственным охлаждением.

Следует подробно изучить различные способы получения низких температур, уделив особое внимание фазовым превращениям веществ, так как принцип действия наиболее распространенных в холодильной технике паровых машин основан на изменении фазовых состояний веществ. Фазовое превращение любого вещества при неизменном давлении происходит при постоянной температуре с отводом или подводом некоторого количества скрытой теплоты, расходуемой на изменение связей между молекулами вещества. Из курса «Термодинамика, теплопередача, гидравлика», студенты должны повторить такие понятия, как удельные объем, давление, температура, энтальпия, энтропия, внутренняя энергия, их единицы измерения, а также свойства паров, принципы построения термодинамических диаграмм и таблиц хладагентов, изучить единицы измерения тепловой энергии. Кроме того, необходимо вспомнить такие процессы, как изотермический, изобарный, изохорный, адиабатный.

Все тепловые расчеты, проводимые с целью подбора холодильного оборудования, связаны с определением необходимых параметров по термодинамическим таблицам и диаграммам S-Т и i-1gР. Для того, чтобы научиться пользоваться термодинамическими диаграммами, необходимо изучить расположения всех линий, характеризуемых постоянными значениями тех или иных параметров (Т, р. v, I. s, х). По таблицам хладагентов можно быстро и точно определить параметры только тех точек, которые расположены на пограничных кривых, т.е. в состоянии насыщения (х-0: х=I).

По термодинамическим диаграммам можно определить шесть параметров всех точек цикла: Р - давление, Па (МПа); Т - температура, К(°С); V - удельный объем, м³/кг; I - энтальпия, кДж/кг; S - энтропия, кДж/(кг К); Х - паросодержание, кг/кг.

Необходимо обратить внимание на то, что в изобарных процессах увеличение энтропии S характеризует подвод теплоты в процессе, а уменьшение - отвод теплоты. Количество подведенной или отведенной теплоты в изобарном процессе определяется как разность энтальпий в конце и начале этого процесса.

В S-Т диаграмме теплота, отведенная или подведенная к веществу в изобарном процессе, изображается площадью под линией процесса. В i-lgР диаграмме эта теплота определяется отрезком на оси абсцисс относительно начала и конца процесса.

Процесс адиабатного сжатия или расширения протекает при постоянной энтропии, а процесс дросселирования - при постоянной энтальпии.

Термодинамические диаграммы построены следующем образом: S-Т, по оси абсцисс откладываются значения энтропии S, кДж/(кгК), а по оси ординат — значения температуры Т, К.

На сетку из постоянных значений S и Т (адиабат и изотерм) наносятся пограничные кривые, характеризующие состояние насыщенной жидкости - степень сухости х=0 (левая кривая) и сухого насыщенного пара - степень сухости х=1 (правая кривая). Между пограничными кривыми находится область влажного пара, слева от левой пограничной кривой находится область жидкости, а справа от правой кривой - область перегретого пара. На диаграмму наносятся кривые постоянного паросодержания х=сonst, изохоры v=const, изобары Р=const, изоэнтальпы i=сonst.

Пограничные кривые, линии процессов, количество теплоты и работы, участвующие в процессе изменения параметров тела в S-Т диаграмме изображены на рис.1-8 методических указаний.

Сетка диаграммы i-lgР выполнена из горизонтальных линий изобар и вертикальных - изоэнтальп. Характер пограничных кривых, изотерм, изохор, адиабат, линий х=const виден из рис. 9 - 14. Количество теплоты и работа изображаются отрезком на оси абсцисс и показаны на рис. 15, 16 соответственно.

После изучения диаграмм студент приступает к освоению обратных идеальных циклов Карно. Эффективность холодильного цикла определяется величиной холодильного коэффициента, который равен отношению холодопроизводительности к затраченной работе.

Необходимо четко усвоить такие понятия, как удельная массовая и объемная холодопроизводительность хладагента, от чего они зависят, каким образом можно получить максимальную холодопроизводительность при минимальной затрате работы.

Вопросы для самоконтроля.

1. В чем единство физической природы теплоты и холода?

2. Какой параметр характеризует тепловое состояние тела?

3. Каковы особенности двух температурных шкал, предусмотренных системой СИ?

4. Какова граница естественного охлаждения?

5. Какие существуют способы получения низких температур?

6. Почему фазовые превращения веществ происходят при постоянных температурах? Как изменяется температура превращения от давления?

7. Что такое пограничные кривые, и на какие области они разделяют диаграмму?

8. Как проходят линии постоянных параметров t, Р, v, I, S, х в S-Т диаграмме?

9. Как проходят линии постоянных параметров t, р, v, I, S, х в i-1gР диаграмме?

10. Как изобразить в диаграммах S-Т и i-1gР и количественно определить подведенную или отведенную теплоту и работу?

11. Из каких процессов состоит обратный цикл Карно? Как он изображается в S-Т и i-lgР диаграммах?

12. Что такое удельная массовая и объемная холодопроизводительности хладагента? Как они определяются? Какая связь между ними?

13. Что является экономической характеристикой обратного цикла?

14. Чем отличаются друг от друга обратные циклы: холодильный, теплового насоса и комбинированный?