Парокомпрессорные холодильные машины

Парокомпрессионные холодильные машины имеют наибольшее применение для охлаждения в широком интервале температур: от 278 К (одноступенчатые холодильные машины) до 113 К (каскадные холодильные машины). Их холодопроизводительность охватывает диапазон от нескольких десятков ватт (домашние холодильники) до нескольких тысяч киловатт (холодильные машины с центробежными компрессорами). Основной особенностью парокомпрессионных холодильных машин является то, что рабочее вещество, совершая обратный цикл, меняет свое агрегатное состояние и может находиться в состоянии влажного, сухого насыщенного или перегретого пара, а также в жидком состоянии. В качестве холодильных агентов (рабочих веществ) применяются вещества с низкой нормальной температурой кипения. В основном на крупных установках применяется аммиак, на малых и средних установках различные хладоны (фреоны). Основными элементами холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство, в котором происходит расширение рабочего вещества.

2.2 Теплоиспользующие холодильные машины

Теплоиспользующие холодильные машины нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. К ним относятся пароэжекторные (ПЭХМ), абсорбционные (АХМ) и сорбционные холодильные машины. Отличительной особенностью перечисленных типов машин от парокомпрессорных и газовых холодильных машин является принцип получения в них холода за счет использования теплоты греющих источников. Для привода насосов в ПЭХМ и АХМ необходимо небольшое количество электроэнергии, которое практически не учитывают в их тепловых балансах. В ПЭХМ и АХМ искусственный холод вырабатывается с помощью системы совмещенных прямого и обратного циклов.

В ПЭХМ совмещены пароэнергетическая установка с двигателем-эжектором и холодильная машина со струйным компрессором-эжектором. Пароэнергетическая установка включает в себя парогенератор, эжектор, конденсатор и насос. В состав холодильной машины входят эжектор, конденсатор, дроссельный (регулирующий) вентиль и испаритель.

В теоретической схеме АХМ функцию пароэнергетической установки выполняют генератор, расширительная машина (турбина), абсорбер, насос и растворный детандер. Функцию холодильной машины выполняют испаритель, компрессор, конденсатор и детандер. В действительной схеме АХМ расширительная машина в прямом цикле и компрессор в обратном взаимно исключают друг друга, а детандеры заменяются на дроссельные вентили. В результате получается единый контур теплоиспользующей машины - АХМ с совмещенными прямым и обратным циклами.

3 Молекулярно–кинетическая теория

Молекулярно–кинетическая теория газов объяснила физический смысл таких важных понятий как теплота, температура, давление, вязкость, теплоемкость, теплопроводность и других понятий.

2.1 Теплота – это кинетическая энергия движения атомов и молекул.

Считается, что частицы вещества находятся в непрерывном, беспорядочном движении и это движение воспринимается как тепло. Одним из первых непосредственных доказательств наличия теплового хаотического движения частиц в веществе явилось открытие броуновского движения. Оно заключается в том, что весьма малые (видимые только в микроскоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, которое является следствием соударения данных частиц с молекулами жидкости. Частицы более нагретого вещества движутся быстрее, чем холодного. Средняя скорость молекул в газе даже при умеренных температурах оказывается очень большой. Так, для молекул водорода (H₂) при комнатной температуре (T = 293K) эта скорость равна около 1900 м/c, для молекул азота – порядка 500 м/c. Благодаря высоким скоростям во всех местах изолированной системы быстро устанавливаются состояния теплового равновесия. Но даже в состояние теплового равновесия молекулы газа движутся беспорядочно, сталкиваясь между собой и со стенкой сосуда, беспрерывно меняя свою скорость. Это означает, что в каждый момент времени в газе есть молекулы, которые имеют самые различные скорости, но при неизменной температуре распределения молекул по скоростям во всех частях сосуда остается постоянным. В графическом виде распределение частиц по скоростям (энергиям) для двух различных температур (T ₂ > T ₁) приведено на рисунке 3.1.

 

Рисунок 3.1. Распределение частиц по скоростям

Площади под каждой кривой показывают общее число частиц, которое одинаково при различных температурах. Но при повышении температуры увеличивается доля частиц с более высокой скоростью (энергией).

2.2 Температура – это количественный показатель энергетического состояния системы или усредненной кинетической энергии движения частиц вещества.

Температура измеряется в градусах Цельсия (t °C) или в градусах Кельвина (T K) – абсолютная температура. Они связаны следующим соотношением:

T K = 273,15 + t °C.

Абсолютная температура идеального газа является мерой кинетической энергии его молекул и прямо пропорциональна ей. Это обозначает, что газы, находящиеся при одинаковой температуре, обладают одинаковой кинетической энергией молекул.

2.3 Давление (Р) – это сила, оказываемая веществом на стенки сосуда.

Давление является результатом многочисленных соударений движущихся молекул со стенкой сосуда, в результате которых они передают стенке энергию своего движения.

Если в сосуде имеется смесь разных газов, то давление, передаваемое стенке молекулами одного вида, не зависит от наличия в газе молекул других видов. Отсюда следует, что давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений, которые создавал бы каждый газ в отдельности, если бы занимал весь объем сосуда.

Давление в системе СИ измеряется в паскалях (Па), Существуют внесистемные единицы измерения давления: атмосфера (атм), миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.), бар (бар). Единицы измерения давления связаны между собой следующим соотношением:

101325 Па = 1 атм = 760 мм рт. ст.; 1 бар = 100 КПа.

2.4 Теплоёмкость (С) – это отношение количества теплоты, поглощенной системой, к изменению температуры (). При этом, в данном температурном интервале не должны протекать реакции и фазовые переходы.

С = . Отсюда: ΔQ = C·ΔТ.

Количество теплоты измеряют в джоулях (Дж) и калориях (кал). 1 Дж равен энергии которую необходимо затратить на подъем тела массой 1 кг на высоту 1 м, а 1 кал это энергия необходимая для нагрева 1 г воды на 1 градус в интервале температур 19,5 ÷ 20,5 ⁰С. При этом 1 кал= 4,1840 Дж.

Различают теплоемкости:

1) истинную – отнесенную к бесконечно малому изменению Т,

2) мольную – отнесенную к 1моль вещества,

3) удельную – отнесенную к 1г (1кг) вещества.

Для газов различают теплоемкости: изохорную (C_v), определяемую при v=const, и изобарную (C_p), определяемую при p=const. Данные теплоемкости связаны между собой следующим соотношением C_p - C_v = R. Следует отметить, что при 0 К C_p = C_v.

В таблице … приведены значения C_p и C_v.(кал/⁰С·моль) некоторых газов при 15 ⁰С.

Таблица… Значения C_p и C_v.(кал/⁰С·моль) некоторых газов при 15 ⁰С.

Газ	Cp	Cv	Газ	Cp	Cv
Не	4,99	3,00	Cl2	8,14	6,00
Н2	6,82	1,99	CО2	8,75	6,71
СО	6,93	4,93	С2Н2	9,96	7,91
N2	6,93	4,94	С6Н6	25,4	23,1

 

Из приведенной таблицы видно, что самая низкая теплоемкость у одноатомного газа (Не), так как энергия системы определяется только поступательным движением атомов. При увеличении атомов в молекуле теплоемкость возрастает, что связано с появлением дополнительных форм движения – колебанием и вращением атомов в молекуле относительно друг друга. Следует отметить, что эти составляющие проявляются при повышенных температурах.

Зависимость теплоёмкости от температуры не носит линейный характер. Как видно, из рисунке 3.2, графическая зависимость для меди имеет сложный характер.

Рисунок 3.2. Зависимость теплоемкости меди от температуры

 

2.5 Вязкость ─ это сопротивление передвижению одного слоя вещества относительно другого. Для газов вязкость имеет малые значения, так как в газообразном состоянии частицы находятся на значительном удалении друг от друга, поэтому вероятность их столкновения в пространстве и соответственно межмолекулярного взаимодействия мала. Вязкость иногда называют внутренним трением. Данные по значениям вязкости имеют большой практический интерес, так как количество энергии, необходимое для перемещения жидкости по трубопроводам, находится в прямо пропорциональной зависимости от вязкости жидкости.

Количественно в язкость (η) равна силе на единицу поверхности соприкасающихся фаз, которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. Вязкость выражается в пуазах (1П = 1 г∕см·с). Величина обратная вязкости () называется текучестью.

При повышении температуры вязкость понижается, так как при расширении жидкости увеличивается расстояние между молекулами и соответственно ослабляется взаимное притяжение между ними. В таблице 3.2 показана зависимость вязкости некоторых веществ от температуры.

 

Жидкость	Вязкость, сП
0 0С	20 0С	50 0С
Вода	1,789	1,005	0,550
Этанол	1,78	1,19	0,701
Глицерин			─

Таблица 3.2. Зависимость вязкости некоторых веществ от температуры

В первом приближении зависимость вязкости от температуры пропорциональна .

Измерение вязкости веществ в жидком состоянии можно проводить на капиллярном вискозиметре.

Для исследуемого образца жидкости определяется время истечения определенного объема жидкости из измерительного резервуара через калиброванный капилляр. Полученное значение времени подставляется в формулу

V = ·Т·К,

V – кинематическая вязкость жидкости в мм²/с;

g – ускорение свободного падения в месте измерения в м/с²;

Т – время истечения жидкости в секундах;

К – постоянная вискозиметра в мм²/с².

2.6 Теплопроводность – это способность материала проводить тепло.

Приток тепла из окружающей среды возможен посредством теплообмена, конвекции и излучения. Суммарное влияние этих факторов характеризует теплопроводность материала. Теплопроводность (лямбда) равна количеству тепла, которое пройдет через слой материала с площадью 1 м² и толщиной 1м за 1 секунду при градиенте температур 1 К. (в интервале температур?). Размерность теплопроводности Вт/(м·К).

Теплообмен (или теплоперенос) происходит посредством перехода тепла через материал. Теплоперенос газа определяется длиной свободного пробега молекул газа между соударениями, достигая практически нуля при абсолютном вакууме.

Конвекция осуществляется за счет перемешивания среды через которую происходит теплообмен. При повышении температуры конвективный теплообмен возрастает.

Лучеиспускание – это электромагнитное (hν) излучение материала. Вещество состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из положительно заряженных ядер и электронов. Переходы электронов с более низкого на более высокий энергетический уровень сопровождаются поглощением электромагнитных волн с определенными, для каждого материала, значениями частот. Например, окраска вещества является следствием поглощения электромагнитных волн в видимой части спектра. В свою очередь обратный процесс сопровождается излучением определенных значений электромагнитных волн, такой спектр называют эммисионным. Не только электронные переходы, но и другие процессы в атомах и молекулах сопровождаются электромагнитным излучением. Электромагнитные волны по увеличению энергии излучения располагаются в следующий ряд: радиоволны, инфракрасное излучение, видимая часть спектра, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Излучение пропорционально четвертой степени абсолютной температуры, так как с повышением температуры возрастает интенсивность и доля излучения с более высокой энергией. Но опытные данные показывают, что общая теплопроводность материалов находится в линейной зависимости от температуры

φ = φ₀(1 + bt),

где φ₀ – теплопроводность материала при 0 ^оС,

b – температурный коэффициент теплопроводности материала,

t – температура.

Лучеиспускание уменьшается посредством рассеивания и отражения лучей экранами из материалов с высокой отражательной способностью.

ЛЕКЦИЯ 4

«АБСОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ»

Абсорбция

Адсорбция относится к разделу физической химии изучающей поверхностные явления. В 18 веке было обнаружено, что древесный уголь может поглощать значительные объемы различных газов. Позднее это явление получило название адсорбции.

Адсорбция - это поглощение газов или паров поверхностью твердого или жидкого тела.

По механизму действия различают адсорбцию физическую и химическую. Физическая адсорбция является результатом межмолекулярного взаимодействия между адсорбируемым веществом и адсорбентом. В процессе физической адсорбции теплота всегда выделяется.

Химическая адсорбция проявляется при возможности химического взаимодействия. Образуются относительно прочные химические соединения. Химическая адсорбция требует энергии активации, поэтому протекает при повышенных температурах. Химическая адсорбция может протекать как с выделением, так и поглощением тепла.

В случае адсорбции твердым телом с развитой поверхностью (активированный уголь, силикагель и др.) или жидкостью процесс поглощения может протекать по всему объему адсорбента. Такой процесс называется абсорбция.

Абсорбция - это поглощение газов или паров всем объемом твердого или жидкого тела.

На практике абсорбция реализуется в абсорбционных холодильных машинах (АХМ).