Паровая компрессорная установка

Схема паровой компрессорной холодильной установки дана на рис. 109.

Насыщенный пар аммиака (или другого рабочего тела) при температуре, близкой к температуре охлаждаемого помещения 1, всасывается компрессором 2 и адиабатно сжимается. Из компрессора пар аммиака поступает в конденсатор 3, где при постоянном давлении он конденсируется вследствие отнятия у него теплоты охлаждающей водой. Полученный жидкий аммиак поступает в редукционный вентиль 4, в котором происходит его дросселирование, сопровождаемое падением давления и температуры. При этом аммиак частично испаряется.

Полученный весьма влажный насыщенный пар (степень сухости х обычно находится в пределах 0,01-0,15) с низкой температурой и является хладоносителем. Его направляют в трубы охлаждаемого помещения, где за счёт теплоты, отбираемой за счёт охлаждаемых тел, степень сухости его увеличивается, и он снова направляется в компрессор. В дальнейшем этот цикл повторяется.

На практике применяют паровые компрессорные установки с про межуточным теплоносителем.

В качестве такого теплоносителя применяют рассолы, т.е. растворы в воде различных солей, главным образом поваренной соли NaCl, хлористого кальция CaCl2 и хлористого магния MgCl2, не замерзающие при низких температурах. В этом случае в схему установки, изображённой на рис. 109, вводится дополнительно испаритель 5, в который направляется влажный пар аммиака после редукционного вентиля (рис. 110). В испарителе аммиак испаряется, отнимая теплоту от рассола. Охлаждённый рассол при помощи насоса 6 направляется в охлаждаемое помещение 1, в котором он нагревается вследствие отнятия теплоты от тел, подлежащих охлаждению, и возвращается в испаритель, где он снова отдаёт теплоту пару аммиака, поступающему в компрессор. В дальнейшем этот цикл повторяется.

На рис. 111 в диаграмме Ts дан цикл изменения состояния 1 кг аммиака в паровой компрессорной установке с промежуточным теплоносителем. Точка 1 характеризует состояние пара аммиака при входе его в компрессор, линия 1–2 – процесс адиабатного сжатия в компрессоре, точка 3 – состояние жидкого аммиака перед входом его в редукционный вентиль, в котором он подвергается дросселированию. Так как этот процесс характеризуется равенством значений энтальпий в начальном и конечном состояниях, то в точке 4, соответствующей состоянию аммиака после дросселирования, последний имеет ту же энтальпию, что и в точке 3. Линия 4–1 соответствует процессу парообразования в испарителе.

В зависимости от того, какой пар всасывается компрессором (сухой или влажный), процесс в холодильных машинах называют сухим или влажным. При сухом процессе в испарителе получается сухой насыщенный пар. Чтобы обеспечить поступление в компрессор сухого пара, холодильную установку снабжают отделителем жидкости, или сепаратором, через который жидкость возвращается в испаритель. Схема такой установки дана на рис.112.

Затрата работы в компрессоре при адиабатном сжатии определяют по формуле:

Холодопроизводительность 1 кг холодного агента:

где r – теплота парообразования, a x₁ и x₄ – соответственно степень сухости пара после испарителя и после редукционного вентиля.

Тепловая нагрузка конденсатора определяется по формуле:

Количество холодильного агента и теоретическую мощность, подводимую к компрессору, определяют по формулам (*) и (**).

Из цикла паровой компрессорной установки, изображённой на рис. 111, видно, что замена расширительного цилиндра редукционным вентилем обусловливает некоторую потерю холодопроизводительности, которая может быть частично уменьшена путём переохлаждения жидкости ниже температуры конденсации. Это видно на рис. 113, где изображён цикл паровой компрессорной холодильной установки с переохлаждением конденсата до температуры t₅, лежащей ниже температуры конденсации t₄.

Данные о насыщенных парах аммиака и углекислоты приведены в соответствующих таблицах.

2.Теплопроводность

2.1. Температурное поле. Градиент температуры. Основной закон теп­ло­про­вод­ности (закон Фурье). Коэффициенты тепло- и температуропроводности.

Температура - одна из основных физических величин, характеризующих процесс теп­ло­про­водности. Совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства на­зы­ва­ет­ся температурным полем T(x,y,z,t).

Если соединить точки поля, имеющие одинаковую температуру (провести через них ли­нию или поверхность), то получится изотермическая поверхность (изотерма). При движении вдоль изо­термы температура не меняется, а при движении в любом другом направлении - меняется, при­чем наиболее быстро температура будет меняться при движении по нормали к изотерме. Вектор, на­правленный по нормали к изотермической поверхности в сторону воз­рас­та­ния температуры, на­зы­вается градиентом температуры и обозначается gradT или .

В де­картовых координатах вектор градиента температуры имеет вид:

(1)

где - единичные векторы (орты), направленные по осям x, y, z соответственно.

Опыт показывает, что передача тепла теплопроводностью про­ис­хо­дит по нормали к изо­тер­мической поверхности от более нагретых областей к менее на­гре­тым. Количество тепла, пе­­ре­несенное за единицу времени, на­зы­ва­ется тепловым потоком. Тепловой поток измеряется в Дж/с, или в Вт, т.е. в тех же единицах, что и мощность. Тепловой поток, отнесенный к еди­ни­це изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока; размерность этой ве­личины Вт/м².

Основной закон теплопроводности, установленный экспериментально в начале XIX ве­ка, называется законом Фурье (Fourier) и может быть сформулирован так: плотность теплового по­тока в неподвижной среде прямо пропорциональна градиенту температуры:

. (2)

Знак минус в этой формуле означает, что вектор направлен противоположно гра­ди­енту тем­­пературы, т.е. в сторону убывания температуры. Коэффициент пропорциональности l на­зы­­ва­ет­ся коэффициентом теплопроводности; он равен количеству тепла, протекающего за еди­ни­цу времени через единицу изотермической поверхности при единичном градиенте тем­пе­ра­ту­ры, т.е при перепаде температуры в один градус на единицу длины нормали. Раз­мер­ность ко­эф­фициента теплопроводности Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности - важный теплофизический параметр вещества, оп­ре­де­­ля­емый экспериментально. Его зна­че­ния у различных веществ лежат в широких пределах. Точ­ные значения l зависят от температуры и давления, однако во многих практически важ­ных случаях этот коэффициент можно считать постоянным и использовать значения, при­во­ди­мые в справочных таблицах. Коэффициент теплопроводности наиболее высок у металлов (сот­ни Вт/(м·К)), зна­чи­тель­но ниже у не­ме­тал­ли­ческих веществ, и имеет особенно низкие зна­чения у пористых ма­те­ри­а­лов, применяемых для теплоизоляции (материалы, ко­эф­фи­ци­ент тепло­проводности которых ни­же, чем 0.25 Вт/(м·К), принято называть теп­ло­и­зо­ля­то­ра­ми). Необходимо, однако, учи­ты­вать, что для по­ристых материалов коэффициент l является условной величиной, за­ви­ся­щей от ря­да фак­то­ров, например от влажности.

Если разделить коэффициент теплопроводности l на плотность r и удельную тепло­ем­кость c, то получим другой важный теплофизический параметр, который называется коэф­фи­циентом температуропроводности a:

. (3)

Коэффициент температуропроводности имеет размерность м²/с.