З дисципліни «Суднові холодильні установки, системи кондиціонування повітря та їx експлуатація»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З дисципліни «Суднові холодильні установки, системи кондиціонування повітря та їx експлуатація»

       

 

              

галузь знань:           0701 «Транспорт і транспортна інфраструктура»

 

спеціальність: 7.07010402 «Експлуатація суднових енергетичних установок»

 

курс:                   п’ятий

 

форма навчання:     денна / заочна

 

Херсон-2012

Конспект лекцій з дисципліни «Суднові холодильні установки, системи кондиціонування повітря та їх експлуатація» розроблено (на російській мові) у відповідності до робочої навчальної програми старшим викладачем кафедри експлуатації суднових енергетичних установок та загальноінженерної підготовки Скрипка Г.Л.

 

 

 

Конспект лекцій розглянуто на засіданні кафедри експлуатації суднових енергетичних установок та загальноінженерної підготовки

____ ____________________ 2012 р.       протокол №____

 

 

Начальник навчально-методичного відділу ___________ В.В.Черненко

                                                                

 

Завідувач кафедри експлуатації

суднових енергетичних установок та

загальноінженерної підготовки, професор ____________ А.В. Букетов

 

Содержание

		стр.
Введение		4
Лекция 1	Хладогенты и их свойства. Хладоносители и масла.	5
Лекция 2-3	Основы теории холодильных машин. Рабочие процессы в холодильных машинах.	18
Лекция 4-5	Компрессоры холодильных машин. Теплообменные аппараты.	43
Лекция 6	Автоматизация судовых холодильных установок.	111
Лекция 7	Системы кондиционирования воздуха.	175
Лекция 8	Основы эксплуатации холодильных установок.	214
Литература		246

ВВЕДЕНИЕ

Широкое внедрение холодильной техники во многие области деятельности человека и ее главенствующая роль при хранении продуктов питания во многом обязаны появлению в 30-х годах прошлого столетия галогенизированных углеродов (фреонов). Эти вещества, обладая хорошими термодинамическими свойствами в качестве хладагентов, химически инертны, негорючи, малотоксичны. Поэтому вполне допускался выброс в атмосферу летучих паров фреонов при ремонте и обслуживании холодильного оборудования, при производстве вспе­нивающихся веществ в качестве аэрозольных пропеллентов и растворителей. Однако именно высокая химическая стабильность некоторых видов фреонов приводит к их длительному су­ществованию в атмосфере Земли. Этот фактор в сочетании с резко увеличившейся эмиссией этих галогенуглеродов послужил причиной разрушения озонового слоя в стратосфере Земли. Незамедлительная реакция международного сообщества получила отражение в Монреаль­ском протоколе по веществам, разрушающим озоновый слой, в документе, который оказал фундаментальное влияние на развитие холодильной техники в современном столел занное с усилением поиска заменителей запрещенных озоноразрущающих веществ - альтер­нативных хладагентов и разработкой новых видов холодильной техники, а также условий и средств ее эксплуатации.

Уже к 90-м годам XX в. были предложены в качестве хладагентов вещества, не содер­жащие разрушителей озона. Первым промышленным хладагентом нового типа явился R134a (SUVA 134а) для замены R12.

Значительно сложнее было найти хладагент для замены R502 и R22, т. к. для получения нужных теплофизических свойств требовались смеси горючих и негорючих веществ. В на­стоящее время подобные хладагенты созданы почти во всех областях холодильной техники

В учебном пособии рассматриваются характеристики как распространенных в настоя­щее время, так и вновь созданных хладагентов.

Лекция 1

Тема: Хладогенты и их свойства. Хладоносители и масла.

Цель: Ознакомиться с предназначением хладогентов, их классификацией и требованиями к их свойствам.

План лекции

1. Хладогенты и их свойства.

2. Влияние хладогентов на окружающую среду. Требование к хладогентам.

3. Хладоносители и масла.

ОБОЗНАЧЕНИЯ ХЛАДАГЕНТОВ

Для обозначения хладагентов используют как общие названия, применяемые в органи­ческой химии, так и специальные, В России, в соответствии с международным стандартом ИСО-817 «Органические хладагенты», допускается несколько обозначений: условное, торго­вое, химическое и химическая формула (см. прил. 1).

Условное обозначение хладагентов является предпочтительным и состоит из буквы «R» (Refrigerant) и числа. Цифры связаны со структурой молекулы хладагента и расшифровы­ваются следующим образом. Последняя цифра равна числу атомов фтора в молекуле, пред­последняя - увеличенному на единицу числу атомов водорода, третья справа - уменьшен­ному на единицу числу атомов углерода. Для производных метана она равна нулю и ее принято опускать (например, R12 - CCI2F2). Производные метана обозначаются с помощью двухзначных чисел (например, R12 - CCI2F2; R22 - CHCIF2), производные этана, пропана,бутана - с помощью трехзначных (R143 - C2H3F3; R317 - C4F7CI). В бромсодержащих хладонах к числовому обозначению добавляют букву В и цифру, равную числу атомов брома в молекуле. Например, R13B1 - CF₃Br, Начиная с галогенопроизводных этана, появляются изомеры. Симметричный изомер изображается только комбинацией цифр. По мере возрас­тания асимметрии к цифровой комбинации соответствующего изомера добавляют букву «а», при большей асимметрии ей заменяют буквой «в».

Хладагенты неорганического происхождения имеют номера, соответствующие их молекулярной массе плюс 700. Например, аммиак (NНз) обозначают как R717, воду (_H2O) - как R718, двуокись углерода (СО₂) - как R744.

Хладагентам органического происхождения присвоена серия 600, например тобутош (R600A), а номер каждого хладагента внутри этой серии обозначают произвольно.

Агеотрошше смеси, т.е. смеси, которые кипят и конденсируются при заданной темпе­ратуре как однородные вещества, имеют серию 500 с нумерацией внутри нее, например R502.

Зеотропным или неазеотропным смесям, у которых температуры кипения и конденсации изменяются в процессе фазовых превращений, присвоена серия 400 с произвольным номе­ром для каждого хладагента внутри нее, например R401A. В расшифровке этого условного обозначения указываются виды хладагентов, входящих в смесь, и их процентное содержание в смеси. Например, R401A - R22 / R152A / R124 (53 / 13 / 34). Хладагенты в обозначении располагаются в порядке повышения нормальных температур кипения.

В настоящее время все чаще букву «R» заменяют аббревиатурой группы, указывающей на степень её воздействия на окружающую среду:

ХФУ (CFC) - хладагенты, имеющие высокий потенциал разрушения озонового слоя ат­мосферы;

ГФХУ (HCFC) - переходные хладагенты, имеющие низкий потенциал разрушения озона атмосферы;

ГФУ (HFC, FC, НС и др.) - хладагенты, безвредные для озонового слоя атмосферы.

Каждый производитель хладагентов выпускает в продажу свою продукцию собст­венным названием. Некоторые из этих названий даны при описании хладагентов.

Свойства хладагентов

Хладагенты группы ХФУ (CFC)

Хладагент R12 (Хладон-12 (Россия), Freon-12 (Du Pont)) - дифтордихлорметан (CCI2F2).

Характеризуется высоким потенциалом разрушения озона (ODP=l) и большим потенциалом глобального потепления (GWP=4000). Запрещен к производству с 01 января 1996 г. Бесцвет­ный газ со специфическим запахом, в 4,18 раза тяжелее воздуха. При объемной доле его в воздухе более 30 % наступает удушье из-за недостатка кислорода. Предельно допустимая концентрация (ПДК) R12, в частности при длительности воздействия 2 ч, соответствует его объемной доле, составляющей 38,5 - 30,4 %. Невзрывоопасен, но при t > 330 °С разлагается с образованием хлорида водорода, фтористого водорода и следов отравляющего газа - фосге­на. Неограниченно растворяется в масле при температурах выше -45 °С, не проводит элек­трический ток и слабо растворяется в воде. Для герметичных машин должен содержать не более 0,0004 % (по массе) влаги. Даже небольшое количество влаги вызывает гидролиз хладонов с образованием соляной и плавиковой кислот, которые разрушают электрическую изоляцию встроенных электродвигателей и поражают коррозией элементы холодильной ма­шины. Обезвоженный R12 нейтрален ко всем металлам. Характеризуется повышенной теку­честью, что способствует проникновению его через мельчайшие неплотности и даже через поры обычного чугуна, В то же время благодаря повышенной текучести R12 холодильные масла проникают во все трущиеся детали, снижая их износ. Поскольку R12 - хороший рас­творитель многих органических веществ, при изготовлении прокладок применяют специальную резину - севанит или паронит. В прошлом R12 - один из наиболее распространенных хладагентов для получения средних температур.

В прил. 2 и 16 приводятся характеристики хладагента R12 и диаграмма Молье.

Хладагент R502 (Хладон-502) ~ азеотропная смесь хладагентов R22 и R115. Массовая R22 составляет 48,8 %, a R115 - 51,2 %. Характеризуется повышенным потенциалом разрушения озонa (ODP-0,34). Запрещен к производству с 01 января 1996 г. По большинств) JLtb R502 аналогичен RI2 и R22. Невзывоопасен, малотоксичен и химически инертен l металлам. Характерная особенность: R502 малорастворим в воде. Предельно допустимая концентрация R502 в воздухе составляет 3000 мг/м³. Объемная холодопроизводительность его выше, а температура нагнетания ниже примерно на 20 °С, чем у R22, что положительно сказывается на температуре обмотки электродвигателя при эксплуатации герметичного хо­лодильного компрессора. Хладагент R502 ранее широко применялся в низкотемпературных компрессионных холодильных установках.

В прил. 4 приводятся характеристики хладагента R502.

Хладагенты группы ГФХУ (HCFC) (переходные хладагенты)

Хладагент R22 (Хладон-22 (Россия), Freon-22 (Du Pont)) - дифторхлорметан. Экологи­ческие свойства R22 значительно лучше, чем у R12 и R502. Это бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, более ядовит, чем R12, неврывоопасен и негорюч. По сравнению с R12 хладагент R22 хуже растворяется в масле, но легко проникает через неплотности и нейтрален к металлам. При температуре выше 330 °С в присутствии металлов R22 разлагается, образуя те же вещества, что и R12. Хладагент R22 слабо растворяется в воде, объемная доля влаги в нем не превышает 0,0025%. R22 имеет более высокое давление конденсации и температуру нагнетания. Предельно допустимая концентрация R22 в воздухе составляет 3000 мг/м при длительности воздействия 1 ч. Этот хладагент широко применяют для получения низких температур в холодильных компрессионных установках, в системах кондиционирования и тепловых насосах. В холодильных установках, работающих на R22, необходимо использо­вать минеральные или алкилбензольные масла. Нельзя смешивать R22 с R12, т.к. образуется азеотропная смесь.

По энергетической эффективности R502 и R22 достаточно близки. Холодильную уста­новку, использующую в качестве рабочего тела R502, можно адаптировать к применению R22. Однако R22 имеет более высокое давление насыщенных паров и, как следствие, более высокую температуру нагнетания.

В прил. 3 и 11 приводятся характеристики хладагента R22 и диаграмма Молье.

Хладагенты R401A, R401B - переходные (сервисные) смеси среднего давления R401 А, торговая марка SUVA MP39, и R401B - SUVA MP66 (Du Pont) - предназначены для замены хладагента R12 в действующем оборудовании. Представляют собой трехкомпонентные сме­си хладагентов R22, R152A и R124.

R401 A: R22 - 53 %; R152A - 13 % и R124 - 34 %

R401B: R22 - 61 %; R152A - 11 % и R124 - 28 %.

Состав каждой смеси подобран таким образом, чтобы были достигеуты или улучшены первоначальные эксплуатационные характеристики холодильной установки.

R401A эффективны в системах, работающих при температуре кипения -20 °С и выше Применение их в прилавках-витринах продуктовых магазинов, бытовых холодильниках в ряде случаев приводит к увеличению холодопроизводительности до 10 %. В отличие от аль щишинных хладагентов, использующих полиолэфирные масла, для их работы требуются алкилбензольные масла, не предъявляющие высоких требований при замене хладогентов. Основная особенность сервисных оаонобезопасных смесей связана с их неизотермичностью или глайдом температуры: в процессе кипения при постоянном давлении их температура ки­пения повышается и напротив, в процессе конденсации она снижается. Разница температур на входе а выходе аппаратов (температурный глайд) составляет 4-5 °С. Это расширение от входа к выходу испарителя (или конденсатора) происходит в результате постеленного раз­дельного выпаривания (конденсации) компонентов смеси.

R401B применяется для холодильных систем, работающих при температуре кипения ниже -23 °С (до -30 °С). Холодопроизводительность установок при работе на этой смеси ос­тается сопоставимой с холодопроизводительностью установок, работающих на R12, а в не­которых случаях увеличивается до 15 %. Данная смесь применяется для работы транспорт­ного холодильного оборудования, а также бытовых и торговых морозильных камер. R401B также работает на алкилбензольном масле и относится к озонотропным смесям.

В прил. 15 приводится диаграмма Молье для R401 А, а в прил. 17 даны сравнительные показатели температур и давлений между R12 и R401B.

Хладагент R409A (FORANE FX56) - трехкомпонентный сервисный хладагент, предна­значенный для замены R12 в переходный период. Теплофизические и эксплуатационные ха­рактеристики у R409A и R12 в рабочей области температур эквивалентны. Практически не­горюч. Для работы требуется минеральное или алкилбензольное масло, С R409 более эффек­тивен теплообмен в аппаратах, что приводит к снижению эксплуатационных затрат в холо­дильной системе.

Для R409A характерна большая гигроскопичность по сравнению с R12. Поэтому при за­мене следует учитывать способность R409A активно поглощать влагу из воздуха. При заме­не рекомендуется заправлять R409 в малых холодильных машинах на 20 % меньше, чем R12, т.к. избыточное количество хладагента в системе приводит к повышению давления нагнета­ния. В крупных холодильньгх системах целесообразно уменьшать дозу заправки хладагента R409A по сравнению с R12 на 10 %, т.к. теплопритоки по отношению к холодопроизводи-тельности незначительны и не могут, ввиду инертности системы, заметно повлиять на ее ра­боту.

В прил. 8 приводятся характеристики хладагента R409A.

Хладагенты R402A, R402B - переходные (сервисные) смеси высокого давления R402A (SUVA HP80) и R402B (SUVA HP81) (Du Pont), предназначенные для замены R502 в низко­температурной технике - представляют собой трехкомпонентные смеси хладагентов: R22, R125 и R290.

R402A: R22 - 38 %; R125 - 60 % и R290 - 2 %

R402B: R22 - 60 %; R125 - 38 % и R290 - 2 %,

R402A при температуре кипения до -40 °С обеспечивает такие же рабочие характеристи-Н ки холодильной установки, что и R502, и такую же или более низкую температуру нагнетания.

В тех случаях, когда требуется увеличить холодопроизводительность установки, R502 заменяют на R402B. Однако следует иметь в виду, что если температура кипения доходит до -40⁰ С, ^температуре нагнетания может быть на 15⁰ С выше, чем у R502, и это может отрицательно сказаться на качестве смазки и повысить износ компрессора. Указанные трехкомпонентные смеси хладагентов R402 нельзя смешивать с заменяемым хладагентом R502, а смеси R401 - с хладагентом R12.

Для смесей высокого давления температурный глайд будет несколько ниже (3 °С) по сравнению со смесями среднего давления, т.к. они работают на алкилбензольных маслах, смешиваемых с минеральными.

Все рассмотренные сервисные смеси рассчитаны на использование в переходный период в течение 20 - 30 лет.

В прил. 18 даны сравнительные показатели температур и давлений для R502 и R402A, R402B.

3.3. Хладагенты группы ГФУ (HFC, FC, НС и др.) (озонобезопасные хладагенты)

Хладагент R134a (SUVA 134а). Химическая формула CF3CFH2 (тетрафторэтан). Моле­кула R134a имеет меньшие размеры, чем молекула R12, что повышает опасность утечек.

Хладагент R134a нетоксичен и не воспламеняется во всем диапазоне температур экс­плуатации. Однако при попадании воздуха в систему и последующем сжатии могут образо­вываться горючие смеси. Не следует смешивать R134a с R12, т.к. образуется азеотропная смесь высокого давления с одинаковыми массовыми долями компонентов 50 % и 50 %. Дав­ление насыщенного пара этого хладагента несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,16 и 1,08 МПа при 45 °С). Пар R134a разлагается под влиянием пламени с образованием отрав­ляющих и раздражающих соединений, таких как фторводород.

В среднетемпературном оборудовании (температура кипения -7 °С и выше) R134a имеет эксплуатационные характеристики, близкие к R12.

Для R134a характерны небольшая температура нагнетания (она в среднем на 8 - 10 °С ниже, чем дл R12) и невысокие значения давления насыщенных паров.

В холодильных установках, работающих при температурах кипения ниже -15 °С, холо­дильный коэффициент R134a хуже, чем у R12 (на 6 % меньше удельная объемная холодопроизводительность при -18 °С). Из-за значительного потенциала глобального потепления GWP, рекомендуется применять R134a в герметичных холодильных системах. R134a широко используется во всем мире в качестве основной замены R12 для холодильного оборудования, работающего в среднетемпературном диапазоне. Его применяют в автомобильных конди­ционерах, бытовых холодильниках, торговом холодильном среднетемпературном оборудо­вании, промышленных установках, системах кондиционирования воздуха в зданиях и про­мышленных помещениях, а также на холодильном транспорте.

Особенностью альтернативных озонобезопасных хладагентов, в частности R134a, является их плохая взаимная растворимость с существующими минеральными, алкилбензольными и уг­леводородными маслами. Для холодильных машин на этих хладагентах разработаны новые син­тетические полиолэфирные масла различной вязкости, отличающиеся химической совместимо­стью с хладагентами, хорошими связывающими свойствами. Главным достоинством этих масел является хорошая растворимость, в том числе при низких температурах, в жидкой фазе всех озо­нобезопасных хладагентов, что гарантирует устойчивую циркуляцию масла в системе, недостатком - большая. Поэтому необходимо проявлять крайнюю осторожность при обращении с системой и ее сушке, не оставлять открытой емкость с маслом ПОЭ.

Характеристики и диаграмма Молье хладагента приведены в прил. 7 и 13.

Хладагент R404A (SUVA HP62; FORANE FX70; Meforex M55; Reclin 404A)

R404A - экологически безопасный хладагент, представляющий собой многокомпонент­ную смесь, имеет нулевой ODP. Обладает высокой производительностью при низких темпе­ратурах. К отрицательным свойствам следует отнести высокое значение GWP и требование применения полиолэфирных масел. Утечки этой смеси приводят к изменению состава и свойств хладагента, поэтому требуют специальной подготовки при обслуживании. Хими­ческая совместимость хладагентов R134a, R404A с большинством деталей существующих холодильных систем не отличается от химической совместимости с ними хладагентов группы ХФУ, однако некоторые эластомеры плохо взаимодействуют с альтернативными хладагентами и маслами, в связи с чем это свойство необходимо проверять в каждом кон­кретном случае.

Характеристики и диаграмма Молье приведены в прил. 9 и 14.

Характеристики хладагента R407C приведены в прил. 10.

Хладагент R717 (аммиак, NH3). С термодинамической точки зрения аммиак очень хо­роший хладагент. Теплообменные аппараты, работающие на аммиаке, обеспечивают высо­кие значения коэффициентов теплоотдачи, более эффективные энергетические показатели холодильных установок.

Аммиак слабо растворяется в масле и очень хорошо в воде. При эксплуатации нужно учитывать, что попадание влаги в систему хладагента образует гидроокись аммония, которая при взаимодействии с маслом компрессора создает осадок и загрязняет компрессор, т.к. в ее присутствии аммиак вступает в реакцию с цинком, медью и ее сплавами. Поэтому цинк, медь и ее сплавы для деталей аммиачных холодильных установок не применяют. На черные металлы аммиак не действует. Имеет нулевой ODP.

Хладагент R717 - бесцветный газ с резким удушливым запахом, вызывает раздражение слизистой ободочки глаз и дыхательных путей. Пребывание более получаса в атмосфере с концентрацией 0,5 - 1 % может привести к смертельному исходу. ПДК аммиака в воздухе машинного отделения составляет 0,02 мг/л. В пожарном отношении воздушно-аммиачные смеси с концентрацией аммиака 16-25 % взрываются при соприкосновении с открытым пламенем.

В связи с повышенной токсичностью, пожаро- и взрывоопасностью аммиак в 80-е гг. был полностью изъят из морского рефрижераторного флота и только в настоящее время, в связи с требованиями озонобезопасности и отсутствием влияния на глобальное потепление, аммиачные установки вновь нашли свое применение на морских судах, а также в стационар­ной энергетике.

Учитывая весьма непростые характеристики аммиака, сочетающие высокие экологиче­ские и термодинамические качества с пожаро- и взрывоопасностью и токсичность, его использование основано на принципиально новых конструктивных решениях и современных технологических достижениях. Создание нового поколения аммиачных установок идет по пути разработки безопасных систем, специального противопожарного исполнения элементов холодильной установки, использования новых синтетических масел, применения эффективных пластинчатых теплообменников, резкой минимизации аммиакоемкости систем (50+70 г на 1 кВт холодопроизводительности), совершенствования методов контроля и сигнализации о концентрации аммиака и т.д.

Характеристики аммиака и диаграмма Молье хладагента R717 приведены в прил. 5 и 12.

Хладагент R600A (изобутан СH(CНз)₂-СНз) - природное вещество, совместимое с ми­неральными маслами. Изобутан - горючее вещество, поэтому для его применения использу­ют герметичные компрессоры (Ярославское АО «Холодмаш») с безыскровой пускозащитной аппаратурой. Изобутан не боится влаги, не создает опасности коррозии. R600A -озонобезопасен, обладает нулевым потенциалом глобального потепления. Нетоксичен, не образует фосгена. Совместим с используемыми в отечественной холодильной технике мате­риалами. В цикле с изобутаном давления при высоких температурах более низкие, чем у R12 и R134a. Теплота парообразования изобутана в два раза превышает аналогичный показатель для R12.

Термодинамические свойства R600A на линии насыщения приведеомны в прил. 6.

Контрольные вопросы

1. Почему некоторые виды фреонов влияют на озоновый слой атмосферы Земли?

2. Назовите схему разрушения озона?

3. Назовите озоноразрушающие вещества наиболее распространенные в холодильной технике.

4. Как определяется озоноразрушающая активность хладагентов?

5. Какие хладагенты считаются полностью озонобезопасными?

6. С какого года запрещено производство всех озоноопасных хладагентов.

7. Назовите требования, предъявляемые к хладогентам.

8. Как производится обозначение хладагентов?

9. Свойства хладагентов R12, R502.

10. Свойства хладогентов R134a, R717.

 

 

Литература: [2] стр. 6-13;

                   [5] стр. 5-31;

                   [4] стр. 3-33.

Лекция 2-3

План лекции

1.Физические и термодинамические основы охлаждения, цикл Карно и его холодильный коэффициент.

2.Состав судовых холодильных машин, структурные схемы и рабочии циклы.

3.Двухступенчатое сжатие хладогентов, циклы холодильных машин с неполным и полным промежеточным охлаждением.

Исходные понятия. Термодинамические величины

Любое тело в природе находится в постоянном движении, которое количественно оценивается энергией - мерой форм движения. Энергия тела обусловлена суммой механической и внутренней энергии. Положение тела в пространстве и его скорость определяют механическую энергию, а скорости движения частиц (атомов и молекул) и их взаимное расположение - внутреннюю энергию. Эти величины позволяют оценить роль тела в протекании тепловых процессов. По аналогии с механической энергией тел внутреннюю энергию принято разделять на кинетическую энергию теплового движения и потенциальную энергию взаимодействия молекул тела. Необходимо отметить, что отдельно взятая молекула в каждый момент времени обладает некоторой мгновенной скоростью и положением среди других частиц, т. е. определенными значениями кинетической и потенциальной энергии, которые ее отличают от других молекул. Поэтому, оценивая состояние вещества, говорят о средних значениях кинетической и потенциальной энергий молекул.

При нагревании тела внутренняя энергия увеличивается, так как возрастает средняя скорость движения молекул. При охлаждении тела движение молекул замедляется и его внутренняя энергия уменьшается.

Степень нагрева тела характеризуется его температурой, которая является мерой средней кинетической энергии теплового движения молекул. Состояние тела, при котором тепловое движение атомов и молекул прекращается, соответствует абсолютному нулю температуры. Температура T, определенна по шкале с абсолютным нулем, называется абсолютной температурой и измеряется в Кельвинах (К). На практике, как правило, пользуются температурной шкалой в градусах Цельсия, в которой за нулевую точку условно принято состояние таяния льда при атмосферном давлении tв. Абсолютная температура в Кельвинах (К) и температура в градусах Цельсия (°С) связаны соотношением

T=tв+273,15

В отличие от средней кинетической энергии теплового движения молекул, их средняя потенциальная энергия связана с удельным объемом тела. При изменении объема меняются расстояния между молекулами, что приводит к изменению средней потенциальной энергии и взаимодействия.

На практике часто объем V, м³ занимаемый веществом, относят к его массе m, кг, и называют удельным объемом ν, м³/кг:

ν = V /m.

Величина р, обратная удельном объему, называется плотностью вещества. Она численно равна массе вещества, содержащемуся в единице объема, кг/м³:

ρ=m/V

Молекулы газа при хаотическом движении сталкиваются с ограничивающими его стенками. При каждом соударении возникает импульс силы, действующей на ограничивающую поверхность. Среднее по времени значение силы, обусловленное ударами о стенку всех молекул, определяет давление газа р. Чем выше средняя скорость молекул, т. е. средняя кинетическая энергия, и чем больше молекул в единице объема, тем чаще и с большей энергией будут происходить на единице площади удары молекул и тем выше давление газа. Таким образом, давление р есть сила, равномерно действующая на поверхность, отнесенная к единице площади этой поверхности. За единицу измерения принят паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м². Эта единица мала и неудобна для пользования, поэтому для измерения давлений применяют кратные единицы: килопаскаль (1 кПа =10³ Па), мегапаскаль (1 МПа =10⁶ Па).

Температура, объем, и давление характеризуют внутреннюю энергию вещества. Абсолютное значение внутренней энергии оценить невозможно, так как для нее не определена абсолютная нулевая точка отсчета. Поэтому оценивают только изменения этой энергии, связанные с переходом вещества из одного состояния в другое, т. е. разность энергии в конечном и начальном его состояниях. Изменение внутренней энергии при переходе тела из одного состояния в другое равно работе внешних сил плюс количество переданной теплоты - так формулируется первый закон термодинамики.

Характерным примером увеличения внутренней энергии только за счет работы внешних сил служит сжатие газа в цилиндре, в результате чего повышается давление, температура, изменяется объем газа. Расширение сжатого газа в цилиндре вызывает перемещение поршня, который совершает работу. Температура и давление газа падают, увеличивается его объем - это приводит к уменьшению внутренней энергии. Примером изменения внутренней энергии без совершения работы служит нагрев тела на плите либо охлаждение в холодильнике.

Процесс изменения внутренней энергии, при котором над телом не совершается работа, а энергия передается между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку, называют теплопередачей.

Количество внутренней энергии, которое тело получает или теряет при теплопередаче, называют количеством теплоты. Количество теплоты измеряют в джоулях (Дж), и оно показывает, на сколько изменилась внутренняя энергия вещества при подводе или отводе теплоты. 1 Дж равен работе, совершаемой силой в 1 H при перемещении тела на расстояние 1 м в направлении действия силы. На практике применяют и другую единицу для измерения количества теплоты - калорию.

Количество теплоты, переданное телу при нагревании, зависит от состава вещества, из которого состоит тело, его массы и степени нагрева. Одинаковое изменение температуры у разных веществ равной массы требует различное количество подведенной теплоты.

Для оценки свойства тела аккумулировать подведенную теплоту вводят понятие удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость - это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К. Удельная теплоемкость показывает, на сколько джоулей увеличивается внутренняя энергия 1 кг тела при нагревании на 1 °С. Например, удельная теплоемкость свинца 130 Дж/(кг*К), а воды - 4200 Дж/(кг*К).

Таким образом, общее количество подведенной к телу теплоты Q, Дж, для различных температур

                Q =С_рm(T_кон-Т_нач)

              где    С_р - удельная теплоемкость,

                         Дж/(кг*К);

                       m - масса, кг;

T_кон,Т_нач - температуры соответственно конечная и начальная, К.

Отметим, что Q и С_р характеризуют только изменение, а не саму внутреннюю энергию вещества.

Количество подведенной к телу теплоты можно определить и другим способом. Немецкий физик Клаузиус открыл, что подобно энергии, давлению, температуре существует некоторая величина s - энтропия, которая также характеризует состояние тела. Энтропия устанавливает связь между температурой тела и количеством переданной теплоты и измеряется в джоулях на кельвин (Дж/К).

Энтропия, отнесенная к единице массы, называется удельной и выражается в джоулях на килограмм-кельвин.

Количество подведенной (отведенной) теплоты к 1 кг массы тела, выраженное через удельную энтропию,

                    

                       Q=Tm(S_кон-S_нач)

 

        где Т - средняя температура тела, К; m - масса, кг;

        S_кон,S_нач - удельные энтропии соответственно в конце и начале теплообмена, Дж/(кг.К).

Энтропия обладает замечательным свойством оценивать необратимые потери в термодинамических процессах.

Для оценки количества теплоты, которым располагают тела в различных состояниях, используется термодинамическая величина - энтальпия, значение которой отсчитывают от некоторого условного состояния вещества, принятого за нулевое. Энтальпия - это количество энергии (тепловой и механической), которое необходимо подвести к телу, чтобы оно перешло из условного начального в конечное состояние. Единица энтальпии джоуль (Дж). Энтальпия, отнесеная к единице массы, называет удельной и измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Лекция 4-5

План лекции

1.Классификация компрессоров. Рабочие процессы, теоретические и действительные процессы, подача и мощность компрессора.

2.Влияние эксплуатационных факторов на показатели работы компрессора.

3.Тепловой расчет одноступенчатого компрессора, определение подачи, мощности и холодопроизводительности. Выбор компресора по каталогу на основании полученных расчетных данных.

4.Теплообменные аппараты. Конденсаторы, их классификация, конструкция и расчет.

5.Испарительные аппараты и вспомогательное оборудование.

Классификация компрессоров

Слово компрессор происходит от "компрессии" (латинское соmpressio - сжатие - силовое воздействие на газообразное тело, приводящее к уменьшению занимаемого им объема, а также к повышению давления и температуры). В холодильной машине компрессор служит для отсасывания паров хладагента из испарительной части (испарителя), их сжатия и нагнетания в конденсатор.

По принципу действия различают объемные лопаточные и струйные компрессоры. В объемных компрессорах объем, занимаемый парами, сжимают, уменьшая его, а затем нагнетают в сторону высокого давления холодильной машины (конденсатор). В лопаточных компрессорах пары хладагента перемещаются через проточную часть компрессора под воздействием вращающихся лопаток. Струйные компрессоры работают по принципу струйных насосов.

По конструктивным особенностям различают компрессоры поршневые, винтовые, пластинчатые, ротационные и др., основанные на объемном принципе действия. В лопаточных компрессорах, к которым относятся радиальные, осевые и вихревые, использован динамический принцип действия.

В судовых холодильных установках наибольшее распространение получили компрессоры поршневые, винтовые и ротационные (рис. 2.1).

По конструктивным признакам компрессоры классифицируют на компрессоры простого и двойного действия (рис. 2.1, а, б), по числу цилиндров - на одно- и многоцилиндровые. В зависимости от направления движения паров хладагента в цилиндре компрессоры разделяют на непрямоточные и прямоточные (рис. 2.1,0, г), по расположению цилиндров - на горизонтальные, вертикальные, с V-образным и W-образным расположением цилиндров (рис. 2.1, е, ж). На судах применяются в основном компрессоры вертикальные и с V-образным и W-образным расположением цилиндров (угловые).

В компрессорах двойного действия (см. рис. 2.1,6) сжатие паров хладагента обычно осуществляется в полостях с обеих сторон поршня. В компрессорах простого действия (см. рис. 2.1, а) пары сжимаются только с одной стороны поршня, другая полость цилиндра сообщается с картером компрессора.

В прямоточных компрессорах (см. рис. 2.1, г) пары в цилиндре движутся в одном направлении в течение всего цикла. Всасывающий клапан размещается в днище поршня, нагнетательный - в крышке цилиндра. В непрямоточных компрессорах (см. рис. 2.1, в) движение пара совпадает с направлением движения поршня.

Двухступенчатые поршневые компрессоры судового типа чаще всего выпускают в однокорпусном исполнении, как показано на (рис. 2.1, г, 6) где низкая ступень НС, высокая ступень ВС. Диаметр цилиндра высокой ступени меньше диаметра цилиндра низкой ступени (см. рис. 2.1, д). В другом варианте (см. рис. 2.1, е, ж) двухступенчатый компрессор имеет одинаковые размеры цилиндров низкой и высокой ступени, но количество цилиндров, работающих в низкой ступени, больше (3:1, 6:2 и т. д.).

Если компрессор приводится в действие от отдельного электродвигателя с помощью клиноременной передачи или непосредственно от вала электродвигателя через муфту (рис. 2.1,з), то при таком исполнении устанавливают сальник коленчатого вала в месте выхода его из картера. Сальник является слабым звеном компрессора, поэтому выпускают компрессоры бессальниковые (рис. 2.1, и) и герметичные (рис. 2.1, к). Отсутствие сальника повышает надежность работы компрессора.

При работе компрессора необходимо учитывать следующее. Он работает в широком диапазоне изменения давлений в конденсаторе и испарителе; хладагент, взаимодействуя со смазочным маслом, нередко изменяет его свойства. Всасываемый пар может иметь низкую температуру. Утечки хладагента из компрессора в атмосферу, как и подсос воздуха в компрессор, недопустимы. При конструировании компрессоров необходимо учитывать химические и физические свойства хладагента. Так, в аммиачных холодильных машинах нельзя использовать медь и его сплавы.

К компрессорам предъявляются следующие требования: высокая надежность, достаточный моторесурс деталей и у