5.1.1. Диаграммы холодильных агентов

Эксплуатация холодильной установки невозможна без правильного понимания термодинамических процессов, происходящих в ней. Изучение отдельных процессов, входящих в цикл паровой компрессионной машины, а также связи между ними, их взаимного влияния друг на друга может быть значительно упрощено при использовании термодинамических диаграмм холодильных агентов. Умение пользоваться диаграммами необходимо также для контроля и анализа параметров действующих холодильных установок; настройки приборов автоматического контроля и регулирования; расчета и подбора холодильного оборудования при реконструкции и расширении действующих установок.

    Для каждого холодильного агента существуют свои диаграммы, но принцип их построения и пользования ими одинаков. На рис. 53, 54, 55 приведены диаграммы для аммиака и хладонов R-12 и R-22. Наиболее часто применяемыми являются диаграмма энтальпия-давление (l — lgP диаграмма) и диаграмма энтропия-температура (S — T диаграмма), из которых диаграмма энтальпия-давление наиболее удобна, и именно она будет рассматриваться в дальнейшем.

Диаграмма i-lgP для аммиака

Диаграмма i-lgP для хладона-12 и для хладона-22

Искусственное охлаждение в паровых холодильных машинах основано на процессе кипения холодильных агентов при низких температурах, в результате чего они переходят из жидкого состояния в пар, поглощая определенное количество теплоты. Чтобы процесс искусственного охлаждения был замкнутым и повторяющимся, пар холодильного агента сжимается, а затем конденсируется путем охлаждения. Таким образом, в холодильной машине происходят два процесса фазового перехода хладагента: из жидкости в пар — кипение и из пара в жидкость — конденсация. Эти два процесса и отражены на всех диаграммах. На рис. 56-а показано, что диаграмма разделена на три зоны, отделенные друг от друга кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара.

Зона переохлажденной жидкости означает, что в любой точке этой зоны хладагент находится в жидком состоянии при температуре ниже температуры насыщения при соответствующем давлении.
   Зона влажного пара соответствует процессам перехода из жидкости в пар или из пара в жидкость. В любом случае хладагент представлен в виде парожидкостной смеси, называемой влажным паром. Таким образом, влажный пар — это смесь насыщенной жидкости и насыщенного пара, которая находится либо в состоянии кипения, либо в состоянии конденсации. Температура смеси насыщенных пара и жидкости одинакова и называется температурой насыщения при определенном давлении насыщения.
   Фазовый переход от жидкости к пару на диаграмме проходит слева направо, а из пара в жидкость — справа налево. Содержание (долю) пара в парожидкостной смеси отражают линии постоянного паросодержания — х. Они показывают массовую долю пара в парожидкостной смеси в долях единицы (рис. 56-б). На линии насыщенной жидкости паро-содержание х = 0, на линии насыщенного пара х = 1, в области влажного пара 1>x>0.
   Зона перегретого пара отражает состояние пара, температура которого выше температуры насыщения при соответствующем Р.

    На пограничных кривых насыщенных жидкости или пара хладагент имеет параметры насыщения, но при этом представляет собой уже однородную фазу, т. е. либо жидкость, либо пар.

    При эксплуатации очень важно отличать по показаниям контрольно-измерительных приборов переохлажденную жидкость от насыщенной, а перегретый пар — от влажного или насыщенного пара, так как от этого зависят эффективность и безопасность работы установки. При одном и том же P насыщенная жидкость, влажный пар и насыщенный пар имеют одинаковую t, переохлажденная жидкость — более низкую, а перегретый пар — более высокую t. Таким образом, показания манометров при всех перечисленных состояниях будут одинаковые, а термометров — разные.

    Диаграмма энтальпия-давление отражает шесть параметров холодильного агента, которые изображены в виде различных линий (рис. 56, б). Цифровые значения основных параметров даны в удельных величинах, т. е. отнесенные к 1 кг хладагента, и проставлены на поле диаграммы над соответствующими кривыми.

    Линии постоянных паросодержаний проходят только в области влажного пара. Паросодержание обозначается символом х.

Изображение в диаграмме i-lgP параметров холодильных агентов

    Линии постоянных давлений — изобары — проходят через все зоны горизонтально. Логарифмический масштаб в изображении изобар применен из-за неравномерности шкалы давлений в области вакуума и избыточного давления. Величина абсолютного давления в Па•105 или в МПа, проставленная на вертикальной шкале слева диаграммы, обозначается символом Р.
    Линии постоянных температур — изотермы — в области переохлаждения проходят почти вертикально, в области влажного пара — горизонтально. Здесь изотермы совпадают с изобарами, так как фазовое состояние хладагент меняет при постоянных значениях t и Р. В зоне перегретого пара изотермы идут наклонно вниз. Значения t в °С расположены рядом с кривыми постоянной температуры в зонах переохлаждения и перегрева, а также на кривых насыщенной жидкости и пара.
    Линии постоянных удельных энтальпий (постоянных теплосодержаний) проходят вертикально. Удельной энтальпией называют полную энергию 1 кг рабочего тела, равную сумме удельной внутренней энергии и потенциальной энергии давления. Важно отметить, что в термодинамическом процессе при постоянном Р изменение удельной энтальпии равно удельному количеству подведенной теплоты. Это положение является основой тепловых расчетов холодильного оборудования. Значения удельной энтальпии в кДж/кг проставлены на горизонтальной шкале внизу и вверху диаграммы и обозначены символом i.
    Линии постоянных удельных объемов — изохоры — обозначены прерывистыми кривыми, проходящими в областях влажного и перегретого пара. В области жидкости изохоры не нанесены из-за слишком малого объема жидкости по сравнению с объемом пара, что трудно показать в масштабе диаграммы. Поэтому удельный объем жидкого хладагента по диаграмме не определяется. Его можно определить по таблице насыщенных паров хладагента. Значения удельных объемов в м3/кг проставлены в зонах влажного и перегретого пара над соответствующими кривыми и обозначены символом v.
    Линии постоянных удельных энтропии — адиабаты — проходят через поле диаграммы по диагонали. Энтропия — функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой. Значение энтропии в кДж/(кг•К) приведены над соответствующими кривыми и обозначены символом S.
    Каждой точке на поле диаграммы соответствует состояние хладагента со строго определенными параметрами. Если две точки соединить линией, то она укажет на характер процесса, протекающего между двумя состояниями. В некоторых диаграммах холодильных агентов средняя часть диаграммы в области влажного пара может быть опущена, так как параметры хладагентов в этой зоне не представляют интереса для анализа и расчетов холодильных установок.