7835

деления возникают значительные центростремительные ускорения, способные влиять на тепловые скорости молекул газа. И, таким образом, при движении молекул от периферии вихря к оси они преодолевают центростремительное ускорение, что приводит к уменьшению средней скорости молекул приосевых слоев вихря, а, следовательно, к уменьшению термодинамической температуры газа этих слоев.

Так как закрученный поток находится в равновесии, то такое же количе-

ство молекул движется в обратном направлении от оси вихря к его периферии.

Но здесь направление теплового движения молекул совпадает с направлением центростремительного ускорения, за счет чего скорость теплового движения увеличивается, что в конечном итоге ведет к увеличению термодинамической температуры периферийных слоев газа.

Эффективность охлаждения Х с помощью вихревого эффекта оценива-

ется отношением разности между конечной и начальной температурами потока при охлаждении в трубе Ранка к изоэнтропической разности температур потока при том же перепаде давлений:

где T1 , P1 - абсолютная температура и давление входящего в трубу воздуха;

TХ , PХ - абсолютная температура и давление холодного воздуха.

При расширении в вихревой трубе на 1 кг поступающего газа приходится

кг холодного потока ( -отношение массы холодного потока к массе всего потока на входе в трубу) Поэтому действительная эффективность охлаждения с помощью вихревого эффекта меньше величины Х и оцениваются произведе-

нием Х .

Испарение жидкости. Температура кипения и конденсации жидкости яв-

ляется функцией давления; причем, чем ниже давление, тем ниже температура

41

кипения. В качестве хладагентов часто используют вещества, которые при вы-

соком давлении и при температуре окружающей среды могут быть превращены в жидкость. Испарение этой жидкости при низком давлении происходит при температуре ниже температуры окружающей среды.

К наиболее распространенным хладагентам относятся аммиак, углекисло-

та, сернистый ангидрид, пропан, фреоны. Десорбция газов из растворов. Мно-

гие газы хорошо растворяются в жидкостях, например, аммиак в воде, углекис-

лота в спирте и т.д. Растворимость газов в жидкостях возрастает с увеличением давления пропорционально этому давлению.

Выделение газа из жидкости, так же как и испарение, сопровождается резким увеличением объема и отводом тепла растворения. Разработаны методы получения холода, основанные на десорбции газов из растворов. Этот процесс,

например, использован в циклах водноаммиачных абсорбционных холодиль-

ных машин и в разомкнутых холодильных системах с использованием раство-

ров углекислоты в этиловом спирте.

Количество теплоты растворения и соответственно теплоты десорбции в первом приближении могут быть приняты равными, конденсации при тех же значениях давления.

Десорбция газов, поглощенных твердыми телами. Пористые твердые тела с развитой поверхностью, называемые адсорбентами, обладают способностью поглощать газы. Иногда такое поглощение сопровождается образованием не-

стойких химических соединений (комплексов).

Адсорбция газов твердыми телами увеличивается с ростом давления. При снижении давления происходит десорбция газа, сопровождающаяся отводом тепла; этот процесс может быть использован для получения холода. В холо-

дильной практике используют процесс поглощения аммиака хлористым каль-

цием и силикагелем.

Термоэлектрический эффект (открыт Пелтье) основан на следующем фи-

зическом явлении: если через цепь, состоящую из двух разных проводников,

42

пропустить электрический ток, то один спай охлаждается, а второй - нагревает-

ся.

где - коэффициент, определяющий величину термоэлектродвижушей силы при разности температур горячего и холодного спаев 1 C .

Магнитно-электрический эффект, основанный на взаимодействии маг-

нитного поля и молекул паромагнитных веществ, используют только при необ-

ходимости получения температур, близких к абсолютному нулю.

В системах кондиционирования воздуха наиболее широкое применение получил способ получения пониженных температур при помощи испарения жидкостей.

Рассмотрим парокомпрессионный холодильный цикл. Схема пароком-

прессионного холодильного цикла с передачей холода потребителю с помощью хладоносителя и графическое изображение цикла в р-i координатах приведены на рис. 10. Цикл осуществляется в системе, состоящей из компрессора К, кон-

денсатора Kо, дроссельного вентиля ДВ, испарителя И, рассольного насоса РН и потребителя холода - холодильной камеры ХК. Система работает следующим

Рисунок 10. Парокомпрессионный холодильный цикл

43

образом: пары хладагента с параметрами T1 , P1 забираются коффессором К сжимаются до состояния характеризуемого точкой 2 (см. рис. 10) охлаждаются

(линия 2-2), а затем конденсируются (линия 2-3) и переохлаждается (линия 3-3)

в конденсаторе Kо. Переохлажденная жидкость дросселируется до давления

P4 P1 (линия 3-4), а затем испаряется в испарителе

И(линия 4-1).

Вцикле холодильной машины отводится теплота qo (линия 4-1) от охла-

ждаемого тела или среды при низкой температуре кипения хладагента. Затем воде или воздуху передается теплота q1 (линия 2-3) путем конденсации паров хладагента при более высоком давлении и температуре. Для осуществления та-

кой передачи тепла затрачивается работа Al , которая превращается в теплоту и передается окружающей среде.

Для 1 кг циркулирующего хладагента могут быть записаны следующие

Холодильный цикл парокомпрессионной холодильной машины связан с изменением фазового состояния холодильного агента при подводе и отведении тепла. Последнее является основным свойством, обуславливающим возмож-

ность использования того или иного вещества в качестве холодильного агента.

Кроме того, холодильные агенты должны быть безвредны, взрывобезопасны,

инертны в отношении металлов, иметь умеренное давление в области рабочих температур и хорошую термодинамическую характеристику.

Для установок кондиционирования воздуха первые два свойства являют-

44

ся главными. Благодаря взрывобезопасности холодильной установки ее воз-

можно, располагать непосредственно в обслуживаемом здании.

Режим работы холодильной машины определяется следующими тремя основными температурами:

1. температурой испарения to , которую принимают несколько ниже температу-

ры охлаждаемой среды в испарителе (воды или рассола);

2. температурой конденсации tк , которую принимают несколько выше темпера-

туры охлаждающей воды (или воздуха) в конденсаторе.

3. температурой переохлаждения жидкого хладагента перед регулирующим вентилем t р .

Постоянным температурам испарения и конденсации соответствуют определенные постоянные давления, создаваемые компрессором: на стороне всасывания - давление испарения po на стороне нагнетания - давление конден-

саций pк . Отношение pк к po называется степенью сжатия газа.

Для установок кондиционирования воздуха с промежуточным хладоноси-

телем (водой или рассолом) необходимая температура испарения хладагента обычно находится в пределах 10 5 C . Для установок кондиционирования,

в которых воздух непосредственно охлаждается в испарителе, температура ис-

парения не выходит за пределы 10 5 C . Такие относительно высокие тем-

пературы испарения позволяют использовать для сжатия паров хладагента од-

ноступенчатые поршневые компрессоры, а также трубокомпрессоры с 3-4 сту-

пенями. В зависимости от способов сжатия паров применяют различные виды хладагентов.

Для поршневых компрессоров используют следующие хладагенты: фре-

он, аммиак, сернистый ангидрид, хлорометил.

В практике кондиционирования воздуха наибольшее распространение получил фреон-12. Это вещество не имеет запаха, ни цвета, при обычной тем-

пературе безвредно, не горит и не взрывается. При температуре 550 C фреон-

45

12 разлагается с образованием фосгена. Безводный фреон-12 инертен к метал-

лам применяемым в машиностроении. Недостатком фреона-12 является повы-

шенная способность растворения смазочных масел. Кроме того отсутствие за-

паса при повышенной проницаемости фреона создает трудности обнаружения его утечки вследствие чего предъявляются высокие требования к плотности всех соединений установки.

4. Процессы обработки воздуха в поверхностных теплообменниках

Под поверхностными теплообменниками подразумеваются аппараты, в ко-

торых процессы переноса между обменивающимися средами (воздух-вода, воз-

дух - холодильный агент и др.) осуществляется через разделяющую стенку, не проницаемую для жидкостей и газов. Механизм процессов тепломассообмена в поверхностных теплообменниках рассматривается под воздействием напора потенциалов (температур и парциальных давлений) между воздухом в ядре по-

тока и слоем воздуха, прилегающим к наружной поверхности теплообменника.

В зависимости от сочетания параметров воздуха в ядре потока и в слое у наружной разделяющей стенки для поверхностных теплообменников выделя-

ются три режима обработки воздуха:

при t> tС2> tp процессы с отводом только явного тепла без изменения вла-

госодержания;

при tC2>t процессы нагрева при постоянном влагосодержании;

при t и tp> tСз процессы с одновременным охлаждением и осушением (кон-

денсации влаги),

где t - температура обрабатываемого воздуха; tС2 - температура стенки теплообменника;

tp - температура точки росы обрабатываемого воздуха.

Процесс охлаждения и осушения воздуха, происходящий при контакте его с твердой охлаждающей поверхностью, изображается на диаграмме совершен-

46

но так же, если бы этой поверхностью являлась поверхность капель воды, раз-

брызгиваемой в оросительной камере. Однако, в некоторых случаях имеются особенности.

Допустим, что состояние воздуха до воздухоохладителя определяется точ-

кой В (рис. 11), а после точкой О, т.е. процесс охлаждения должен происходить при dв=const. Тепло, отдаваемое воздухом в воздухоохладителе, воспринимает-

ся хладоносителем (холодной водой или рассолом), который вследствие этого нагревается, повышая свою температуру от tK1 до tК2. Расчетная температура поверхности воздухоохладителя в этом случае приближенно равна (tК1+ tК2)/2= tКср , а процесс охлаждения будет изображаться ВКср.

В качестве хладоносителя (вместо воды или рассола) можно применять хла-

доагент (например, фреон), который испаряется в воздухоохладителе. В этом

случае температура поверхности теплообмена в процессе охлаждения сохра-

нится постоянной и равной температуре испарения хладоагента (так как тепло-

обмен в этом случае происходит только за счет теплоты испарения хладоаген-

та).

Рисунок 11. I-d диаграмма изменения параметров обрабатываемого воздуха.

47

Если вместо твердой поверхности воздух соприкасается с капельками раз-

брызгиваемой воды, имеющей среднюю температуру такую же, как и преды-

дущем случае, т.е. tKcp, то процесс изобразился бы линией ВКср, Причем при охлаждении воздуха до температуры to (точка О2), его влагосодержание увели-

чивается на величину dО2-dB, т.е. процесс охлаждения будет сопровождаться увлажнением.

Когда температура охлаждающей поверхности будет ниже температуры точки росы tKp, например, tк, то процесс охлаждения начнет сопровождаться осушением воздуха, а прямая ВК явится лучом этого процесса. Влага из возду-

ха станет выпадать даже в том случае, если конечная температура охлаждаемо-

го воздуха будет выше температуры точки росы (например, если бы конечное состояние воздуха определялось точкой О1). Количество выпавшего конденсата для точки O1 будет равно (dB- dO1). Последнее объясняется тем, что около охла-

ждающей поверхности образуется температурное поле, причем температура воздуха в пограничном слое у поверхности весьма близка к температуре охла-

ждающей поверхности tK, при которой из этого слоя воздуха выпадает конден-

сат. С удалением от поверхности охлаждения температура воздуха будет расти.

Процесс нагрева воздуха в теплообменнике представлен лучом НП на рис.11. В

этом случае процесс протекает по линии dH=const и воздуху передается только явное тепло.

При передаче только явного тепла от одной среды к другой через разделя-

ющую стенку теплообменника (процессы нагрева воздуха и охлаждения без изменения влагосодержания) величина теплового потока составит:

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 °С);

α- коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке;

αвн - коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости, Вт/(м2 °С);

48

δ- толщина стенки, м;

λ- коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м2 °С);

tw - температура жидкости. °С:

Коэффициент k называется коэффициентом теплопередачи; он характеризу-

ет интенсивность передачи тепла от одной среды (жидкости или газа) к другой через поверхность раздела и численно равен тепловому потоку, отнесенному к единице поверхности раздела и температурному напору между средами, т.е.

имеет размерность Вт/(м2 °С).

С целью упрощения решений по теплопередаче считается, что коэффициент теплопередачи не зависит от температуры и постоянен по поверхности тепло-

обменника. Тогда уравнение для определения часового количества тепла, пере-

данного через разделяющую поверхность теплообменника F, имеет вид:

Рисунок.12. Распределение температур в пограничном слое на твердой стенке.

Величина tcp представляет собой значение среднего температурного напора между обменивающимися средами через поверхность теплооб-

менника F.

49

Рассмотрим особенности процессов совместного переноса тепла и массы на гладкой разделяющей стенке теплообменника (рис.12). В силу наличия напора температур t > tc2 воздух отдает явное тепло и понижает температуру. Темпера-

тура поверхности tc2 меньше температуры точки росы воздуха в ядре потока.

Тогда на поверхности раздела у стенки образуется слой насыщенного воздуха,

переохлаждение которого приводит к выпадению влаги на стенке. Считаем, что пленка конденсата образуется по всей наружной поверхности стенки и при установившемся стационарном режиме имеет толщину δк, так как дальнейший избыток конденсата постоянно отводится с поверхности теплообменника. В

свою очередь, процесс конденсации протекает с выделением тепла фазового превращения, что вызывает некоторое повышение температуры пленки t6V по сравнению с температурой поверхности стенки.

Вопросы, связанные с учетом термического сопротивления пленки конден-

сата, а также повышения ее температуры, мало изучены. В некоторых работах указывается на сравнительно малое влияние этих факторов при обычных усло-

виях работы поверхностных теплообменников в УКВ. Поэтому в первом при-

ближении считаем справедливым эти допущения и принимаем, что при стацио-

нарном режиме насыщенный воздух у поверхности пленки конденсата имеет параметры tδ=tc2 и Pδ=Pн.

В силу наличия напора температур t >tc2 и напора парциальных давлений

Рв > Рн плотности потоков явного и скрытого тепла направлены от воздуха к стенке, и плотность потока полного тепла составляет

Здесь коэффициент теплоотдачи а'н соответствует условиям теплообмена воздуха с наружной разделяющей стенкой при условии наличия на ней пленки конденсата.

Используя безразмерный показатель v по выражению v = dQH/dQя,

50