7832
.pdfделения 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:
|
|
|
TХ |
|
|
T1 |
TХ |
|
|
|
, |
(3.3) |
||
Х |
T |
|
|
|
|
|
|
k 1 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
k |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
T |
|
Х |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
P1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
Разность температур горячего TГ и холодного TХ |
спаев пропорциональна |
в некотором интервале напряжений приложенному напряжению Е : |
|
Е TГ TХ , |
(3.4) |
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
основные соотношения. |
|
|
Работа, затрачиваемая в компрессоре (процесс 1-2) |
|
|
Al i2 |
i1 , кДж кг . |
(3.5) |
Холодопроизводительность (процесс 4-1) |
|
|
qo i1 |
i4 , кДж кг . |
(3.6) |
Тепло, передаваемое в окружающую среду (процесс 2-3). |
|
|
q1 i2 |
i3 , кДж кг . |
(3.7) |
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:
q |
|
|
|
1 |
|
|
|
(t tw ) k (t tw ), Вт / м 2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
|
|
|
1 |
|
||
|
(4.1) |
|||||||
|
н |
|
в |
|||||
|
|
|
|
|
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:
Qя k F tср , Вт |
(4.2) |
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
q |
п |
q |
я |
q |
I н (t t |
c 2 |
) (P |
P ) r ,Вт/м2. |
(4.3) |
|
|
с |
|
в |
н |
|
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