Теоретические процессы получения холода

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА 1.1 Способы получения низких температур В холодильной технике отвод теплоты от охлаждаемого объекта необходимо осуществлять при температурах ниже температуры окружающей среды. Как правило, теплоту передают рабочему веществу (холодильному агенту), температура которого заранее понижена до необходимого уровня тем или иным способом. На практике для получения низких температур и охлаждения рабочего вещества используют следующие способы: фазовые переходы, расширение газов и паров, термоэлектрический эффект, десорбцию газов и адиабатическое размагничивание парамагнетиков. 1.1.1 Фазовые переходы С целью получения температур ниже температуры окружающей среды используются такие фазовые переходы, как плавление, растворение солей, кипение и сублимация. Скрытая теплота плавления водного льда использовалась с целью охлаждения объектов до температур не ниже 0 С с древних времен. При достижении температуры плавления скорость движения молекул твердого вещества в пределах жесткой молекулярной структуры максимальна. При этой температуре любое дополнительное количество теплоты, полученное твердым веществом, вызывает его частичное плавление. При подаче достаточного количества теплоты вся масса твердого вещества переходит в жидкую фазу, в то время как температура остается постоянной. Вследствие поглощения теплоты плавления температура охлаждаемого объекта снижается. С целью снижения температуры плавления вместо обычного водного льда можно использовать охлаждающие смеси, состоящие из раздробленного снега или льда с солью. В качестве второго компонента смеси наиболее широкое распространение получили хлорид натрия и хлорид кальция. При изменении концентрации охлаждающей смеси изменяется температура плавления. Например, смесь льда с хлоридом кальция при содержании 29,87% по массе хлорида кальция плавится при температуре -55 С. Раствор, концентрации которого соответствует наиболее низкая температура плавления, называется эвтектическим (легкоплавящимся). Эвтектический раствор, залитый в герметичную емкость и замороженный, представляет собой аккумулятор холода (зеротор). При замораживании эвтектических растворов от них отводится энергия и они как бы аккумулируют холод, а при плавлении они поглощают теплоту и снижают температуру охлаждаемого объекта. Процессы растворения некоторых солей в воде также сопровождаются поглощением определенного количества теплоты, что можно использовать с целью охлаждения. В настоящее время данный способ широкого практического применения не получил. Одним из наиболее эффективных способов получения холода является кипение жидкостей при низких, отрицательных температурах кипения. Данный способ получения холода получил наиболее широкое применение и используется в парокомпрессионных, эжекторных, абсорбционных холодильных машинах, в том числе и бытового назначения. При переходе вещества из жидкой фазы в пар его молекулы получают достаточно энергии для преодоления сил взаимного притяжения и силы тяжести. Энергетические затраты для совершения внутренней работы по преодолению этих сил очень велики, поэтому при переходе из жидкой фазы в пар вещество поглощает значительно больше теплоты, чем при переходе из твердой фазы в жидкую. Скрытая теплота парообразования и температура кипения зависят от давления и теплофизических свойств холодильных агентов. Для получения умеренно низких температур (от 273 до 243 К) используют аммиак с нормальной температурой кипения -33,4 С, фреоны, например, фреон-12 с температурой кипения -29,7 С. Для получения криогенных температур от 120 до 4 К применяют криогенные жидкости, среди которых наибольшее распространение получили жидкий азот с температурой кипения 77 К (-196 С). Наиболее низкой температурой кипения, равной 4 К (-269 С) обладает гелий, который применяется для получения сверхнизких температур. С целью получения низких температур получил применение фазовый переход веществ из твердого состояния в парообразное, называемый сублимацией. Твердое вещество сублимирует при температуре ниже температуры плавления. Процесс сублимации протекает подобно процессу испарения, но с гораздо меньшей скоростью. Молекулы, обладающие большой скоростью, преодолевают действие сил межмолекулярного притяжения и силы тяжести и вылетают из массы вещества в окружающую среду, превращаясь при этом в молекулы пара. Примером использования сублимации для получения низких температур может служить охлаждение с помощью твердой углекислоты (сухого льда). При атмосферном давлении температура сублимации углекислоты равна -78 С, теплота сублимации - 573 кДж/кг. При создании над сухим льдом вакуума можно получить температуру до -100 С. 1.1.2 Расширение газов и паров Расширение газов и паров с целью получения холода может производиться двумя способами: 1) расширение с осуществлением внешней работы; 2) дросселирование. При адиабатическом расширении с осуществлением внешней работы внутренняя энергия и температура рабочего вещества уменьшаются. Максимальное изменение температуры достигается при обратимом изоэнтропическом расширении. При этом дифференциальный эффект изменения температуры выражается соотношением: , (1) где сp - удельная теплоемкость при постоянном давлении. Практически расширение предварительно сжатого газа происходит в газовом двигателе или детандере, который одновременно совершает внешнюю работу. Внешняя работа может быть использована для любых целей, например, для перекачки жидкостей или нагнетания газов. Расширение сжатого газа в детандере происходит без теплообмена с окружающей средой, и совершаемая при этом газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается. Расширение с осуществлением внешней работы широко применяется в воздушных детандерных холодильных машинах. Дросселированием называется расширение рабочего вещества при прохождении через суженное отверстие, вентиль, пористую перегородку и другие виды дроссельных устройств, сопровождающеся изменением температуры. При дросселировании работа, совершаемая газом, затрачивается на преодоление трения в отверстии дросселирующего устройства и переходит в тепло, в результате чего процесс расширения происходит при постоянной энтальпии. Изменение температуры при дросселировании реальных газов объясняется тем, что энтальпия газа является функцией не только температуры Т, но и давления Р: i = u + рv = сvТ + uпот + рv , (2) где u  внутренняя энергия реального газа; сv  удельная теплоемкость при постоянном объеме; сvТ  внутренняя кинетическая энергия молекул газа; u  внутренняя потенциальная энергия газа, которую необходимо затратить на преодоление сил притяжения между молекулами; рv  объемная энергия газа. Энергия, необходимая для расширения газа, т.е. преодоления сил сцепления между молекулами, при адиабатическом дросселировании, когда нет притока тепла из окружающей среды, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа. Так как энтальпия до и после дросселирования (индексы 1 и 2 относятся соответственно к состояниям газа перед дросселированием и после него) остается постоянной, выражение (2) можно записать в следующем виде: сvТ1 + u1 + р1v1 = сvТ2 + u2 + р2v2 , (3) Выражение (3) позволяет установить возможное поведение реального газа при дросселировании: если р2v2  р1v1, то Т1 - Т2  0 и в результате дросселирования температура газа понижается; если р2v2  р1v1, но u2  u1  (р1v1  р2v2), то дросселирование также приводит понижению температуры Т2  Т1. Если в последнем случае u2  u1  (р1v1  р2v2), то после дросселирования температура газа повышается, т.е. Т2  Т1. Явление изменения температуры реального газа при его дросселировании получило название дроссельного эффекта или эффекта Джоуля - Томсона. Дроссельный эффект считается положительным, если при дросселировании газ охлаждается и отрицательным, если температура газа повышается. Большинство газов обладают положительным дроссельным эффектом и при дросселировании охлаждаются. Отрицательным дроссельным эффектом обладают водород и гелий, которые, в отличие от других газов, при дросселировании нагреваются. С целью получения низких температур применяется также вихревой эффект, который осуществляется в вихревых трубах. Схема вихревой трубы показана на рисунке 1. Рис.1 Принципиальная схема вихревой трубы: 1 - дроссельный вентиль; 2 - холодный конец трубы; 3 - сопло; 4 - диафрагма; 5 - теплый конец трубы. Через тангенциальное сопло вихревой трубы подводится сжатый воздух. В трубе происходит его закручивание в пространстве, которое с одной стороны ограничено диафрагмой с центральным отверстием, а с другой - дроссельным вентилем. Через центральное отверстие некоторая часть воздуха выходит, имея температуру ниже начальной, а через дроссельный вентиль - оставшаяся часть потока в нагретом состоянии. Количество воздуха в горячем и холодном потоках и их температуры можно регулировать открыванием вентиля. Температуры торможения разделенных потоков существенно отличаются от начальной температуры торможения всего потока, прошедшего через сопло. С термодинамической точки зрения процессы, протекающие в вихревой трубе, сводятся к тому, что холодный воздух отдает кинетическую энергию остальной массе воздуха и поэтому охлаждается. Другая часть воздуха воспринимает эту энергию и выходит в нагретом состоянии. В вихревой трубе воздух охлаждается в результате необратимого расширения, что обусловливает низкую энергетическую эффективность этого способа охлаждения. Дросселирование как способ получения низких температур широко применяется в холодильной технике. С целью снижения давления и температуры холодильного агента процесс дросселирование используется в компрессионных, абсорбционных, эжекторных холодильных машинах. Вихревой эффект нашел практическое применение в вихревых охладителях. 1.1.3 Термоэлектрический эффект Действие термоэлектрических охлаждающих устройств основано на эффекте Пельтье. Эффект Пельтье и два других, сопутствующих процессу охлаждения термоэлектрических эффекта - Зеебека и Томсона, обусловлены взаимным превращением электрической и тепловой энергии. Сущность термоэлектрического эффекта Пельтье заключается в следующем: при протекании постоянного тока I через контакт двух разнородных полупроводников или проводников в местах контакта в единицу времени поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока некоторое количество теплоты. Поглощаемая или выделяемая в этом процессе теплота Пельтье пропорциональна силе тока: , (4) где I  сила тока; П  коэффициент Пельтье, зависящий от физических свойств термоэлектрических материалов и температуры контактов. Термоэлектрический эффект осуществляется в термоэлементах. Схема термоэлемента показана на рисунке 2. Рис. 2  Схема термоэлектрического элемента: N, P – полупроводниковые ветви термоэлемента; А, В – металлические коммутационные пластины (спаи); Е – источник постоянного тока. Два полупроводника с n- и р-проводимостью образуют цепь, по которой проходит постоянный ток от источника Е. В результате поглощения теплоты Пельтье на одних спаях и выделения на других устанавливается разность между температурами спаев. Если температура Тх на холодном спае ниже температуры охлаждаемого объекта То, а температура на горячих спаях Тг выше температуры окружающей среды Т, то термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины, перенося теплоту от холодного источника к окружающей среде. При этом помимо полезно используемого холода Qо к холодным спаям в результате теплопроводности поступает поток теплоты от горячих спаев, уменьшая возможность снижения температур. Необратимые потери, сопутствующие обратимым термоэлектрическим эффектам, ограничивают достижимый перепад между температурами спаев и снижают термодинамическую эффективность термоэлектрического генератора холода. Термоэлектрическое охлаждение в настоящее время нашло широкое применение во многих отраслях современной техники, в том числе и в бытовых холодильниках и кондиционерах. 1.1.4 Десорбция газов Десорбцией называется процесс выделения поглощенных веществ из адсорбента. Одним из методов десорбции является вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты. При удалении адсорбированного газа с поверхности поглотителя в процессе десорбции происходит поглощение теплоты, вследствие чего температура поглотителя снижается. С помощью десорбции в криогенной технике получают температуры порядка нескольких градусов. В технике умеренного холода метод охлаждения с помощью десорбции не нашел распространения вследствие значительных необратимых потерь. 1.1.5 Адиабатическое размагничивание парамагнетиков Адиабатическое размагничивание или магнитно-калорический эффект реализуется в термомагнитных системах. При адиабатическом размагничивании парамагнитных веществ, также как при адиабатическом расширении газа, работа против внешних сил совершается за счет затраты внутренней энергии системы и поэтому приводит к резкому снижению температуры. Для охлаждения этим способом парамагнитное вещество (обычно брусок парамагнитной соли) выдерживается при постоянной температуре в условиях глубокого вакуума, например, в ванне кипящего гелия. Вещество находится под действием сильного магнитного поля. При выключении поля происходит адиабатическое размагничивание, позволяющее охладить парамагнитное вещество до температуры, близкой к абсолютному нулю. В настоящее время созданы магнитные холодильные машины, использующие этот эффект для получения температур ниже 1К. В настоящее время адиабатическое размагничивание используют для охлаждения до сверхнизких температур экспериментальных образцов в лабораторных условиях.      РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА 1.2 Термодинамические основы теории холодильных машин 1.2.1 Основные понятия и законы термодинамики Искусственным охлаждением называется процесс переноса теплоты от тел с более низким температурным уровнем к телам с более высоким температурным уровнем за счет затраты внешней работы. Назначение холодильной машины состоит в отводе теплоты от охлаждаемого объекта, имеющего низкую температуру, и передаче отведенной теплоты более теплой окружающей среде. Принцип действия холодильной машины определяется основными законами термодинамики. Состояние любой термодинамической системы характеризуется следующими параметрами состояния: давлением, температурой, удельным объемом, внутренней энергией, энтальпией, энтропией. При изменении параметров состояния изменяется и состояние системы. Давление, температура и удельный объем являются термическими параметрами системы, которые можно измерить. Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия не могут быть измерены и являются расчетными параметрами. Внутренняя энергия зависит только от внутреннего состояния системы и обусловлена энергией микрочастиц, входящих в составляющие системы, а также энергией взаимодействия между этими частицами. Определение энтальпии следует из первого закона термодинамики. Первый закон устанавливает, что количество теплоты, прошедшее через контрольную поверхность термодинамической системы, затрачивается на изменение внутренней энергии и работу, совершенную системой. Энтальпия - это полная энергия рабочего вещества в открытой системе, т.е. энергетический параметр состояния вещества, определяемый из уравнения: (1) где U  внутренняя энергия вещества, Дж; Р  давление, Па; V  объем вещества, м3. В термодинамике обычно используется удельная энтальпия, равная отношению энтальпии к массе вещества. (2) где u  удельная внутренняя энергия вещества, Дж/кг; v  удельный объем вещества, м3/кг. Определение энтропии вытекает из второго закона термодинамики, который устанавливает, что перенос теплоты от системы с более низкой температурой к системе с более высокой температурой не может происходить самопроизвольно, а для его осуществления необходимо затратить механическую работу или эквивалентное количество другой энергии. Направление процесса теплообмена системы с окружающей средой, а также направление любых самопроизвольных процессов в изолированной системе характеризуется особым параметром состояния системы - энтропией. Полный дифференциал энтропии определяется из выражения: , (3) где dQ  количество теплоты, участвующее в квазистатическом, т.е. обратимом процессе теплообмена, Дж; Т  абсолютная температура, при которой происходит процесс, К. На практике про проведении расчетов пользуются понятием удельной энтропии, измеряемой в Дж/(кгК): . (4) Как известно из термодинамики, перенос теплоты с низшего температурного уровня на высший сопровождается уменьшением энтропии и поэтому не может происходить самопроизвольно. Для того, чтобы осуществить такой процесс, его необходимо сочетать с другим процессом, протекающим с возрастанием энтропии, т.е. с затратой энергии, и компенсирующим уменьшение энтропии в процессе отвода тепла от среды с более низкой температурой. 1.2.2 Обратимые и необратимые циклы Для непрерывной работы любой тепловой, в том числе холодильной машины, необходимо осуществление термодинамического цикла. Разность между подведенной и отведенной теплотой в цикле равна внешней работе, что справедливо для обратимых и необратимых циклов. Если все процессы в цикле обратимы, то цикл также является обратимым, и его можно осуществить как в прямом, так и в обратном направлении. Обратимым является такой идеализированный, абстрактный процесс, который протекает без нарушения равновесия как в самой системе (внутреннее равновесие), так и между ней и окружающей средой (внешнее равновесие). Процесс является обратимым в том и только в том случае, когда он является квазистатическим, т.е. таким, при котором все промежуточные состояния системы равновесны. Обратимый процесс характеризуется бесконечно большим временем протекания и нулевой разностью в каждый момент времени между температурами и давлениями в любой точке как в самой системе, так и на границе системы с окружающей средой. Практически все реальные процессы, происходящие в термотрансформаторах энергии, являются необратимыми. Реальный процесс можно считать приближенно квазистатическим, когда время протекания процесса велико по сравнению со временем самопроизвольного установления состояния равновесия, а разности между температурами и давлениями незначительны. Это дает возможность использовать для инженерных расчетов при указанных допущениях термодинамические соотношения, строго справедливые лишь для обратимых процессов. Рис. 1 – Циклы Карно: а) обратный цикл Карно; б) прямой цикл Карно. Обратимым является цикл Карно, состоящий из двух изотемических и двух адиабатических процессов. Для обеспечения обратимости температуры источников теплоты должны быть постоянными, а теплообмен рабочего вещества с источниками теплоты должен происходить при нулевой разности между температурами. При необратимых процессах энтропия системы возрастает, исходя из чего теоремой Гюи - Стодола доказано, что любая необратимость приводит к потерям или дополнительным затратам работы. Аналитически это выражается следующим уравнением: , (5) где L  потеря работы, Дж; Тос  температура окружающей среды; S  возрастание энтропии системы. Возрастание энтропии при необратимых процессах означает рассеяние (диссипацию) энергии. Рассеянная энергия в принципе не может быть превращена в работу, поэтому максимально возможные коэффициенты преобразования теплоты и работы имеют место в циклах, удовлетворяющих условиям обратимости. 1.2.3 Обратные циклы Основными практическими задачами искусственного охлаждения является поддержание низкой температуры каких - либо объектов или понижение температуры охлаждаемых объектов. В обоих случаях необходимо отводить теплоту от тел, имеющих температуру более низкую, чем температура окружающей среды. В холодильных установках перенос тепла от среды с более низкой температурой к среде с более высокой температурой осуществляется посредством рабочего вещества, называемого холодильным агентом или хладагентом. Рабочее вещество вступает в тепловой контакт сначала с одним, а затем с другим источником теплоты. Такие круговые процессы называются обратными холодильными циклами. Получение холода происходит по круговому циклу, в котором процесс отвода теплоты от охлаждаемой среды сопровождается компенсирующим процессом - подводом энергии, например при сжатии паров хладагента в компрессоре. Согласно законам термодинамики, при переносе тепла от среды с более высокой температурой Тк к среде с более низкой температурой То наибольшая степень превращения тепла в работу соответствует КПД обратного цикла Карно. Рис. 2  Т - S диаграмма обратного цикла Карно. Обратный цикл Карно состоит из следующих процессов: 1-2 - адиабатическое сжатие парообразного хладагента ( конечная температура сжатия Тк ); 2-3 - изотермический процесс конденсации паров хладагента при температуре Tк с отдачей теплоты конденсации Qк окружающей среде; 3-4 - адиабатическое расширение жидкого хладагента до конечной температуры расширения То; 4-1 - изотермический процесс кипения жидкого хладагента при температуре Tо с отводом от охлаждаемой среды теплоты Qо. Цикл Карно осуществим только при условии постоянства энтропии системы. Если при кипении хладагента энтропия охлаждаемой среды уменьшается на величину Qо/Tо, то на такую же величину должна возрасти энтропия более нагретой окружающей среды. Окружающей среде передается теплота Qо, отводимая от охлаждаемого объекта, и теплота, эквивалентная работе Lк, затраченной на сжатие хладагента. В результате возрастание энтропии окружающей среды составит величину (Qо + Lк)/T. Уравнение энергетического баланса такой системы: . (6) Из уравнения (6) определяется работа, которую необходимо затратить в холодильной установке, работающей по обратному циклу Карно: . (7) Количество теплоты Qo, которое отводится холодильным агентом от охлаждаемого объекта при температуре Tо < Тос, называется холодопроизводительностью цикла или холодопроизводительностью холодильной установки. На диаграмме Т - S холодопроизводительность соответствует площади прямоугольника 1-4-5-6. Площадь прямоугольника 2-3-5-6 соответствует суммарному количеству теплоты, отдаваемой хладагентом окружающей среде. Разность площадей 2-3-5-6 и 1-4-5-6 соответствует величине затраченной работы Lк (площадь 2-3-4-1). Энергетический баланс любой холодильной машины: . (8) где L  работа реального цикла. Термодинамическая эффективность холодильных циклов выражается отношением холодопроизводительности Qо к затраченной работе L. Это отношение  называется холодильным коэффициентом: . (9) Из диаграммы T - S видно, что и . (10) Подставляя значения Q и Qо в уравнение (9), получим . (11) Холодильный коэффициент характеризует степень использования механической работы на получение искусственного холода и, как следует из уравнения (11), не зависит от свойств холодильного агента или схемы холодильной установки, а является только функцией температур То и Т. Степень использования механической работы будет тем выше, чем меньше разность между температурами кипения и конденсации. Холодильный коэффициент нельзя рассматривать как КПД холодильной машины. КПД характеризует долю теплоты, которая может быть превращена в работу, и поэтому является величиной, заведомо меньшей единицы. В данном случае затрачиваемая работа не превращается в теплоту, а служит лишь средством, обеспечивающим перенос определенного количества теплоты с низшего температурного уровня на более высокий. Величина холодопроизводительности Qо обычно больше величины затраченной работы L, поэтому холодильный коэффициент  > 1. Из уравнения (1.2.9) следует, что с понижением температуры кипения То резко возрастает значение затрачиваемой работы, и значительно увеличивается стоимость получения холода. Термодинамический коэффициент полезного действия любого реального цикла определяется отношением холодильного коэффициента реального цикла к холодильному коэффициенту цикла Карно: . (12) При понижении температуры кипения термодинамический КПД будет уменьшаться, т.к. возрастут необратимые потери холода.   РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА 1.3 Циклы холодильных машин 1.3.1. Цикл холодильной машины с регулирующим вентилем и регенеративным теплообменником Циклы холодильных машин строятся в диаграммах энтальпия – давление, энтропия – температура, энтальпия – энтропия. Построение циклов начинается с нанесения линий постоянного массового расходного паросодержания (х = 0 и х = 1). Линии постоянного паросодержания называют также линиями насыщения или пограничными кривыми. Данные линии отделяют на диаграмме области переохлажденной жидкости (слева от кривой х = 0) , парожидкостной смеси или влажного пара (между кривыми х=0 и х=1) и область перегретого пара (справа от кривой х = 1). Рис.1. Цикл холодильного агрегата с регулирующим вентилем и регенеративным теплообменником в Р  i диаграмме: 1-2  адиабатический процесс сжатия хладагента в компрессоре при постоянной энтропии; 2-3 – процесс охлаждения паров холодильного агента в нагнетательном трубопроводе и части конденсатора; 3-4  изотермический, изобарический процесс конденсации холодильного агента в конденсаторе; 4-5  процесс переохлаждения жидкого хладагента в регенеративном теплообменнике; 5-6  адиабатический процесс дросселирования хладагента в регулирующем вентиле при постоянной энтальпии; 6-7  изотермический и изобарический процесс кипения хладагента в испарителе; 7-1  процесс перегрева паров холодильного агента в регенеративном теплообменнике. Рис 2. Схема холодильного агрегата компрессионной холодильной машины с регулирующим вентилем и регенеративным теплообменником: КМ  герметичный хладоновый компрессор; КД  конденсатор; РТ  регенеративный теплообменник; РВ  регулирующий вентиль; И  испаритель. Расчет цикла холодильного агрегата начинается с определения основных термодинамических параметров узловых точек. Термодинамические параметры точек цикла определяются из таблиц термодинамических свойств насыщенных и перегретых паров холодильного агента. По таблицам определяются параметры состояния хладагента на линиях насыщения, т.е. свойства насыщенной жидкости и насыщенного пара. Параметры, обозначение в таблицах свойств хладагентов с одним штрихом, соответствуют жидкой фазе хладагента, а параметры с двумя штрихами  парообразной фазе хладагента. После окончания расчета цикла все данные представляются в табличной форме. На основе полученных термодинамических параметров рассчитываются основные показатели эффективности цикла холодильного агрегата. 1) Удельная холодопроизводительность: qо=i7i6 (1) 2) Удельная теплота отводимая от конденсатора: qк=i3i4 (2) 3) Удельная работа цикла: ls=i2i1 (3) 4) Холодильный коэффициент: =qо/ls (4) 5) Массовый расход хладагента: Gа=Qо/qо (5) 6) Теоретическая мощность компрессора: Ns= Gаls (6) 7) Объемная производительность компрессора: Vд=Gаv1 (7) 1.3.2. Цикл бытовой компрессионной холодильной машины с капиллярной трубкой и регенеративным теплообменником Цикл паровой компрессионной холодильной машины представляет собой замкнутую последовательность процессов, происходящих в отдельных элементах холодильного агрегата. Конструктивное исполнение холодильных агрегатов бытовых холодильников может быть различным, однако они всегда включают в себя следующие основные элементы: компрессор, конденсатор, фильтр – осушитель, капиллярную трубку, испаритель, всасывающий трубопровод (рис.1). Часть капиллярной трубки и всасывающего трубопровода, находящиеся в тепловом контакте, образуют регенеративный теплообменник. Все поле диаграмм Т - S и P - i двумя пограничными кривыми - линией насыщенной жидкости (слева) и линией насыщенного пара (справа) разделяется на три зоны. Слева от левой пограничной кривой находится область переохлажденной жидкости. Между левой и правой пограничными кривыми - область влажного пара. Справа от правой пограничной кривой находится зона перегретого пара. Цикл холодильного агрегата бытового холодильника (рис.2) осуществляется одновременно в трех областях: переохлажденной жидкости, влажного пара и перегретого пара. Любая точка на диаграммах характеризуется пятью основными термодинамическими параметрами: давлением - Р (105Па), температурой - t (С), энтропией - S (кДж/кгК), энтальпией - i (кДж/кг), удельным объемом - v (м3/кг). Зная значения любых двух параметров, можно найти три остальных. На диаграммах (рис.1) изображены основные процессы, протекающие в холодильном агрегате. Линия 2-5 – процесс кипения хладагента в испарителе; процесс изобарический, изотермический. Паросодержание хладагента в области влажного пара изменяется до х = 1 (правая пограничная кривая). Точка 2 характеризует начало, а точка 5 – окончание процесса кипения, т.е. в точке 5 - 100% пара. Линия 5–6 –процесс перегрева всасываемых паров во всасывающей трубке на пути из испарителя в компрессор. В процессе повышается температура, давление остается постоянным. Перегрев паров происходит за счет регенеративного теплообмена с жидким хладагентом в капиллярной трубке (линия3-4). Рис. 1. Цикл холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника Линия 6-7 - процесс адиабатического изоэнтропного сжатия в цилиндре компрессора. Изменяются все параметры, за исключением энтропии (S = соnst). Адиабатический процесс – это процесс, проходящий без теплообмена с окружающей средой. Линия 7-8 - процесс охлаждения паров хладагента, который протекает на пути от нагнетательного клапана компрессора до того участка конденсатора, где начинается процесс конденсации. В этом процессе постоянным остается давление. Линия 8-9 - процесс конденсации, который происходит в конденсаторе при постоянных значениях давления и температуры. В процессе снижается паросодержание от х = 1 до х = 0. Точка 9 характеризует окончание процесса, когда полностью закончен фазовый переход хладагента из парообразного состояния в жидкое. Рис. 2. Принципиальная схема холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника: 1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 – фильтр – осушитель; 4 -капиллярная трубка; 5 - испаритель; 6 - всасывающий трубопровод; *1 - *9 - реперные точки, отмеченные на Т - S и P - i диаграммах. Линия 9-1 - процесс переохлаждения жидкости в части конденсатора после завершения процесса конденсации и в фильтре – осушителе (цеолитовом патроне). В данном процессе снижается температура и незначительно снижается давление. Линия 1-3-4-2 соответствует процессу дросселирования холодильного агента в капиллярной трубке. В связи с тем, что процесс протекает при разных условиях теплообмена, целесообразно разделить его на три стадии. Линия 1-3 - процесс дросселирования жидкого хладагента в капиллярной трубке при теплообмене с окружающей средой. Данная стадия процесса дросселирования начинается на входе в капиллярную трубку и завершается на входе в регенеративный теплообменник. В процессе дросселирования 1-3 снижаются давление и температура хладагента. Линия 3-4 - процесс дросселирования хладагента в капиллярной трубке при регенеративном теплообмене с всасываемыми из испарителя парами. На данной стадии процесса дросселирования снижаются давление, температура и начинается частичное парообразование хладагента. Линия 4-2 – адиабатический изоэнтальпический процесс дросселирования. Данная стадия процесса дросселирования начинается на выходе капиллярной трубки из регенеративного теплообменника и завершается в конце капиллярной трубки, т. е. непосредственно в испарителе. В процессе 4-2 происходит снижение давления и температуры хладагента и продолжается парообразование, при котором часть жидкого хладагента превращается в пар. Температура жидкого хладагента после регенеративного теплообмена определяется из условия теплового баланса: количество тепла, подведенного к пару (i6 - i5), равно количеству тепла, отведенного от жидкости (i3 - i4): i4 = i3 - i6 + i5. (1) Теоретический цикл работы холодильного агрегата бытового холодильника может быть построен по следующим исходным данным: • tо - температура кипения хладагента в испарителе; • tк - температура конденсации хладагента в конденсаторе; • tпер - температура перегрева паров, всасываемых в цилиндр компрессора; • tо.с.- температура окружающей среды; • tпо - температура переохлаждения жидкости перед дросселированием. Построение теоретического цикла по исходным данным и определение с помощью таблиц или диаграмм параметров хладагента в реперных точках позволяет провести приближенный расчет основных элементов холодильного агрегата. Основные показатели термодинамической эффективности цикла рассчитываются по следующим формулам. 1. Удельная массовая холодопроизводительность, кДж/кг: qо = i5 - i2. (8) 2. Удельная изоэнтропическая работа компрессора, кДж/кг: ls = i7 - i6. (9) 3. Удельное количество теплоты, отведенное в конденсаторе, кДж/кг: qк = i8 - i9. (10) 4. Холодильный коэффициент теоретического цикла:  = qо / ls. (11) 5) Массовый расход хладагента: Gа=Qо/qо (12) 6) Теоретическая мощность компрессора: Ns= Gаls (13) 7) Объемная производительность компрессора: Vд=Gаv6 (14)      РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА 1.4 Теоретические процессы герметичных хладоновых компрессоров 1.2.1 Процессы в поршневых компрессорах 1.4.1.1 Основные термины и определения Компрессор предназначен для сжатия и перемещения рабочего вещества холодильной машины и является ее важнейшим узлом. Холодильный компрессор определяет основные эксплуатационные показатели холодильного оборудования: надежность, долговечность, температурно-энергетические, массогабаритные параметры, шумовые и вибрационные характеристики. Поршневым компрессором называется компрессор объемного действия, в котором изменение объема рабочей полости осуществляется поршнем, совершающим прямолинейное возвратно-поступательное движение. Превращение вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршня в герметичных компрессорах бытовых холодильников осуществляется кривошипно-кулисным или кривошипно-шатунным механизмом. Принципиальная схема компрессора с кривошипно-шатунным механизмом движения показана на рисунке 1. Герметичный поршневой компрессор состоит из герметичного кожуха, внутри которого находятся электродвигатель и компрессор. От ротора электродвигателя вращательное движение передается коленчатому валу компрессора. Кривошип коленчатого вала соединен с шатуном. С помощью кривошипно-шатунного механизма движения вращательное движение вала в преобразуется в возвратно-поступательное движение соединенного с шатуном поршня. Поршень совершает возвратно-поступательное внутри цилиндра. Цилиндр с одной стороны закрыт крышкой, в которой расположены органы распределения - самодействующие всасывающий и нагнетательный клапаны лепесткового типа. Рис. 1  Схема поршневого компрессора: а - положение поршня в ВМТ; б - положение поршня в НМТ; D - диаметр цилиндра; Sп - ход поршня; 1 - всасывающий патрубок; 2 - камера всасывания; 3 - камера нагнетания; 4 - нагнетательный патрубок; 5 - рабочая полость цилиндра; 6 - нагнетательный клапан; 7 - всасывающий клапан. В поршневых компрессорах два крайних положения поршня называют мертвыми точками. Верхней мертвой точкой (ВМТ) называют крайнее положение поршня, наиболее удаленное от коленчатого вала, а нижней мертвой точкой (НМТ) - крайнее положение поршня, ближайшее к механизму движения. При ходе поршня из ВМТ в НМТ в пространстве между крышкой цилиндра и поршнем создается разрежение. Под действием разности давлений во всасывающей полости и цилиндре открывается всасывающий клапан и пары холодильного агента всасываются в цилиндр. При обратном ходе поршня из НМТ в ВМТ всасывающий клапан закрывается и находящиеся в цилиндре пары сжимаются поршнем до давления нагнетания, при достижении которого отрывается нагнетательный клапан, и сжатые пары хладагента нагнетаются в полость нагнетания, нагнетательный патрубок компрессора и далее по нагнетательному трубопроводу в конденсатор. В бытовых холодильниках могут применяться не только одноцилиндровые, но и двухцилиндровые компрессоры с оппозитным расположением поршня. В расчетах поршневых компрессоров используются понятия: "рабочий объем цилиндра"(м3), значение которого равно произведению площади поршня Fп на полный ход поршня Sп, и "рабочий объем цилиндра за единицу времени" Vh (м3/с), значение которого определяется как произведение рабочего объема цилиндра на частоту вращения коленчатого вала n0 (1/с). (1) где nо  частота вращения коленчатого вала; Fп  площадь поршня; Мертвым объемом называют минимальный объем рабочей полости цилиндра при положении поршня в ВМТ. Мертвый объем состоит из объема цилиндра в зазоре между поршнем и крышкой цилиндра (линейный мертвый объем), объемов в каналах клапанов (мертвый объем в клапанах) и дополнительного мертвого объема, образованного различными пустотами, каналами в поршне и цилиндре. Наличие линейного мертвого объема обусловлено тем, что поршень не может вплотную подойти к крышке цилиндра. Зазор между поршнем и крышкой цилиндра необходим по ряду причин. Допустимые по техническим условиям отклонения размеров деталей механизма движения, в том числе, поршня, позволяют фиксировать положение поршня в ВМТ и НМТ лишь с определенным отклонением. Кроме того, линейный мертвый объем предназначен для предотвращения удара поршня о крышку в случае температурных деформаций деталей механизма движения, а также для компенсации износа в подвижных соединениях механизма движения. В расчетах, как правило, используют безразмерную величину - относительный мертвый объем, равный отношению полного мертвого объема к рабочему объему цилиндра. Иногда относительный мертвый объем выражают в %. Массовой производительностью компрессора ( Gа, кг/с ) называется масса парообразного хладагента, всасываемого компрессором в единицу времени. Объемной производительностью компрессора ( Vа, м3/с ) называется действительный объем парообразного хладагента, всасываемого компрессором в единицу времени. Теоретически объемная производительность компрессора равна рабочему объему цилиндра, однако в реальном компрессоре объем всасываемого пара, заполняющего цилиндр при ходе всасывания, всегда меньше рабочего объема цилиндра вследствие целого ряда причин, одной из которых является наличие мертвого пространства. Действительная холодопроизводительность компрессора всегда меньше теоретической. Холодопроизводительность любого компрессора зависит от рабочих условий, в которых работает холодильная машина, и как производительность системы определяется произведением массовой производительности компрессора на удельную холодопроизводительность: , (2) где Ga  массовая производительность компрессора; qo  удельная холодопроизводительность. Удельная холодопроизводительность 1 кг циркулирующего хладагента зависит от термодинамических свойств холодильного агента и степени совершенства цикла и определяется из расчета цикла холодильного агрегата. Отношение объемной производительности к рабочему объему цилиндра за единицу времени называется коэффициентом подачи: , (3) где Gaт  теоретическая массовая производительность компрессора. Отношение давления нагнетания к давлению всасывания называется относительным повышением давления или степенью сжатия: , (4) 1.4.1.2 Термодинамические основы процесса сжатия Конечное давление газа при сжатии зависит от условий теплообмена с окружающей средой. Теоретически возможны два предельных случая процесса сжатия: Рис. 2  Процессы сжатия в Т - S диаграмме. 1) вся выделяющаяся при сжатии теплота полностью отводится и температура рабочего вещества остается постоянной - изотермический процесс; 2) теплообмен газа с окружающей средой полностью отсутствует и вся выделяющаяся теплота затрачивается на увеличение внутренней энергии газа, вызывая повышение его температуры - адиабатический процесс. В действительности сжатие паров хладагента в компрессоре лишь в большей или меньшей степени приближается к одному из этих теоретических процессов. При сжатии одновременно с изменением объема и давления паров хладагента происходит повышение температуры и одновременно часть выделяющегося тепла отводится в окружающую среду. Такой процесс сжатия называется политропическим. На рисунке 2 показаны процессы сжатия в Т - S диаграмме. Процесс изотермического сжатия газа от давления Р1 до давления Р2 изображается на Т - S диаграмме прямой аb, проведенной между изобарами Р1 и Р2 по линии ТА = const. Количество теплоты, которое необходимо отводить при изотермическом сжатии 1 кг газа от давления Р1 до давления Р2, численно равно удельной работе изотермического сжатия lиз. Величина qиз может быть определена непосредственно из диаграммы: , (5) Процесс адиабатического сжатия газа характеризуется полным отсутствием теплообмена с окружающей средой. При адиабатическом сжатии dQ = 0, следовательно, и dS = dQ/Т = 0. Адиабатический процесс изображается на диаграмме T - S прямой аd, проведенной по линии SА = const. Количество теплоты, выделяемой при адиабатическом сжатии 1 кг газа от давления Р1 до давления Р2, численно равно удельной работе адиабатического сжатия lад: , (6) Процесс политропического сжатия газа от давления Р1 до давления Р2 изображается на диаграмме Т - S наклонной прямой ас. Количество теплоты, выделяемой при политропическом сжатии 1 кг газа, численно равно удельной работе политропического сжатия lпол, и приблизительно равно: , (7) При известной величине конечного давления Р2 можно определить удельную работу сжатия аналитически. Для изотермического сжатия: , (8) где v1  удельный объем газа при всасывании. Для адиабатического сжатия: , (9) где k = ср/сv  показатель адиабаты. Для политропического сжатия: , (10) где n  показатель политропы сжатия. Величина показателя политропы зависит от физических свойств газа или пара и условий теплообмена с окружающей средой. Наименьшая работа затрачивается при изотермическом сжатии, поэтому действительный процесс сжатия стремятся проводить с отводом выделяющейся при сжатии теплоты путем охлаждения паров хладагента. Температура рабочего вещества после сжатия: для изотермического процесса: , (11) для адиабатического процесса: , (12) для политропического процесса: . (13) Теоретическая мощность Nт, затрачиваемая на сжатие паров хладагента компрессором, определяется следующим образом: , (14) где   плотность паров хладагента. С учетом уравнений (8  10): , (15) , (16) . (17) Приведенные выше термодинамические соотношения получены на основе уравнения состояния идеального газа. В первом приближении аналогичные закономерности, а, следовательно, и выводы из них, будут с определенными отклонениями допустимыми для оценки работы действительного компрессора. Данные уравнения с достаточной степенью точности описывают процессы сжатия при давлениях до 106 Па. 1.4.1.3 Индикаторная диаграмма идеального и действительного поршневого компрессора При движении поршня изменяется объем рабочей полости цилиндра, давление газа или пара в этой полости. Изменение давления газа в рабочей полости можно изобразить графически в виде зависимости от положения поршня, т.е. от объема рабочей полости цилиндра. Графическая зависимость давления пара в рабочей полости цилиндра от положения поршня или от объема рабочей полости называется индикаторной диаграммой. По горизонтальной оси индикаторной диаграммы обычно откладывают в масштабе перемещение поршня от ВМТ, по вертикальной - давление газа в рабочей полости. Перемещение поршня однозначно связано с углом поворота коленчатого вала. Иногда индикаторную диаграмму строят в кординатах Р - , где  - угол поворота коленчатого вала (кривошипа). Таким образом, существуют два вида индикаторных диаграмм - свернутая и развернутая (рис. 3). Рис. 3  Виды индикаторных диаграмм поршневого компрессора: а – свернутая; б - развернутая по углу поворота вала. За начальный момент отсчета угла поворота коленчатого вала принимают положение кривошипа, соответствующее положению поршня в ВМТ. Развернутая индикаторная диаграмма может легко быть перестроена в свернутую и наоборот. Большое распространение получила свернутая индикаторная диаграмма, т.к. площадь диаграммы в координатах Р - V пропорциональна работе. Анализ основных процессов поршневого компрессора удобно начинать с упрощенной модели действительного компрессора, называемой идеальным компрессором. Для идеального компрессора вводится ряд допущений: 1) отсутствие мертвого объема; 2) отсутствие неплотностей в рабочей полости цилиндра; 3) отсутствие тепловой инерции стенок цилиндра; 4) постоянство температуры и давления паров в цилиндре в процессах всасывания и нагнетания; 5) отсутствие гидравлических потерь при течении газа в каналах клапанов и трубопроводах; 6) отсутствие подогрева паров при всасывании; 7) отсутствие теплообмена между паром и стенками цилиндра при нагнетании; 8) открытие всасывающего клапана при положении поршня строго в ВМТ и закрытие в НМТ; 9) открытие нагнетательного клапана в момент достижения в цилиндре давления, равного давлению в нагнетательном патрубке, и закрытие в ВМТ; 10) отсутствие трения в трибосопряжениях. Индикаторная диаграмма идеального компрессора показана на рисунке 4 и соответствует линиям d-а-b-с. Рис. 4  Индикаторные диаграммы идеального и действительного компрессора В цилиндре идеального компрессора протекают, в соответствии с принятыми допущениями, 3 процесса: всасывание (d-а), сжатие (а-b) и нагнетание (b-с). Во время всасывания газ перемещается из полости всасывания в рабочую полость цилиндра. Во время сжатия происходит повышение давления газа, находящегося в рабочей полости цилиндра, во время нагнетания - перемещение газа из рабочей полости цилиндра в полость нагнетания. В идеальном компрессоре процессы всасывания и нагнетания протекают при постоянном давлении Рвс и Рн и постоянной температуре Твс и Тн. Процесс сжатия происходит по политропе с показателем n и заканчивается в момент, когда давление в рабочей полости достигает значения Рн и открывается нагнетательный клапан. Индикаторная диаграмма действительного компрессора соответствует линиям 2-3-4-1-2 на рисунке 4. Рабочие процессы действительного компрессора в значительной степени отличаются от рабочих процессов идеального компрессора. Линия 2-3 соответствует процессу всасывания паров хладагента, линия 3-4 - процессу сжатия паров, линия 4-1 - процессу нагнетания и линия 1-2 - процессу обратного расширения. Основные отличия индикаторной диаграммы действительного компрессора от идеального обусловлены рядом причин. 1. Наличие мертвого объема в цилиндре реального компрессора приводит к расширению пара, оставшегося в мертвом объеме после окончания процесса нагнетания. Вследствие этого объем пара, всасываемого в цилиндр реального компрессора, на величину Vс меньше по сравнению с объемом пара, поступающего в цилиндр идеального компрессора. 2. В действительном компрессоре имеются гидравлические сопротивления потоку паров хладагента при прохождении через клапаны. В результате давление в цилиндре во время всасывания меньше, чем во всасывающем патрубке. Соответственно давление в цилиндре будет выше, чем давление в нагнетательном патрубке. Потери давления на гидравлические сопротивления в клапанах непостоянны в течение хода поршня, т.к. переменной является скорость протекания газа через клапаны. Потери в клапанах, называемые также депрессией во всасывающем и нагнетательном клапанах, приводят к увеличению потребляемой компрессором мощности. Увеличение мощности пропорционально площади обозначенных знаком "+" заштрихованных участков диаграммы. 3. Депрессия во всасывающем клапане приводит к уменьшению объема пара, попадающего в цилиндр при давлении Рвс, на величину V'-V". 4. Давление во всаcывающем и нагнетательном патрубках действительного компрессора непостоянно из-за пульсаций потоков газа, обусловленных периодически повторяющимися процессами всасывания и нагнетания. В трубопроводах и патрубках компрессора имеют место инерционные и волновые явления, которые снижают производительность компрессора. 5. Смещение линий обратного расширения 1-2 и сжатия 3-4 внутрь диаграммы вследствие наличия мертвого объема и депрессий в клапанах приводит к уменьшению индикаторной мощности, подводимой к компрессору, и пропорционально площади обозначенных знаком "-" заштрихованных участков диаграммы. Процесс обратного расширения проходит с увеличением объема, и газ, воздействуя на поршень, совершает работу, которая передается обратно коленчатому валу. Работа, затраченная на сжатие паров, оставшихся в мертвом пространстве, возвращается назад в процессе обратного расширения с потерями, обусловленными необратимостью процессов. Индикаторной мощностью называется мощность, необходимая для сжатия и перемещения газа с учетом возврата энергии в процессе обратного расширения. 6. Теплообмен между паром и стенками цилиндра в процессах обратного расширения и сжатия приводит к протеканию этих процессов с переменными показателями политропы. Это иллюстрируется направлением линий процессов 1-2 и 3-4 и соответствующим изменением площади индикаторной диаграммы. Кроме перечисленных, имеется ряд особенностей рабочего процесса действительного компрессора, которые не отражаются на его индикаторной диаграмме. 1. Нагрев и расширение пара, поступающего при всасывании в цилиндр, из-за его контакта с горячими внутренними поверхностями рабочего объема цилиндра. Вследствие этого в цилиндр всасывается пар большего удельного объема и меньшей массы по сравнению с расчетными параметрами. 2. Неплотности в сопряжениях поршня с цилиндром, а также в сопряжениях клапанов с седлами приводят к протечкам части сжимаемого и нагнетаемого пара во всасывающую полость, а следовательно, и к уменьшению количества пара, поступающего в полость нагнетания. 1.4.1.4 Объемные и энергетические потери поршневых компрессоров Объемные потери в поршневом компрессоре вызваны следующими причинами: 1) расширение пара из мертвого объема; 2) снижение давления в цилиндре в момент начала сжатия вследствие гидравлического сопротивления всасывающего канала и клапана, 3) пульсации давления во всасывающей полости; 4) подогрев пара во всасывающем канале и цилиндре; а при всасывании влажного пара - испарение жидкости; 5) перетекание сжатого пара из цилиндра через неплотности. Объемные потери в целом характеризуются коэффициентом подачи, т.е. отношением массовой производительности действительного компрессора к массовой произ-водительности теоретического компрессора, имеющего такой же рабочий объем цилиндра. Коэффициент подачи можно также представить в виде произведения нескольких коэффициентов, отражающих перечисленные выше виды объемных потерь. , (18) где с  объемный коэффициент, учитывающий расширение паров хладагента из мертвого пространства; дп  коэффициент дросселирования и пульсаций, характеризующий отклонение давления в цилиндре в момент начала сжатия от давления перед всасывающим патрубком; w  коэффициент подогрева, учитывающий подогрев всасываемого пара и испарение жидкости при всасывании влажного пара; пл  коэффициент плотности, учитывающий протечки пара из цилиндра через неплотности. Объемный коэффициент и коэффициент дросселирования и пульсаций можно определить по индикаторной диаграмме как отношение соответствующих объемов: , (19) . (20) Коэффициент с можно также рассчитать аналитически: , (21) где с  относительный мертвый объем; m  показатель политропы процесса обратного расширения. Показатель политропы обратного расширения, определенный по конечным параметрам, для большинства компрессоров близок к единице. Коэффициенты подогрева и плотности по индикаторной диаграмме определить невозможно. Коэффициент подогрева определяют расчетным путем по общепринятой эмпирической формуле: , (22) Для более точного вычисления коэффициента подогрева рекомендуется применять следующее соотношение: , (23) где   степень сжатия. Коэффициент плотности рассчитывается следующим образом: , (24) где Gпл  протечки через неплотности. В поршневых компрессорах существуют следующие энергетические потери: 1) газодинамические, обусловленные потерями давления во всасывающем и нагнетательном каналах; 2) потери от теплопритоков к парам хладагента во всасывающем канале и цилиндре; 3) от протечек сжатого пара из цилиндра через неплотности; 4) механические потери, к которым относятся потери на трение; 5) электрические потери в электродвигателе. В целом энергетические потери характеризуются энергетическим КПД, т.е. отношением мощности Nт, потребляемой теоретическим компрессором, к мощности, потребляемой действительным компрессором: , (25) где i  индикаторный КПД, характеризующий газодинамические потери и теплообмен в процессе сжатия; w  КПД, учитывающий потери, вызванные подогревом всасываемого пара; пл  КПД, учитывающий потери энергии, вызванные протечками пара из цилиндра; м  механический КПД, учитывающий потери на трение; эд  КПД электродвигателя. Индикаторный КПД определяется отношением теоретической мощности Nт, затраченной на сжатие хладагента, к индикаторной мощности Ni, определенной из индикаторной диаграммы: . (26) Общие энергетические потери от подогрева разделяются на потери от подогрева во всасывающем канале и цилиндре: , (27) где wв  потери от подогрева во всасывающем канале; wц  потери от подогрева в цилиндре, и определяются отношениями соответствующих температур. Коэффициент wв определяется отношением температуры паров на входе в компрессор к температуре паров во всасывающей полости. Коэффициент wц  отношением температуры во всасывающей полости к температуре в цилиндре в начале сжатия. КПД плотности согласно экспериментальным данным примерно равен коэффициенту соответствующих объемных потерь: пл = пл. Механический КПД является отношением индикаторной мощности к мощности на валу действительного компрессора: , (28) где Ni  индикаторная мощность; Ne  мощность на валу компрессора; Nтр потери мощности на трение. КПД электродвигателя зависит от характеристик встроенного электродвигателя и температуры его обмоток. Для встроенных электродвигателей бытовых холодильников КПД электродвигателя как правило, не превышает 0,7. 1.4.2 Процессы в герметичных ротационных компрессорах Отличием ротационных компрессоров от поршневых является то, процесс сжатие паров хладагента в цилиндре происходит за счет вращательного движения эксцентрично расположенного ротора. По конструктивному исполнению ротационные компрессоры подразделяются на компрессоры с катящимся ротором и пластинчатые. В компрессорах с катящимся ротором ось ротора смещена относительно оси цилиндра. Это смещение осей называется эксцентриситетом. За счет эксцентричного расположения ротор почти касается стенки цилиндра в точке минимального зазора. При вращении вала ротор перекатывается по стенке цилиндра в направлении вращения вала, находясь при этом в постоянном контакте со стенкой цилиндра. Постоянный контакт между ротором и цилиндром обеспечивается с помощью подпружиненной лопасти. Пар непрерывно проходит через всасывающее и нагнетательное отверстие, за исключением того момента, когда ротор закрывает одно или другое отверстие. Всасываемый и нагнетаемый пар разделены в в цилиндре точкой контакта между лопастью и ротором, с одной стороны, и ротором и стенкой цилиндра - с другой. В ротационном пластинчатом компрессоре используется ряд вращающихся пластин, которые устанавливаются на равном расстоянии между собой на периферии в пазах ротора. Пар, всасываемый в цилиндр через отверстие в стенке цилиндра, поступает в полость между соседними вращающимися пластинами. Пар сжимается при уменьшении объема полости в результате вращения пластин от точки с максимальным зазором до точки с минимальным зазором. В бытовой холодильной технике получили распространение ротационные компрессоры с катящимся ротором. Схема ротационного компрессора с катящимся ротором показана на рис. 5. Механизм движения герметичного ротационного компрессора с катящимся ротором состоит из эксцентрикового вала, приводимого во вращение электродвигателем, и ротора цилиндрической формы, сопрягаемого с эксцентриковой поверхностью вала с гарантированным зазором в сопряжении. При вращении вала эксцентрик совершает круговое движение, а ротор обкатывает внутреннюю поверхность цилиндра. К торцам цилиндра прилегают верхняя и нижняя крышки компрессора, создающие замкнутый объем цилиндра. Рис. 5  Принципиальная схема ротационного компрессора с катящимся ротором: 1 - цилиндр; 2 - ротор; 3 - лопасть; 4 - пружина лопасти; 5 - нижняя крышка; 6 - верхняя крышка; 7-эксцентриковый вал. Серповидное пространство, образуемое внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью ротора, перемещается при вращении вала по окружности. В одном месте оно разделяется пластиной или лопастью. Лопасть скользит по направляющим гнезда в цилиндре и прижимается к ротору специальной пружиной. Лопасть разделяет серповидное пространство на два замкнутых объема: объем низкого давления, постоянно соединенный с полостью всасывания, и объем высокого давления, отделенный от полости нагнетания самодействующим пластинчатым клапаном. При вращении вала величина этих объемов изменяется, благодаря чему обеспечиваются процессы всасывания, сжатия и нагнетания паров холодильного агента. 1.4.2.1 Индикаторная диаграмма ротационного холодильного компрессора с катящимся ротором. Рабочий процесс действительного ротационного компрессора с катящимся ротором можно проиллюстрировать индикаторной диаграммой, построенной в координатах: угол поворота коленчатого вала компрессора  - давление в цилиндре Р. Индикаторная диаграмма показана на рисунке 6. Рис. 6  Индикаторная диаграмма ротационного компрессора с катящимся ротором. В момент перекрытия ротором всасывающего отверстия в цилиндре (точка 1) разделительная пластина утоплена в пазе цилиндра, а самодействующий нагнетательный клапан закрыт. В этот момент практически полезный объем цилиндра заполнен парами холодильного агента, имеющими давление всасывания Рвс. При дальнейшем вращении вала компрессора пластина начинает выходить из своего паза, разделяя серповидное пространство на два замкнутых объема: постепенно увеличивающийся объем низкого давления, в котором происходит процесс всасывания 1 - 4 при давлении Рвс, т.к. в компрессоре отсутствует всасывающий клапан, и уменьшающийся объем высокого давления, в котором происходит процесс сжатия 1' - 2 паров хладагента. В процессе сжатия давление в этом объеме возрастает до давления в нагнетательной полости Рн, а затем превышает Рн на величину, достаточную для открытия нагнетательного клапана. После открытия нагнетательного клапана начинается процесс нагнетания 2 - 3 при депрессии в нагнетательном клапане, достаточной для поддержания клапана в открытом состоянии. Точка 3 соответствует перекрытию ротором окна нагнетательного клапана и закрытию этого клапана. В течение времени, соответствующего процессам сжатия и нагнетания в объеме высокого давления, в объеме низкого давления совершается процесс всасывания 1 - 4. Затем ротором открывается окно нагнетательного клапана и мертвый объем компрессора. В мертвом объеме остается небольшое количество сжатых паров, и эти пары соединяются с остальной частью полезного объема цилиндра. Процесс смешения, который происходит мгновенно, условно изображается на индикаторной диаграмме линией 3 - 4. Так как при этом малый объем паров высокого давления присоединяется к большому объему паров низкого давления, их смешивание вызывает небольшое увеличение давления в цилиндре до состояния точки 5. Затем ротор цилиндра проходит путь от окна нагнетательного клапана до окна всасывания. Этот путь соответствует повороту вала на угол, разделяющий эти окна в стенке цилиндра, и отрезку 4 - 1' диаграммы. В точке 1' начинается повторение описанных процессов. 1.4.1.7. Объемные и энергетические коэффициенты ротационных компрессоров Причины, вызывающие объемные и энергетические потери в ротационных компрессорах, в основном те же, что и в поршневых, поэтому для их оценки используют такие же объемные и энергетические коэффициенты. Рабочий процесс действительного ротационного компрессора имеет те же отличия от рабочего процесса идеального компрессора, что и поршневой, за исключением потерь от дросселирования во всасывающем клапане. Эти потери в ротационном компрессоре отсутствуют, т.к. его конструкция не содержит всасывающего клапана и в процессе всасывания давление в цилиндре равно давлению во всасывающей полости. В связи с этим коэффициент дросселирования во всасывающем клапане отсутствует , а коэффициент подачи определяется из соотношения: , (29) где пл  коэффициент плотности, учитывающий протечки пара из цилиндра через неплотности. с  объемный коэффициент, учитывающий расширение паров хладагента из мертвого пространства; w коэффициент подогрева, учитывающий подогрев всасываемого пара и испарение жидкости при всасывании влажного пара; Значение коэффициента с ротационного компрессора нельзя определить по индикаторной диаграмме, т.к. пары, оставшиеся в мертвом объеме, соединяются с парами, всасываемыми в цилиндр, мгновенно и в самом конце процесса всасывания. Однако, несмотря на это, расширяясь при смешении, пары, оставшиеся в мертвом объеме, занимают объем, который не заполняется всасываемым паром, и вызывают потери производительности компрессора. Коэффициенты с и w ротационного компрессора можно определить по формулам, аналогичным применяемым для поршневых компрессоров. Коэффициент плотности пл определяется также, как и в поршневом компрессоре, величиной протечек сжимаемого пара через все неплотности полости сжатия. Протечки пара наблюдаются в сопряжениях деталей ротационного компрессора: ротор - цилиндр, ротор - лопасть, ротор - крышки компрессора. Коэффициент пл можно рассчитать из соотношения, применяемого для поршневого компрессора. В целом процесс сжатия в ротационном компрессоре характеризуется теми же коэффициентами, что и поршневом компрессоре. Энергетические потери в ротационном компрессоре, как и в поршневом, зависят в первую очередь от электрических и механических потерь. Энергетические потери зависят также от подогрева всасываемого пара, протечек и падения давления в нагнетательном клапане. Основные механические потери происходят при трении между ротором и крышками цилиндра, а также между лопастью и ротором.      РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА 1.5 Теоретические процессы и циклы абсорбционных холодильных машин 1.5.1 Теоретические процессы абсорбционных холодильных машин В абсорбционных холодильных машинах с целью получения холода применяют фазовый переход холодильного агента из жидкого состояния в газообразное. Абсорбционными называются такие холодильные машины, в которых компонент в газовой фазе поглощается абсорбентом в жидкой фазе с образованием жидкой смеси. По виду используемой энергии абсорбционные холодильные машины относятся к теплоиспользующим. Рабочие вещества абсорбционных холодильных машин являются смесями холодильных агентов и абсорбентов. Холодильные агенты кипят при более низкой температуре, чем абсорбенты. Холодильные агенты и абсорбенты могут быть как чистыми веществами, так и смесями нескольких чистых веществ. В качестве бытовых абсорбционных холодильных машин наибольшее распространение получили абсорбционно-диффузионные холодильники, в рабочих процессах которых кроме холодильного агента и абсорбента участвует неконденсирующийся инертный газ. В абсорбционном холодильном цикле наиболее эффективными являются вещества, обладающие следующими свойствами: 1) высокой теплотой парообразования холодильного агента; 2) низкой теплотой смешения жидкого холодильного агента и абсорбента; 3) низкими значениями коэффициента кинематической вязкости и коэффициента поверхностного натяжения; 4) низкой плотностью смеси хладагента и абсорбента; 5) большими значениями разности между температурами кипения холодильного агента и абсорбента; 6) низкими значениями теплоемкости и высокой теплопроводностью рабочего вещества; 7) высокой разностью между плотностями неконденсирующегося газа и паров холодильного агента. В бытовых абсорбционных холодильниках в качестве хладагента используется аммиак, в качестве абсорбента - вода, в качестве неконденсирующегося газа - водород. Абсорбционную холодильную машину можно рассматривать как систему, состоящую из четырех основных аппаратов: испарителя и абсорбера на стороне низкого давления системы, генератора и конденсатора на стороне высокого давления. В абсорбционных холодильниках абсорбер и генератор осуществляют функции компрессора. В абсорбер поступает раствор с малой концентрацией холодильного агента. Этот раствор поглощает пары хладагента, образующиеся в испарителе. Абсорбер заменяет всасывающую сторону компрессора. Насыщенный раствор из абсорбера подается в генератор, где кипит (выпаривается) при давлении конденсации за счет подвода теплоты от внешнего источника. Таким образом, генератор выполняет функцию нагнетательной стороны компрессора. Внешняя тепловая энергия от электронагревателя или другого источника теплоты передается непосредственно генератору. При добавлении третьего инертного компонента - водорода в систему холодильных аппаратов бытовые абсорбционные холодильники функционируют без насоса или других движущихся частей. Принцип работы абсорбционной машины, в которой применяется трехкомпонентное рабочее вещество, основан на законе Дальтона, который гласит, что общее давление смеси газов или паров равно сумме отдельных парциальных давлений, создаваемых каждым газом или паром в отдельности. В такой системе общее давление, создаваемое смесью газов или паров, одинаково во всех ее частях. В связи с присутствием водорода и парциального давления, создаваемого им на стороне низкого давления системы, т.е. в испарителе и абсорбере, парциальное давление паров аммиака в этих аппаратах ниже давления пара аммиака в генераторе и конденсаторе, в которых нет газообразного водорода. В связи с этим при одинаковом давлении во всей системе аммиак кипит при низком давлении и низкой температуре в испарителе, а конденсируется при высоком давлении и высокой температуре в конденсаторе. Бытовая абсорбционная холодильная машина состоит из следующих основных узлов: генератора, ректификатора, дефлегматора, конденсатора, испарителя, змеевика абсорбера, ресивера абсорбера, газового и жидкостного теплообменников. Принципиальная схема абсорбционного холодильного агрегата показана на рисунке 1. Рис. 1. Принципиальная схема абсорбционно - диффузионного холодильного агрегата бытового холодильника: Г - генератор; А - абсорбер; ТО - теплообменники; Р - ректификатор; Д - дефлегматор; КД - конденсатор; И - испаритель. Холодильный агрегат холодильника «Морозко-ЗМ» (рис. 3) абсорбционно-диффузионного действия представляет собой систему цельнотянутых стальных труб, герметично закрытую, без движущихся частей и в работе абсолютно бесшумную. Рис. 3. Холодильный агрегат холодильника «Морозко-ЗМ»: 1 — теплообменник; 2 — сборник раствора; 3 — аккумулятор водорода; 4 — абсорбер; 5 — регенеративный газовый теплообменник; 6 — дефлегматор; 7 — конденсатор; 8 — испаритель; 9 — генератор; 10 — термосифон; 11 — регенератор; 12 — трубки слабого раствора: 13 — пароотводящая трубка; 14 — электронагреватель; 15—термоизоляция Генератор абсорбционного холодильника состоит из электронагревателя и трубки термосифона, которые находятся в тепловом контакте. В генераторе происходит процесс кипения (выпаривания) водного раствора аммиака при высоком давлении и высокой температуре. Так как на вход в генератор подается водоаммиачный раствор с высокой концентрацией аммиака, в результате выпаривания раствора образуется смесь паров аммиака с небольшим содержанием паров воды. Увеличение концентрации паров холодильного агента после генератора осуществляется в ректификаторе и дефлегматоре. В ректификаторе происходит процесс тепло- и массообмена между восходящим потоком водоаммиачных паров и нисходящим потоком водоаммиачного раствора низкой концентрации, стекающим из дефлегматора. Раствор, стекающий по стенкам трубопровода из дефлегматора, называется флегмой. В результате тепло- массообмена с флегмой основная часть паров воды конденсируется на контактных устройствах в виде тарелок или насадок внутри ректификационной колонны. За счет выделяемой при конденсации водяных паров теплоты дополнительно испаряется часть аммиака из флегмы. Таким образом, после ректификации повышается концентрация паров аммиака в смеси водоаммиачных паров. Окончательное отделение паров хладагента от паров воды происходит в дефлегматоре. Дефлегмацией называется процесс конденсации паров высококипящего компонента, т.е. воды. Конденсация паров воды происходит за счет теплообмена с поверхностью насадок различных типов, в том числе, в виде колец Рашига. Одновременно с конденсацией паров воды может происходить конденсация небольшой части паров аммиака. Образующаяся флегма в виде слабого водоаммиачного раствора стекает вниз по стенкам ректификационной колонны и направляется в ректификатор. В результате процесса дефлегмации пары аммиака практически полностью отделяются от паров воды. После дефлегматора пары хладагента направляются в конденсатор. В конденсаторе за счет теплообмена с окружающей средой пары хладагента охлаждаются и после достижения температуры конденсации при данном давлении начинают конденсироваться. Теплота, выделяемая при конденсации, отводится в окружающую среду. После процесса конденсации жидкий холодильный агент поступает в испаритель. Одновременно с аммиаком на вход в испаритель направляется водород. В результате смешивания с водородом резко снижается давление аммиака и начинается процесс его кипения при низкой температуре за счет теплоты, поглощаемой от охлаждаемого объекта. Образовавшиеся в результате кипения пары аммиака в смеси с водородом проходят через газовый теплообменник и поступают в абсорбер. Отделение водорода от паров аммиака происходит в змеевике абсорбера за счет абсорбции, т.е. поглощения паров аммиака водоаммиачным раствором низкой концентрации, поступающим из генератора через жидкостный теплообменник. Выделяющаяся теплота абсорбции отводится в окружающую среду. В результате абсорбции образуется водоаммиачный раствор высокой концентрации, который стекает в ресивер абсорбера и направляется через жидкостный теплообменник в генератор. Применение жидкостного теплообменника позволяет повысить эффективность цикла холодильного агрегата за счет повышения температуры раствора высокой концентрации, направляемого в генератор. После отделения от паров аммиака водород направляется через газовый теплообменник в испаритель. Применение газового теплообменника приводит к повышению термодинамической эффективности цикла за счет снижения температуры водорода, направляемого в испаритель. 1.5.2. Теоретический цикл абсорбционной холодильной машины С целью анализа термодинамической эффективности цикла абсорбционной холодильной машины осуществляется построение диаграммы энтальпия - концентрация. Процессы абсорбционной холодильной машины в x - i диаграмме показаны на рисунке 2. Рис. 2. Процессы абсорбционной холодильной машины в  - i диаграмме Для определения параметров узловых точек цикла используют диаграмму энтальпия - концентрация равновесных фаз NН3- Н2О и таблицу термодинамических параметров равновесных фаз водоаммиачного раствора. Таблица содержит равновесные значения температур и концентраций, энтропии и энтальпии паровой и жидкостной фаз раствора и позволяет получить уточненные значения этих величин. Внешние условия, определяющие рабочие процессы, задаются тремя температурами: температурой греющего источника Тh, от которой зависит высшая температура кипения раствора в генераторе Т2; температурой окружающей среды Тw, от которой зависит температура и давление конденсации хладагента Тk и Рk, а также низшая температура раствора в конце процесса абсорбции Т4; требуемой температурой в охлаждаемом объеме Тs, от которой зависит давление и температура кипения хладагента в испарителе Рo и Тo. Давление в генераторе выше давления конденсации на величину гидравлических потерь давления пара на пути в конденсатор. Давление в абсорбере ниже давления в испарителе также на величину гидравлических потерь давления парогазовой смеси между испарителем и абсорбером. Для упрощения построения цикла этими потерями пренебрегают. Построение цикла абсорбционной холодильной машины в  - i диаграмме производится в следующей последовательности. Точка пересечения изотермы Т4 с изобарой Рo определяет концентрацию крепкого раствора r и характеризует состояние жидкости на выходе из абсорбера (точка 4). Точка пересечения изотермы Т2 с изобарой Рk определяет концентрацию слабого раствора a и состояние жидкости в конце процесса кипения в генераторе (точка 2). Раствор низкой концентрации с температурой Т2 поступает в теплообменник и охлаждается встречным потоком холодного раствора высокой концентрации из абсорбера (линия 2-3) до температуры Т3. Температуру Т3 определяют в зависимости от температуры крепкого раствора, поступающего из абсорбера. концентрация слабого раствора в теплообменнике не изменяется, и его состояние на диаграмме определяется точкой пересечения линии a с изотермой Т3; при этом раствор может быть насыщенным или охлажденным ниже температуры насыщения Т3o при давлении Рo. Состояние раствора высокой концентрации на выходе из теплообменника (точка 1) определяется по тепловому балансу этого аппарата; оно должно быть близко к состоянию насыщения при давлении в генераторе (точка 1o). Если раствор переохлажден, то линия 1-1o характеризует процесс насыщения раствора при поступлении в генератор. Состояние пара в начале кипения определяется точкой пересечения изотермы Т1 в области влажного пара с изобарой Рk (точка 1'), а в конце процесса - точкой пересечения изотермы Т2 с той же изобарой. При идеальных условиях теплообмена между паром и раствором высокой концентрации в генераторе температуры пара и крепкого раствора будут равны и концентрация пара составит 1'. В действительности концентрация пара будет на 2 - 3% ниже этого значения. В процессе ректификации и дефлегмации концентрация пара увеличивается до значения d, близкого к 1. Если продолжить изотерму Т1 до пересечения с линией d = соnst, то отрезок 1"-5 будет изображать теплоту, отведенную в дефлегматоре. Конденсация хладагента с незначительным содержанием водяных паров происходит при постоянной концентрации. Пересечение линии d с изобарой жидкости Рk определяет состояние жидкости после конденсации (точка 6). Жидкость после конденсатора переохлаждается до состояния 6'. За счет присутствия в испарителе водорода давление хладагента снижается до значения Рo. Состояние жидкости на входе в испаритель характеризуется точкой 6', а состояние влажного пара в конце процесса кипения в испарителе соответствует точке 8. 1.5.3. Тепловой расчет процессов абсорбционной холодильной машины Тепловой расчет процессов абсорбционной холодильной машины выполняют после построения цикла в  - i диаграмме. Расчет удельных тепловых нагрузок проводят для 1 кг холодильного агента, поступающего в испаритель. Через аппараты абсорбционной машины циркулирует разное количество вещества. В конденсатор поступает пар в количестве D кг/ч, и такое же количество жидкости кипит в испарителе. Таким образом, из F кг/ч раствора, поступающего в генератор, в конденсатор уходит D кг/ч, а в абсорбер - (F - D) кг/ч. Кратность циркуляции раствора определяется отношением: . (1) Минимальное флегмовое число: . (2) Удельная теплота, отведенная от дефлегматора: qr = (1 + R) i1'  i5  Ri1o (3) Удельная теплота, передаваемая слабым раствором в теплообменнике: qt = (f  1)(i2  i3) (4) Удельная тепловая нагрузка генератора: qh = i5  i2 + f(i2  i1) + qr (5) i1 = i4 + (qt / f) (6) Удельная тепловая нагрузка конденсатора: qk = i5  i6 (7) Удельная тепловая нагрузка испарителя: qo = i8  i6'; (8) i8 = iо  [(iо  is)/(о  s)](о  d). (9) Удельная тепловая нагрузка абсорбера: qa = i8  i3 + f(i3  i4) (10) Удельное количество подведенной теплоты: qподв = qh + qo (11) Удельное количество отведенной теплоты: qотв = qa + qk + qr (12) Холодильный коэффициент:  = qo / qh (13) При графическом методе теплового расчета процессов осуществляется точное построение в выбранном масштабе   i диаграммы. Удельные тепловые нагрузки аппаратов в этом случае определяются графически по разности энтальпий начальных и конечных точек соответствующих процессов. По результатам теплового расчета, значениям разности температур в аппаратах и коэффициентам теплопередачи производится расчет необходимой площади теплопередающей поверхности аппаратов.      РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА 1.6 Теоретические основы термоэлектрического охлаждения Действие термоэлектрических устройств охлаждения основано на эффекте Пельтье. Этот эффект, а также два других, сопутствующих процессу охлаждения термоэлектрических эффекта — Зеебека и Томсона, обусловлены взаимным превращением электрической и тепловой энергии. Ниже рассмотрены эти эффекты, а также физические процессы в охлаждающих устройствах — термоэлементах и термобатареях. 1.6.1 Термоэлектрические явления Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из двух разнородных проводящих материалов 1 и 2 и собранную так, как показано на рис. 1. Если контакты проводников поддерживать при различных температурах ТаТв, например, с помощью термостатов (рис. 1,а), то в цепи появляется электродвижущая сила, называемая термо-ЭДС. Зарегистрировать ее можно, включив измерительный прибор в разрыв цепи. Это явление было открыто Зеебеком в 1821 г. Опыт показывает, что термо-ЭДС пропорциональна разности температур Та—Тв, если только эта разность достаточно мала: U=e(TA—ТВ), где е— коэффициент термо-ЭДС (или Зеебека), определяемый свойствами обоих контактирующих материалов, а также средней температурой цепи. Рис. 1 – Термоэлектрические эффекты Зеебека (а), Пельтье (б), Томсона (в) Если через ту же цепь (рис. 1,6) пропустить постоянный ток, то на одном из контактов тепло будет поглощаться, а на другом — выделяться. Этот эффект, открыт в 1834 г. французским физиком Пельтье. Этот эффект, открытый в 1834 г. Пельтье и впервые правильно интерпретированный Ленцем в 1838 г., является, по сути, обратным эффекту Зеебека. Теплота Пельтье на каждом контакте пропорциональна количеству электричества, прошедшему через контакт за время t: Оп = ПIt (1) Коэффициент Пельтье (П) зависит от свойств контактирующих материалов и температуры контакта. С помощью уравнения (1) коэффициент Пельтье можно определить как тепло, выделяющееся или поглощающееся на контакте при пpoxoждeнии через него единицы заряда. Эффект Томсона был теоретически предсказан в 1856 г. и установлен экспериментально в 1867 г. Сущность его состоит в следующем: если вдоль проводника с током имеется градиент температуры dT/dx, то в каждой единице объема проводника выделяется или поглощается тепло Q', пропорциональное току и градиенту температуры: (2) где  — коэффициент Томсона, определяемый свойствами проводника и температурой. Общее количество тепла Томсона, поглощенное в проводнике длиной l: (3) Знак теплоты Томсона зависит от знака  и относительного направления тока и градиента температуры в обоих проводниках. Поэтому в замкнутой цепи (рис. 1, 6), где направления градиента температуры в обоих проводниках одинаковы, а направления тока — противоположны, величина  равна: (4) где 1 и 2— средние значения коэффициентов Томсона для каждого из проводников. Все три термоэлектрических эффекта оказываются связанными между собой, причем эта связь может быть установлена с помощью законов термодинамики. Сами по себе термоэлектрические процессы являются обратимыми. Это значит, что если при одном направлении тока за время t от термостата А было отобрано некоторое количество тепла Пельтье, а в объеме проводника поглощено некоторое количество тепла Томсона, и обе эти теплоты переданы в виде тепла Пельтье термостату В, то при обратном направлении тока эти теплоты будут возвращены от термостата В термостату А и проводнику, так что вся система в целом возвратится в исходное состояние. Наряду с обратимыми процессами в термоэлектрической цепи имеют место также необратимые процессы — теплопроводность и выделение тепла Джоуля. Термодинамический анализ цепи предполагает одновременный учет всех процессов в ней и потому затруднен. В связи с этим Томсон предположил, что обратимые и необратимые процессы в термоэлектрической цепи протекают независимо друг от друга. В этом случае обратимые явления Пельтье, Зеебека и Томсона можно рассматривать отдельно, не учитывая влияние на них со стороны необратимых явлений. В дальнейшем справедливость такого допущения была подтверждена экспериментально и теоретически. Объяснение термоэлектрических эффектов возможно лишь на основе представлений современной физики. Поэтому ниже мы приведём некоторые сведения по физике твердого тела, позволяющие noнять сущность этих эффектов. В кристаллическом твердом теле атомы располагаются упорядоченно, образуя пpocтpанcтвeнную решетку. Вследствие близости атомов друг к другу их внешние электронные орбиты частично перекрываются, благодаря чему электроны могут свободно переходить от одного атома к другому. Квантовомеханическое взаимодействие электронов приводит к тому, что разрешенные энергетические уровни отдельных атомов расщепляются в знергетические зоны, в пределах которых электроны могут изменять свою энергию (см. рис. 2). Переход электронов с одного уровня разрешенной зоны на другой возможен лишь в случае, если последний не занят другим электроном. Это обстоятельство оказывается решающим в вопросе о способности кристалла проводить электрический ток. Разрешенные зоны в кристалле в общем случае отделяются друг от друга запрещенными для электронов зонами. В металлах верхняя разрешенная зона заполнена частично и валентные электроны в ней имеют возможность увеличивать свою энергию, разгоняясь во внешнем электрическом поле. В полупроводниках зона валентных электронов заполнена целиком, поэтому при слабых электрических полях электроны не могут увеличивать свою энергию и участвовать в создании тока. Необходим дополнительный, более мощный фактор, например тепловое возбуждение или излучение, способный сообщить электронам энергию, большую ширины запрещенной зоны, и перебросить их из валентной в следующую разрешенную зону, называемую зоной проводимости. Полупроводники, электрическая проводимость которых определяется только межзонным переходом электронов, называются собственными.. Следует отметить, однако, что освободившиеся электроны в зоне проводимости — не единственный вид носителей тока в таком полупроводнике. У «потолка» валентной зоны остаются освободившиеся уровни, на которые теперь могут переходить валентные электроны с меньшей энергией, разгоняясь в электрическом поле. Их движение в кристалле носит эстафетный характер. На месте оторвавшегося от атома электрона остается нескомпенсированный положительный заряд, который носит название дырки. Под действием внешнего поля на его место переходят электрон с соседнего (вдоль поля) атома, который в свою очередь ионизируется. Таким образом происходит поочередная ионизация цепочки атомов. Этот процесс коллективного смещения электронов эквивалентен движению дырок в противоположном направлении. Проводимость такого типа называется дырочной. Свойства полупроводника существенно изменяются при наличии в нем примесных атомов, энергетические уровни валентных электронов которых попадают в запрещенную зону. При этом, если валентный электрон примесного атома слабо связан с ним, то, например, при тепловом возбуждении он становится свободным — переходит в зону проводимости. Такая примесь называется донорной, а полупроводник — электронным (п-типа). Если, наоборот, пpимecный атом способен захватывать валентные электроны основного вещества, то уже небольшой дополнительной энергии достаточно для переброса электрона из валентной зоны на примесный уровень. В результате в валентной зоне остается дырка, способная участвовать в токе. Примесь такого рода называется акцепторной, а полупроводник — дырочным (р-типа). Таким образом, примесные полупроводники становятся электропроводными при температурах, гораздо меньших тех, при которых возникает собственная проводимость. При невысокой концентрации электронов в зоне проводимости (дырок в валентной зоне) квантовое взаимодействие между ними отсутствует. Такой полупроводник называется невырожденным в отличие от вырожденного, где квантовым взаимодействием носителей пренебречь нельзя. Распределение свободных носителей по разрешенным для них энергетическим уровням в зонах в общем случае описывается функцией Ферми, определяющей вероятность того, что уровень с энергией Е будет занят носителем: f(Е)=l/{l+exp[(Е—Ef ) / (kT)]}, (5) где k  постоянная Больцмана; Ef  энергетический уровень Ферми. При Т = 0 энергетический уровень Ef является границей заполненных уровней и располагается на энергетической диаграмме в середине между последним заполненным и первым незанятым уровнями. В металле ширина зазора ничтожно мала и Ef фактически равна энергии верхних (на диаграмме рис. 2) электронов. В собственном полупроводнике уровень Ферми pacпoлaгaeтcя в середине запрещенной зоны, в примесных — между уровнем примеси и границей соответствующей зоны. Уровень Ферми имеет смысл электрохимического потенциала, поэтому в системе контактирующих разнородных тел, находящихся в термодинамическом равновесии, он .всюду одинаков и изображается на энергетической диаграмме единой горизонтальной прямой. При нарушении равновесия за счет какого-либо внешнего воздействия (электрическое толе, градиент температуры) положение уровня Ферми вдоль системы тел изменяется. 1.6.2. Физическая сущность эффектов Пельтье, Зеебека и Томсона. Используя приведенные выше представления физики твердого тела, рассмотрим физические процессы, приводящие к возникновению термоэлектрических эффектов Пельтье, Зеебека, Томсона. В современных термоэлектрических устройствах охлаждения используется эффект Пельтье на контакте металла с примесным полупроводником п- или р-типа. Зонные диаграммы таких контактов показаны на рис. 2. В состоянии равновесия уровень Ферми представляется единой горизонтальной линией, проходящей через металл и полупроводник. Рис. 2 – Зонная диаграмма контакта металла с полупроводниками п- (а) и р- (б) типа Рассмотрим вначале полупроводник п-типа (рис. 2,а). При пропускании чepeз контакт тока указанной полярности электроны из металла входят в полупроводник. Однако такой переход оказывается возможным не для всех электронов. Действительно, в металле средняя энергия электронов, создающих ток, соответствует уровню Ферми. В полупроводнике же электроны находятся в зоне проводимости и должны иметь энергию, большую на величину Ef (уровень Ферми в полупроводниках п-типа отсчитывается от дна зоны проводимости и потому отрицателен). Кроме того, электроны, создающие ток через полупроводник, находятся в тепловом движении и имеют запас тепловой энергии. Таким образом, из металла в полупроводник уходят только наиболее быстрые электроны, энергия которых превышает среднее значение. Приходящие же на их место из глубины металла новые электроны находятся чаще всего на энергетическом уровне Ферми и, естественно, нe могут восполнить убыли энергии электронного газа вблизи контакта — электронный газ охлаждается. Тем самым нарушается его тепловое равновесие с кристаллической решеткой металла. Сталкиваясь с атомами, электроны будут поглощать энергию больше, чем отдавать. В результате тепловая энергия атомов и температура решетки понизятся — металл у контакта с полупроводником охладится. При обратном направлении тока электроды из полупроводника переходят в металл, сохраняя свою энергию Ē. Эта энергия больше равновесной для металла (энергия Ферми) и отдается атомам при столкновении их с электронами на расстоянии нескольких длин свободного пробега от контакта. Металл у контакта нагревается. Если полупроводник р-типа (рис. 2), процесс охлаждения или нагрева на контакте с металлом протекает аналогично. При анализе зонной диаграммы нужно только иметь в виду, что в металле дырки образуются ниже уровня Ферми, причем энергия их тем больше, чем «глубже» они находятся, поэтому энергия дырок, способных перейти в полупроводник, отсчитывается вниз от уровня Ферми. Зонная диаграмма контакта металл - полупроводник, строго говоря, отличается от приведенной на рис. 2. При соприкосновении металла и полупроводника, ввиду различия их уровней Ферми, возникает контактная разность потенциалов, которая искривляет энергетические зоны. Например, при контакте с полупроводником п-типа, если уровень Ферми последнего ниже, чем у металла, часть электронов из металла переходит в полупроводник, в котором образуется так называемый антизапирающий слой (рис. 3, а) — зоны изгибаются вниз. Такой контакт, очевидно, не представляет препятствия для электронов, и картина эффекта Пельтье подобна описанной выше. Если же исходный уровень Ферми полупроводника п-типа выше, чем у металла, часть электронов переходит в металл, оставляя в полупроводнике запирающий слой, обедненный электронами и имеющий поэтому более высокий электрический потенциал (рис. 3,6). Запирающий слой создает дополнительный потенциальный барьер для электронов, переходящих из металла в полупроводник. Следовательно, эти электроны должны обладать еще большей, чем отмечалось выше, энергией, их уход сильнее нарушает тепловое равновесие в металле и последний сильнее охлаждается. Однако по другую сторону запирающего слоя, в полупроводнике, энергия перешедших электронов оказывается уже больше средней энергии электронов полупроводника. Избыток энергии через столкновения с атомами отдается решетке, так что полупроводник сразу за запирающим слоем нагревается. В результате суммарный охлаждающий эффект Пельтье остается прежним и определяется разностью средних энергий движущихся электронов в металле и полупроводнике. Толщина запирающего и антизапирающего слоев зависит от концентрации носителей тока в полупроводнике и уменьшается с ее ростом. В полупроводниковых материалах, применяемых в технике термоэлектричества, концентрация свободных носителей настолько велика, что толщина слоя становится ничтожно малой. При этом вступает в действие новый механизм проводимости — туннельный эффект. Электроны, переходящие из металла в полупроводник и обратно, не преодолевают потенциального 6apьepa запирающего слоя, а пронизывают этот барьер насквозь. Вследствие этого потенциальный барьер уже не оказывает влияния на энергию переходящих электронов и его можно не принимать во внимание. Зонная диаграммы упрощается и приобретает вид, показанный на рис. 2. Эффект Зеебека определяется как возникновение ЭДС в цепи из последовательно соединенных разных материалов, если контакты имеют разные температуры. Рассмотрим электрическую цепь, состояющую из полупроводникового стержня п-типа и двух металлических проводников (рис. 4). Контакты стержня с проводниками поддерживаются при различных температурах T1 и Т2 (T2>Т1). Внизу на рис. 4 приведена зонная диаграмма такой цепи. Термо-ЭДС в рассматриваемой цепи может быть вызвана рядом причин. Главные из них — следующие. Рис. 3 – Искривление энергетических зон полупроводника вблизи контакта с металлом: а – антизапирающий слой; б – запирающий слой. Рис. 4 – Потенциальная диаграмма термоэлектрической цепи металл – полупроводник - металл 1. Если донорные уровни в полупроводнике не истощены, то при повышении температуры концентрация электронов в зоне проводимости растет. Поэтому на горячем конце полупроводника число свободных электронов будет больше, чем на холодном. Возникающий градиент концентрации электронов вызовет их диффузию от горячего конца стержня к холодному. Они будут накапливаться на холодном конце, оставляя нескомпенсированный положительный заряд нa горячем. В результате в стержне возникнет электрическое поле и электрический ток, направленный навстречу диффузионному. Напряженность поля растет до тех пор, пока в стационарном состоянии оба тока не сравняются. Таким образом, между концами стержня установится разность потенциалов. 2. Энергия электронов в зоне проводимости пропорциональна температуре. Поэтому электроны у горячего конца имеют большую тепловую энергию, чем у холодного. Более быстрые электроны диффундируют от горячего конца к холодному, что также приводит к возникновению ЭДС. Обе ЭДС являются следствием движения электронов в объеме полупроводника и в сумме составляют так называемую объемную термо-ЭДС Uоб. Объемная термо-ЭДС повышает электрический потенциал горячего конца стержня, а следовательно, и потенциальную энергию находящихся здесь электронов. На рис. 4 это отражено в виде наклона энергетических зон. 3. Ввиду различия исходных положений уровней Ферми полупроводника и металла между ними возникает, как отмечалось, потенциальный барьер и, следовательно, электрическая контактная разность потенциалов. Такие разности потенциалов существуют на обоих контактах цепи и при одинаковых температурах контактов компенсируют друг друга. При повышении температуры уровень Ферми в полупроводнике смещается. Это приводит к тому, что обе контактные разности потенциалов уже не компенсируются и возникает результирующая контактная ЭДС. Полная термо-ЭДС цепи есть сумма объемной и контактной составляющих. (6) На рис. 4 уровень Ферми уже не изображается единой прямой в металле и полупроводнике, как это имеет место в равновесном состоянии. При наличии градиента температуры и электрического поля в полупроводнике равновесие оказывается нарушенным. Наклон уровня Ферми как раз и отражает возникшую разность электрических потенциалов. Эффект Томсона состоит в поглощении или выделении тепла в объеме проводника с током при нaличии в нем градиента температуры. Рассмотрим диаграмму рис. 4. Ввиду наклона энергетических зон равновесная энергия электронов у горячего конца выше, чем у холодного. Поэтому перемещаясь от холодного конца к горячему, электроны должны откуда-то приобретать дополнительную энергию — по сути имеет место распределенный по длине дополнительный эффект Пельтье. Часть необходимой энергии электроны получают, разгоняясь в электрическом толе термо-ЭДС. Если этой энергии оказывается недостаточно, электроны отбирают энергию от кристаллической решетки, которая три этом охлаждается. Если же, наоборот, энергия, приобретенная электронами в поле термо-ЭДС, слишком велика, избыток ее выделяется в виде тепла. При противоположном направлении тока процессы протекают в обратном направлении. 6.1.3. Энергетические процессы в термоэлементах В реальных термоэлектрических устройствах используются не отдельные полупроводниковые стержни, а термоэлементы, состоящие из двух стержней п- и р-типа, называемых ветвями (рис. 5). Ветви соединяются между собой металлической коммутационной пластиной. При протекании тока указанной на рис. 5 полярности на спае 1 электроны из коммутационной пластины переходят в ветвь п-типа, а дырки — в ветвь р-типа. При этом один спай охлаждается, а на противоположных спаях электроны и дырки выходят из ветвей в коммутационные пластины и нагревают их. Обычно нагревающиеся — горячие — спаи путем интенсивного теплоотвода поддерживают при температуре, более или менее близкой к температуре окружающей среды. Тогда на холодном спае можно получить существенно более низкую температуру. Рис.5 Действие эффекта Пельтье при протекании тока через полупроводники p- и n-типов проводимости. Наличие перепада температуры на термоэлементе приводит к появлению на нем термо-ЭДС. Так как ветви имеют различные типы проводимости, термо-ЭДС ветвей складываются. Наконец, при протекании тока в ветви с разными температурами концов в объеме ветви возникает эффект Томсона. В полупроводниковых материалах, используемых в термоэлементах, абсолютная величина коэффициента термо-ЭДС растет с температурой. Поскольку в обеих ветвях носители тока движутся от холодного конца к горячему, тепло Томсона в них поглощается. Таким образом, при работе термоэлемента имеют место все три термоэлектрических эффекта — Пельтье, Зеебека, Томсона. На них накладываются необратимые явления — выделение Джоулева тепла в объеме ветви и поток тепла, обусловленный градиентом температуры. Совокупность этих эффектов определяет распределение температуры а ветви термоэлемента, его охлаждающую способность и другие характеристики. Для получения большего количества холода термоэлементы набираются в батареи (рис. 6). При этом они обычно соединяются последовательно в электрическую цепь и параллельно по отношению к тепловому потоку. Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном электрическом соединении нескольких таких термопар теплота, поглощаемая на контакте типа n-p выделяется на контакте типа p-n. Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар, обычно соединяемых между собой последовательно по току и параллельно по потоку теплоты. Термопары помещаются между двух плоских керамических пластин (Рис.2). Количество термопар может изменяться в широких пределах - от нескольких единиц до тысяч пар, что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватт до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные примеси, например, селен и сурьму. Рис.6. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля. При прохождении через ТЭМ постоянного электрического тока образуется перепад температур между его сторонами: одна пластина (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. При использовании ТЭМ необходимо обеспечить эффективный отвод тепла с его горячей стороны, например, с помощью воздушного радиатора или водяного теплообменника. Если поддерживать температуру горячей стороны модуля на уровне температуры окружающей среды, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже. Степень охлаждения будет пропорциональна величине тока, проходящего через ТЭМ. Внешний вид типового ТЭМ представлен на Рис.7. Рис.7. Внешний вид термоэлектрического модуля.   Основные области использования термоэлектрических модулей Термоэлектрический модуль является уникальным устройством по преобразованию электрической и тепловой энергии. Он позволяет осуществлять как прямое преобразование энергии (из электрической в тепловую) – режимы охлаждения или нагрева, так и обратное преобразование – режим генерации электрической энергии. Термоэлектрический модуль может также использоваться как устройство для измерения температуры или потока тепловой энергии. Таким образом, можно выделить три основные сферы применения модулей: • охлаждение или нагрев; • генерация электрической энергии; • термометрия. В зависимости от сферы применения, существуют различные особенности использования термоэлектрического модуля. При всем многообразии возможностей по использованию термоэлектричества можно выделить следующие основные области применения модулей: • Изделия широкого потребления: переносные холодильники и морозильники различного объема и назначения, охладители питьевой воды и тонизирующих напитков, охладители для вина и пива, охлаждающие коробки и шкафы для магазинов и кафе и т.п. • Радиоэлектроника: миниатюрные охладители для входных каскадов высокочувствительных приемников и усилителей, охладители для мощных генераторов и радиоэлементов, лазерных излучателей, лазерных систем и ПЗС (CCD) матриц, параметрических усилителей различного назначения, фотоприемников (фотодиоды, фототранзисторы, фотоумножители), охладители для микропроцессоров, электронных плат и блоков. • Медицина: мобильные охладительные контейнеры для хранения биологических тканей и жидкостей (кровь, плазма, лимфа, другие биологические растворы), офтальмологические приборы для пересадки хрусталика глаза, микропинцеты, охладительные одеяла и подстилки, приборы для лечения и профилактики кожных заболеваний, анестезиологическое оборудование, косметические и фармацевтические изделия. • Точное машиностроение: поддержание постоянной температуры ответственных систем и узлов различных станков и машин. • Научное и лабораторное оборудование: камеры холода и замораживатели, термостаты, лабораторные пластины и столики с охлаждением, термокалибраторы, ступенчатые охладители, охладители и термостабилизаторы датчиков различного назначения, датчики тепловых потоков, приемники излучения, микрокалориметры, термоэлектрические трансформаторы. • Устройства климатизации: термоэлектрические кондиционеры различного назначения, климатические камеры, устройства стабилизации влаги и температуры для шкафов и блоков электронной аппаратуры, библиотек и фильмотек, термостабилизаторы для аквариумов, флорариумов и террариумов. • Энергетика: утилизаторы бросового тепла, автономные источники питания для устройств автоматики, изотопные источники питания для космических станций. Особенности применения термоэлектрических модулей для охлаждающих устройств Охлаждающие устройства на основе термоэлектрических модулей выполняют те же функции, что и традиционные компрессионные или абсорбционные холодильные агрегаты, работающие на основе хладагентов. В отличие от традиционных холодильных агрегатов, в термоэлектрических модулях роль хладагента выполняет электронный газ и, по сути дела, модули представляют собой твердотельные тепловые насосы. Термоэлектрические охладители обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами охлаждающих устройств: 1. Абсолютная бесшумность работы; 2. Отсутствие подвижных частей и рабочих жидкостей; 3. Возможность работы в любом пространственном положении; 4. Малый размер и вес охлаждающей системы и, как следствие, возможность построения миниатюрных охладителей; 5. Высокая надежность (среднее время наработки на отказ термоэлектрических модулей составляет не менее 200 000 часов); 6. Возможность реализации охлаждения и подогрева в одном блоке (путем простой смены полярности напряжения питания модуля); 7. Возможность охлаждения до сверхнизких температур; 8. Простота управления и возможность прецизионной регулировки температуры; Указанные преимущества обуславливают постоянный рост спроса на термоэлектрические модули во всем мире и возникновение новых областей для их применения. При мощностях охлаждения до нескольких десятков ватт термоэлектрические охладители обладают наивысшей среди всех остальных устройств эффективностью, имея при этом низкую стоимость и высокую надежность работы. Для специальных приложений с особыми требованиями по надежности применение термоэлектрических модулей оправдано даже для мощностей, измеряемых десятками киловатт.        РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА 1.8 Холодильные агенты 1.8.1. Основные физические свойства холодильных агентов Хладагент, как известно, необходим для осуществления обратного термодинамического цикла. Хладагент может быть веществом (естественным или искусственным) или смесью веществ. Хладагент должен отвечать многим требованиям, касающимся термодинамических и теплофизических свойств, химической стабильностью и инертностью по отношению к конструкционным материалам и смазочным маслам, а также многочисленных эксплуатационных свойств. Идеального хладагента нет, поэтому для различных по целевому назначению и условиям эксплуатации холодильных систем выбирают тот, который эффективней других. В связи с этим существует большое число хладагентов, но практическое применение нашли немногие. Так, за время применения искусственного охлаждения использовалось приблизительно 50 веществ и их смесей в качестве хладагентов, из которых примерно 15 наиболее широко. К наиболее распространенным до недавнего времени относятся так называемые хладоны (фреоны), которые получены искусственно и представляют собой производные галогенов ациклических (предельных и непредельных) и циклических углеводородов. В частности, это хлорфторуглероды (ХФУ или в английской транскрипции CFC) и гидрохлорфторуглероды (ГХФУ или HCFC). Хладагент может быть однокомпонентным (чистым веществом) и многокомпонентным (смесью веществ). С термодинамической точки зрения смеси могут быть азеотропными и неазеотропными (зеотропными). Азеотропная смесь характеризуется постоянством равновесных массовых долей компонентов в жидкой и паровой фазах и постоянством температуры при кипении и конденсации. А неазеотропная смесь отличается различием равновесных массовых долей компонентов в жидкой и паровой фазах и переменными температурами кипения и конденсации при постоянном давлении. Многокомпонентные хладагенты применяют потому, что изменяя состав и массовые доли компонентов, можно получить такие свойства и характеристики свойств, которые не имеют чистые вещества. Так, применение смесей позволяет осуществлять циклы с переменными температурами кипения и конденсации, увеличить холодопроизводительность, расширить температурный диапазон использования хладагента, улучшить характеристики цикла. Существенным недостатком неазеотропных смесей является то, что их первоначальный состав изменяется в процессе эксплуатации из-за утечек компонентов. Хладагенты в соответствии с международным стандартом (ИСО) обозначают буквой R или словом и цифрами, которые соответствуют конкретному веществу или смеси веществ. Так, для хладонов цифры расшифровывают так. Первая цифра в двухзначном номере или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот предельный углеводород СnН2n + 2, из которого получен хладон. Приняты такие цифры: 1 - СН4 (метан); 11 - С2Н6 (этан); 21 - С3Н8 (пропан); 31 - С4Н10 (бутан). Следующая цифра справа указывает на число атомов фтора, например, CF2Cl2 - R12; CF3CF2Cl - R115; CF3CF2CF2Cl - R217. Если есть в молекуле атомы водорода, то к первой цифре у метана и второй у этана, пропана и бутана прибавляют число, равное числу незамещенных атомов водорода: CHF2Cl - R22; С2Н3Сl - R143. В обозначении бромсодержащих хладонов после чисел ставят букву В и цифру, равную числу атомов брома: CF2ClB - R12B1. Перед числовым обозначением циклических насыщенных углеводородов ставят букву С: C4F8 - RC318. Асимметричные изомеры галогенопроизводных имеют одинаковое цифровое обозначение с симметричными и букву, после цифр: R134a, R142b. Чистые углеводороды с числом атомов углерода больше 3 иногда обозначают цифрами, начиная с 600: R600 - н-бутан, R600a - изобутан. Хладагенты, являющиеся смесью веществ, обозначают, указывая компоненты и их массовые доли в порядке повышения нормальной температуры кипения. Некоторых смеси обозначают цифрами: неазеотропные, начиная с 400, например, R401A [R22/R152/R124 (53/13/34)], R404A [R125/R143a/134a (44/52/4)], R410A [R32/R125 (50/50)], а азеотропные (которые в процессах кипения и конденсации не изменяют соотношение массовых долей), начиная с 500, например, R502 [R22/R115 (48,8/51,2)], R503 [R13/R23 (59,9/40,1)], R507 [R125/143a (50/50)]. Смеси обозначают и торговыми марками, например, НР80 [R125/R290/R22 (38/2/60)] фирма Дюпон. Хладагенты неорганического происхождения обозначают номером, начиная с 700, прибавляя к нему молекулярную массу вещества, например, R717 (аммиак), R718 (вода), R744 (диоксид углерода). Существует гипотеза о том, что некоторые ХФУ разлагаются в верхних слоях атмосферы Земли под действием излучения с выделением атомов хлора и брома, которые взаимодействуют с озоном в стратосфере. В результате разрушается озоновый слой Земли, который защищает от облучения ультрафиолетовыми лучами солнца людей, животных и растения. Уменьшение концентрации озона в стратосфере представляет глобальную экологическую опасность для существования биологической формы жизни на Земле. Впервые в международном масштабе эта проблема обсуждалась Венской Конвенцией в 1985 г. Затем в соответствии с Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП) в 1987 г. всеми развитыми странами был подписан Монреальский Протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Протокол предусматривал постепенное сокращение с последующим прекращением использования и производства озоноразрушающих веществ. Кроме того, галогенопроизводные углеводороды по степени влияния на озоновый слой были разделены на три группы: Первая группа включает ХФУ (CFC), обладающие самым высоким показателем - потенциалом разрушения озонового слоя, обозначаемого ODP(Ozon Depleting Retention), например R11, R12, R113, R115, R12B1, R502. Если принять для R12 ODP = 1, то для первой группы ODP > 0,05. Вторая группа включает ГХФУ (HCFC), в молекуле которых есть водород, снижающий их озоноактивность, с показателем ODP < 0,05, например для R22 ODP = 0,05, R124 ODP = 0,022. Третья группа включает гидрофторуглероды ГФУ (HFC), у которых ODP = 0, например R23, R32, R125, R134a, R152a. Монреальский Протокол также установил ограничения на производство, применение и торговлю не только озоноразрушающими хладагентами, но и на то холодильное оборудование, которое предназначено для этих хладагентов. Многие государства также ввели экономические ограничения, например такого рода, что потребитель, покупая озоноопасный хладагент или оборудование на этом хладагенте, должен заплатить налог, превышающий стоимость покупаемого товара. В короткий срок перейти на озонобезопасные хладагенты невозможно, так как требуются новые технологии производства, большие производственные мощности для выпуска хладагентов и нового холодильного оборудования. Поэтому было решено временно (до 2030 г.) использовать существующие хладагенты второй группы, как правило представляющие собой смеси, и ими же заправлять то холодильное оборудование, которое предназначалось для хладагентов первой группы. Такие хладагенты называют переходными, примером являются R401A (R22/R152a/R124), R402B (R22/R125/R290) и др. В 1997 г. в Киото был принят ряд документов, которые ужесточают ранее введенные ограничения и расширяют область их действия. Например, сокращается срок выпуска ГХФУ, которые должны быть заменены на ГФУ и природные хладагенты. Кроме того, хладагенты должны незначительно влиять на парниковый эффект Земли. Такое свойство хладагента характеризуют показателем, называемым потенциалом глобального потепления GWP (Global Warming Potention), который оценивает данный хладагент по отношению обычно к СО2, например, R134a имеет GWP = 420, a R22 - GWP = 5100. Физические свойства холодильных агентов                     Горючесть   Группа хладагента   Номер хладагента R     Химическое название     Химическая формула Относительная молекулярная   Газовая постоянная Точка кипения при 101,3 Температура замерзания Критическая температура Абсолют-ное критическое давление   Температура воспламенения Взрывоопасный диапазон концентрации в воздухе         масса   кПа     Нижний предел Верхний предел           Дж/ (кгК) С С С bar С % (V/V) % (V/V)   11 Фтортрихлорметан CCl3F 137,4 60,5 23,8 -111 198 43,7         12 Дифтордихлормеган ССl2F2 120,9 68,64 29,8 -158 112 41,2         12B1 Дифторбромхлорметан CBrClF2 165,4   -4               13 Трифторхлорметан СС1F3 104,5 79,64 -81,5 -181 28,8 38,6         13B1 Трифторбромметан СВгF3 148,9 55,9 -58 -168 67 39,6         22 Дифторхлорметан CHC1F2 86,5 96,2 40,8 -160 96 49,3       1 23 Трифторметан СНF3 70,0   -82               113 Трифтортрихлорэтан CC12FCC1F2 187,4 44,44 47,7 -35 214,1 34,1         114 Тетрафтордихлорэтан CC1F2CC1F2 170,9 48,64 3,5 -94 145,7 32,8         115 Пентафторхлорэтан CC1F3CF2 154,5 53,84 -38,7 -106 80 31,2         500 R12 (73,8%) + R152a (26,2%) CC12F2/CH3CHF2 99,29 83,75 -28 -159 105 43,4         502 R22 (48,8%) + R115 (51,2%) CHC1F2/CC1F2CF3 112 74,52 -45,6   90 42,7         744 Углекислый газ СO2 44 189 -78,5 -56,6 31 73,8         30 Метилен хлористый СН2Сl2 84,9 978,6 40,1 -96,7 250 46,1         40 Метил хлористый СН3С1 50,5 164,7 -24 -97,6 143 66,8 625 7,1 18,5   160 Этил хлористый С2Н5С1 64,5 128,9 12,5 -138,7 187,2 52,7 510 3,6 14,8 2 611 Метил формат С2Н4O2 60 138,6 31,2 -104,4 214 60 456 4,5 20   717 Аммиак NH3 17 488,3 -33,3 -77,9 132,4 113 630 15 28   764 Двуокись серы SO2 64 129,8 -10,0 -75,5 157,5 78,8 — — —   1130 Дихлорэтилен СНС1-СНС1 96,9 85,8 48,5 -56,7 243 53,3 458 6,2 16   170 Этан С2Н6 30 276,5 -88,6 -183 32,1 49 515 3,0 15,5   290 Пропан С3Н8 44 188,6 -42,8 -188 96,8 42,6 470 2,1 9,5 3 600 Бутан С4Н10 58,1 143,2 0,5 -135 152,8 35,5 365 1,5 8,5   600a Изобутан СН(СН3)3 58,1 143,2 -10,2 -145 133,7 37 460 1,8 8,5   1150 Этилен С2Н4 28 296,1 -103,7 -169,4 9,5 50,6 425 2,7 34   1270 Пропилен С3Н6 42,1 197,7 -48 -185 91,5 46,0 497 2,0 11,4   1.8.2. Термодинамические свойства хладагентов. Термодинамические (молекулярная масса М, показатель адиабаты k, удельная изоэнтропная работа lиз, температуры кипения tо, конденсации tк, критическая tкр, давления кипения ро, конденсации рк, критическое pкр, удельный объем всасываемого в компрессор пара vвс, удельная теплота парообразования rо и др.) и теплофизические (удельные теплоемкости насыщенной жидкости с', сухого насыщенного пара с", перегретого пара ср, теплопроводность λ, динамическая вязкость μ, коэффициент поверхностного натяжения ∑ и др.) характеристики, а точнее комплексы из параметров (с'/rо, с"/rо, cр/rо, lад/vвс, π, qv и др.), рассматривают с точки зрения их влияния: на показатели термодинамического цикла, конструктивные характеристики холодильного оборудования, эксплуатационные и экономические показатели оборудования и холодильных систем в целом. Кроме того, на характеристики влияют нормальная (при атмосферном давлении) температура кипения. Разность давлений pк - pо определяет нагрузку на элементы механизма движения. Отношение давлений π обусловливает число ступеней сжатия, характеристики компрессора (коэффициент подачи λ, эффективный КПД ηe), а совместно с показателем адиабаты k влияет на конечную температуру адиабатного процесса сжатия. Удельная объемная холодопроизводительность qv влияет на массу и размеры компрессора (геометрические характеристики, теоретическую объемную подачу), диаметры аппаратов и трубопроводов. Удельная изоэнтропная работа сжатия lиз влияет на мощность компрессора и его приводного двигателя. Она уменьшается при увеличении молекулярной массы М. Теплофизические свойства влияют на интенсивность теплообмена в аппаратах, которая увеличивается с повышением теплопроводности λ, теплоты фазового перехода r и с уменьшением динамической вязкости μ, удельного объема vвс и поверхностного натяжения ∑ хладагента. Кроме того, хладагенты должны быть: инертными по отношению к конструкционным материалам и веществам, с которыми могут контактировать в процессе работы (маслу, воде, хладоносителю, хладагенту); химически стабильными; нетоксичными; пожаро- и взрывобезопасными; взаимно растворимыми с маслом и водой; инертными по отношению к стратосферному озону, а также незначительно влиять на парниковый эффект. 1.8.3. Применение хладагентов. Как известно, универсальных хладагентов нет, поэтому выбирают тот, который в наибольшей степени соответствует требованиям эксплуатации. В большинстве случаев предпочтение отдают хладагентам с минимальными значениями tо.н, pк, Δp, pi, lиз, lиз/vвс, k и максимальными значениями vвс, рк, qv, cр/rо. В настоящее время предлагается много новых озонобезопасных хладагентов, но достаточно полных данных по их свойствам нет. А практическое применение сейчас нашли следующие хладагенты: R22, R134а, R404A, R507, R717 в промышленных холодильных установках; R22, R134a, R290, R404A, R507, R744 в торговых холодильных установках; R22, R134а, R717, R744 в тепловых насосах; R22, R134a, R744 в системах кондиционирования воздуха; R22, R134a, R404A, R410A в транспортных холодильных установках; R 134a, R290, R600a в бытовых холодильных установках. R22 - это безопасный и универсальный хладагент, используемый во всех видах холодильных установок и в компрессорах любого типа в диапазоне температур -70 < tо < 10°С при tк < 35°С. Он имеет молекулярную массу Μ = 86,47 кг/кмоль, нормальную температуру tо.н = -40,9°С, входит в состав всех ретрофитных смесей. Но вследствие высокой озоноактивности ODP = 0,055 и GWP = 1700 его выпуск должен быть прекращен к 2030 г. R134a - это озонобезопасный хладагент с ODP = 0 и GWP = 420, не токсичный и не огнеопасный, заменяющий R12 и R22 в некоторых областях, но уступающий им по энергетическим и объемным характеристикам, эксплуатационным показателям. Он имеет массу Μ = 102,03 кг/кмоль, температуру tо.н= - 26,1°С и rо = 198,4 кДж/кг, входит в состав многокомпанентных хладагентов. R407C - это трехкомпонентная смесь R32/R125/R134a (23/25/52) - новый озонобезопасный хладагент с ODP = 0 и GWP = 1600, нетоксичный, неогнеопасный, заменяющий R22 в диапазоне температур -30 < t < 20°С. Он имеет массу Μ = 88,83 кг/кмоль, температуру tо.н = -44°С и температурную разность Δtр = 0,72 К (разность между начальной и конечной температурами фазового перехода при постоянном давлении). Этот хладагент - наилучший из существующих альтернатив R22. Он может использоваться в существующих холодильных установках без существенного их изменения. R32 - новый озонобезопасный хладагент ODP = 0 и GWP = 580, нетоксичен, пожароопасен. Он имеет массу Μ = 52,02 кг/кмоль, температуру tо.н = -51,7°С и rо = 391,5 кДж/кг и обладает высокими энергетическими показателями. Но ввиду своей пожароопасности используется как компонент в смесях, альтернативных R22 и R502. R125 - озонобезопасный хладагент, имеющий ODP = 0, GWP = 3200, массу Μ = 120,02, температуру tо.н = -48,6°С и rо = 158 кДж/кг, нетоксичен, непожароопасен. Он применяется как компонент в смесях, альтернативных R22 и R502. R410А - это двухкомпонентная почти азеотропная смесь R32/R125 (50/50) - хладагент, имеющий ODP = О, GWP = 1900, массу Μ = 86,02 кг/кмоль, температуру tо.н = -52,7°С, температурную разность Δtр = 0,1 К и rо = 256 кДж/кг. Он нетоксичный, неогнеопасный, имеет высокие энергетические показатели, а при tо > - 10°С и tк > 35°С по эффективности не уступает R22 R502. R507 - это азеотропная двухкомпонентная смесь R125/R143a (50/50) - хладагент, имеющий ODP = О, GWP = 3800, массу Μ = 102,03 кг/кмоль, температуру tо.н = -46,7°С и rо = 196 кДж/кг, нетоксичен, непожароопасен. Он близок к R502 по энергетическим характеристикам. R143a - это новый хладагент, имеющий ODP = О, GWP = 4400, массу Μ = 84,04 кг/кмоль, tо.н = -47,4°С и rо = 236,6 кДж/кг, нетоксичен, пожароопасен. Его энергетические характеристики характеристики ниже, чем у R22, но близки к R502. Он входит в состав многокомпонентных смесей, которые могут заменить R22 и R502. R717 - это природное вещество аммиак, имеющее ODP = О, GWP = О, Μ = 17,03 кг/кмоль, температуру tо.н = -33,5°С и rо = 1369,7 кДж/кг, токсичное, пожароопасное. R717 наиболее эффективный хладагент для промышленных холодильных установок в диапазоне температур -50 < tо < 10°С при tк < 55°С. С появлением смазочных материалов (например на основе полиальфагликолей), растворимых в аммиаке, стали применяться аммиачные торговые холодильные установки. R290 - это природное вещество пропан, имеющее ODP = О, GWP = 3, массу Μ = 44,09 кг/кмоль, температуру tо.н = -42,1°С и rо = 231,2 кДж/кг, нетоксиченое, пожароопасное. R290 обладает высокой эффективностью в диапазоне температур -40 < t < 10°С. Но вследствие пожароопасности применяется в торговых и бытовых холодильных установках и бытовых кондиционерах, где в систему заправляется небольшая масса хладагента, ограниченная условием - не более 0,043 кг на 1 м3. R744 - это природное вещество диоксид углерода, характеризующийся ODP = О, GWP = 1, массу Μ = 44,01 кг/кмоль, температурой сублимации tсуб = -78,5°С и rсуб = 570,9 кДж/кг, нетоксичное, непожароопасное. R744 считается перспективным для холодильных установок промышленных, торговых и тепловых насосов, которые укомплектованы оборудованием с рабочим давлением свыше 4 МПа. R600a - природное вещество изобутан, имеющее ODP = 0, GWP - 3, массу Μ = 58,52 кг/кмоль, температуру tо.н = -11,73°С и rо = 74,85 кДж/кг, нетоксичное, пожароопасное. Он применяется как компонент в смеси с R290 в бытовых холодильниках и тепловых насосах. 1.9. ПРОЦЕССЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА 1.9.1. Общие сведения о процессах кондиционирования воздуха Здоровье, работоспособность, да и просто самочувствие человека в значительной степени определяются условиями микроклимата и воздушной среды в жилых и общественных помещениях, где он проводит значительную часть своего времени. Если говорить о физиологическом воздействии на человека окружающего воздуха, то следует напомнить, что человек в сутки потребляет около 3 кг пищи и 15 кг воздуха. Что это за воздух, какова его свежесть и чистота, душно, жарко или холодно человеку в помещении, во многом зависит от инженерных систем, специально предназначенных для воздушного комфорта. Среди таких систем можно выделить: систему вентиляции, систему отопления (либо комбинированную отопительно-вентиляционную систему) и систему кондиционирования воздуха (СКВ). Воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией, создает в помещении вполне удовлетворительный микроклимат и обеспечивает благоприятные условия воздушной среды. СКВ представляет собой систему более высокого порядка (с большими возможностями). Принципиальное преимущество состоит в том, что помимо выполнения задач вентиляции и отопления, СКВ позволяет создать благоприятный микроклимат (комфортный уровень температур) в летний, жаркий период года, благодаря использованию в своем составе фреоновой холодильной машины. Таким образом, подготовка воздуха в СКВ может включать его охлаждение, нагрев, увлажнение или осушку, очистку (фильтрацию, ионизацию и т.п.), причем система позволяет поддерживать в помещении заданные кондиции воздуха независимо от уровня и колебаний метеорологических параметров наружного (атмосферного) воздуха, а также переменных поступлений в помещение тепла и влаги. На теплоощущения человека оказывают влияние, в основном, следующие четыре фактора: температура и влажность воздуха, скорость его перемещения (подвижность) и температура ограждающих поверхностей помещения. При различных комбинациях этих параметров тепловые ощущения человека могут оказаться одинаковыми. Необходимо иметь в виду, что хотя теплоощущение и определяется перечисленными параметрами, не любое их сочетание обеспечивает комфортные условия. Каждый из этих параметров может быть изменен не произвольно, а только в некоторых определенных пределах, удовлетворяющих условиям комфортных теплоощущений. Знание допустимых пределов колебаний температуры, влажности и подвижности воздуха позволяет регламентировать применение тех или иных видов СКВ. Если человек не ощущает ни холода, ни перегрева, ни движения воздуха около тела, метеорологические кондиции окружающей его воздушной среды (с учетом температуры поверхности ограждений) считаются в тепловом отношении комфортными. Иными словами, он чувствует себя комфортно в том случае, когда от него нормально (без форсирования теплоотдачи) отводится столько тепла, сколько вырабатывает его организм, т.е. комфортное теплоощущение человека зависит от баланса между теплогенерацией и теплопотерями в окружающую среду. В результате теплогенерации и теплопотерь внутренняя температура человеческого тела поддерживается на уровне 36,6 – 36,8 0С и управляется довольно сложным механизмом автоматической терморегуляции организма: уменьшением или увеличение потока крови через кожный покров, а также усиленным или заторможенным обменом (расходом энергии). Температура кожного покрова человека зависит от параметров окружающего воздуха и, в среднем, равна 33 0С. Благодаря автоматической терморегуляции организма человек приспосабливается к изменению параметров окружающего воздуха. Однако эта терморегуляция эффективна лишь при медленных и малых отклонениях параметров от нормальных, необходимых для хорошего самочувствия. При больших и быстрых отклонениях параметров воздушной среды нарушаются физиологические функции организма: терморегуляция, обмен веществ, работа сердечно-сосудистой и нервной системы и т.п. При этом могут наблюдаться и серьезные отклонения в организме человека. Например, у людей, попавших в условия “перегрева”, повышается температура тела, резко снижается работоспособность, появляется повышенная раздражительность и т.п. Задача кондиционирования воздуха состоит в поддержании таких параметров воздушной среды, при которых каждый человек благодаря своей индивидуальной системе автоматической терморегуляции организма чувствовал бы себя комфортно, т.е. не замечал влияния этой среды. Кондиционирование воздуха – это создание и автоматическое поддержание (регулирование) в закрытых помещениях всех или отдельных его параметров (температуры, влажности, чистоты, скорости движения воздуха) на определенном уровне с целью обеспечения оптимальных метеорологических условий, наиболее благоприятных для самочувствия людей или ведения технологического процесса. Кондиционирование воздуха осуществляется комплексом технических средств, называемым системой кондиционирования воздуха (СКВ). В состав СКВ входят технические средства забора воздуха, подготовки, т.е. придания необходимых кондиций (фильтры, теплообменники, увлажнители или осушители воздуха), перемещения (вентиляторы) и его распределения, а также средства хладо- и теплоснабжения, автоматики, дистанционного управления и контроля. СКВ больших общественных, административных и производственных зданий обслуживаются, как правило, комплексными автоматизированными системами управления. Автоматизированная система кондиционирования поддерживает заданное состояние воздуха в помещении независимо от колебаний параметров окружающей среды (атмосферных условий). Основное оборудование системы кондиционирования для подготовки и перемещение воздуха агрегатируется в аппарат, называемый кондиционером. Во многих случаях все технические средства для кондиционирования воздуха скомпонованы в одном блоке или двух блоках, и тогда понятия «СКВ» и «кондиционер» однозначны. Следует отметить, что общепринятой классификации СКВ до сих пор не существует и связано это с многовариантностью принципиальных схем, технических и функциональных характеристик, зависящих не только от технических возможностей самих систем, но и от объектов применения (кондиционируемых помещений). Современные системы кондиционирования могут быть классифицированы по следующим признакам: • По основному назначению (объекту применения): комфортные и технологические; • По принципу расположения кондиционера по отношению к обслуживаемому помещению: центральные и местные; • По наличию собственного источника тепла и холода (входящего в конструкцию кондиционера): автономные и неавтономные; • По количеству обслуживаемых помещений (локальных зон): однозональные и многозональные; • По давлению, развиваемому вентиляторами кондиционеров: низкого, среднего и высокого давления. Кроме приведенных, существуют разнообразные системы кондиционирования, обслуживающие специальные технологические процессы, включая системы с изменяющимися во времени (по определенной программе) метеорологическими параметрами. Типы бытовых систем кондиционирования воздуха 1. Мобильные кондиционеры 2. Оконные кондиционеры 3. Кондиционеры сплит–систем. Мобильные кондиционеры Мобильные кондиционеры предназначены, в основном, для кондиционирования одного небольшого помещения или индивидуального охлаждения (обогрева) рабочей зоны помещения. У мобильных моноблоков весь холодильный агрегат монтируется в едином корпусе, который располагается в кондиционируемом помещении. Отвод горячего воздуха от конденсатора осуществляется по шлангу за пределы кондиционируемого помещения (в окно или подсобное помещение) Выгодным преимуществом мобильных моноблоков перед кондиционерами сплит-типа является то, что место установки не ограничивается длиной трубопровода, шланг отвода горячего воздуха от конденсатора можно вывести: • За окно • В подсобное помещение • В отверстия местных отсосов или вентиляции При нехватке длины шланга, его можно нарастить. Мобильные моноблоки не требуют от потребителя каких-либо навыков монтажных работ. Его можно легко перемещать по комнате, перенести в другое помещение или отвести на дачу. Не смотря на все преимущества, мобильные моноблоки, имеют два существенных недостатка: 1. Повышенный уровень шума; 2. Необходимость регулярно сливать конденсат. Оконные кондиционеры Оконные кондиционеры представляют собой законченный моноблок, который вопреки бытующему мнению можно устанавливать не только в оконный проем, но и в стену или перегородку. Оконные кондиционеры отличаются легкостью монтажа, более низкой ценой в сравнении с кондиционерами сплит-систем такой же холодопроизводительностью, возможность подмеса свежего воздуха (до 10% от производительности вентилятора), возможностью работы в режиме как приточной, так и вытяжной вентиляции (некоторые модели). Недостатком оконных кондиционеров является достаточно высокий уровень шума. Кондиционеры сплит-систем Для кондиционирования воздуха в жилых и общественных (офисных) помещениях наибольшее распространение получили кондиционеры сплит- систем, из-за своей относительной простоты конструкции, позволяющей получить достаточно низкую стоимость при быстрой и легкой его установке. Недостатком таких кондиционеров можно считать невозможность подачи в помещение свежего воздуха. Только модели большой мощности и напольно-потолочного типа позволяют организовать подмес небольшого количества свежего воздуха (до 10%). Кондиционеры сплит-систем состоят из внешнего блока (компрессорно-конденсаторного агрегата) и внутреннего блока (испарительного). Во внешнем блоке находяться компрессор, конденсатор и вентилятор. Внешний блок может быть установлен на стене здания, на крыше или чердаке, в подсобном помещении или на балконе, т.е. в таком месте, где горячий конденсатор может продуваться атмосферным воздухом более низкой температуры. Внутренний блок устанавливается непосредственно в кондиционируемом помещении и предназначен для охлаждения или нагревания воздуха, фильтрации его и создания необходимой подвижности воздуха в помещении. Блоки соединены между собой двумя тонкими медными трубками в теплоизоляции, которые проводятся, как правило, в подвесных потолках, за панелями или закрываются декоративными пластиковыми коробами. Конструктивное и дизайнерское исполнение внутренних блоков весьма разнообразно, что позволяет решать практически любые задачи по кондиционированию помещений от 15 до 140 м2, учитывая при этом интерьер помещений и индивидуальные требования потребителя. Внутренние блоки сплит-систем эффективно поддерживают заданную температуру, обеспечивают равномерное распределение воздуха в помещении и работают практически бесшумно. 1.9.2. Процессы тепловлажностной обработки воздуха В кондиционере производятся фильтрация и тепловлажностная обработка воздуха. В теплый период года наружный воздух охлаждается и осу­шается, а в холодный период - подогревается и увлажняется. Атмосферный воздух представляет собой механическую смесь различных газов и водяных паров. Смесь сухой части воздуха и водяных паров называется влажным воздухом. Влагосодержание воздуха - это масса водяного пара Мп, находящегося во влажном воздухе, отнесенная к массе его сухой части Мс: Влагосодержание имеет размерность [г/кг]. Относительная влажность воздуха - это отношение массы водяных паров во влажном воздухе к массе водяных паров в воздухе при той же температуре и полном насыщении: Энтальпия влажного воздуха - это количество теплоты, находящейся во влажном воздухе, сухая часть которого имеет массу 1 кг: где Iс - энтальпия 1 кг сухой части воздуха; Iп - энтальпия 0,001d кг водяного пара. Подставив в формулу (1) численные значения энтальпий и приведя их значения к размерности [кДж/кг], получим (1) Первый член уравнения (1,005t) представляет собой энтальпию сухой части воздуха, второй (2,501d) - энтальпию перехода воды в пар, а третий (0,002 td) -энтальпию пара, содержащегося в воздухе. Графическая интерпретация уравнения (1) носит название I-d -диаграммы (рис. 1). Она связывает между собой основные параметры, характеризующие состояние влажного воздуха (t, d, I, ) при определенном давлении. Рис. 2. Некоторые характерные точки на I - d -диаграмме и лучи тепловлажностных процессов Ha I-d -диаграмме любая точка обозначает вполне определенное физическое состояние воздуха. Некоторые точки имеют особое значение. Точка росы - точка пересечения прямой d = const с линией  = 100 %. Для каждого влагосодержания есть своя температура точки росы tp. Точка мокрого термометра - точка пересечения прямой I = const с линией  = 100%. Ей соответствует температу­ра мокрого термометра tм. Линия, соединяющая между собой точки диаграммы, соответствует некото­рому термодинамическому процессу и называется лучом тепловлажностного процесса. Рассмотрим характерные случаи изменения состояний воздуха. 1) АБ. Изотермический процесс. Воздух одновременно поглощает теплоту и влагу. 2) AВ. Изоэнтальпический (адиабатический) процесс увлажнения и охлаж­дения воздуха. 3) АГ. Охлаждение воздуха при постоянном влагосодержании. 4) АД. Охлаждение и осушение воздуха. 5) АЕ. Изоэнтальпический процесс осушки воздуха абсорбентами. 6) АЖ. Нагрев воздуха при постоянном влагосодержании. Все возможные процессы изменения влажного воздуха можно разделить на I-d -диаграмме на четыре характерных сектора: Сектор I - процессы, в которых происходит повышение энтальпии и увлаж­нение воздуха. Осуществляются путем контакта воздуха с водой при орошении. Температура воды tв должна быть выше температуры мокрого термометра tM. Сектор II - процессы осушки воздуха с повышением его энтальпии. Такие процессы возможны при применении химических поглотителей влаги с одно­временным подогревом воздуха и крайне редки. Сектор III - процессы с уменьшением энтальпии и влагосодержания воздуха. Их можно осуществить при контакте с поверхностными воздухоохладителями (испарителями холодильной установки) или орошаемыми воздухоохладителями при Tв < tp. Сектор IV - процессы понижения энтальпии воздуха с одновременным ув­лажнением. Такие процессы можно осуществить при контакте воздуха с водой при температуре tp < tв < tм. Работа кондиционеров по процессам в секторах I, II характерна для холодно­го периода, а в секторах III, IV - для теплого. По I-d -диаграмме можно определить точку смеси двух объемов воздуха с разными параметрами. Для каждого состояния воздуха находят точку, напри­мер точку А (рис. 2), соответствующую массе М1 воздуха с параметрами t1, 1, d1, I1, и точку Б, соответствующую массе М2 воздуха с параметрами t2, 2, d2, I2. Рис. 2. Определение параметров смеси двух объемов воздуха Точка смеси С лежит на прямой АБ и делит эту линию на отрезки, обратно пропорциональные массе воздуха каждой из составных частей. Таким образом, I-d -диаграмма позволяет описать тепловлажностные про­цессы, протекающие при кондиционировании воздуха, и рассчитать мощность холодильного агрегата кондиционера: N = kNx = kqm(IH - IK) где Nx - расход холода на охлаждение воздуха в кондиционере; qm - массовая подача охлажденного воздуха; IH, IK - начальная и конечная энтальпии охлаж­денного воздуха; k - коэффициент запаса на потери холода (для бытовых кон­диционеров к=1,15...1,20). В современных бытовых кондиционерах все шире используют экологически безопасные холодильные агенты. Для фреоновых же холо­дильных агрегатов кондиционеров типовым режимом является: температура кипения хладагента в испарителе t0 = +5 °С; температура конденсации паров хладагента в конденсаторе tK = +35 °С; температура переохлаждения хлада­гента tп = +30 °С.      РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА 1.7 Процессы теплообмена в холодильных установках 1.7.1. Основы теории теплообмена Теплообменом называется самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем в направлении от высокого температурного уровня к низкому. Существуют три элементарных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Теплопроводностью называется перенос теплоты, обусловленный взаимодействием микрочастиц соприкасающихся тел или частей одного тела с различной температурой. В чистом виде теплопроводность наблюдается в твердых телах, в жидкостях и газах - при условии отсутствия конвекции. Конвекция - перенос теплоты вследствие пространственного перемещения вещества. Наблюдается в текучих жидкостных и газовых средах и сопровождается теплопроводностью. Теплопередачей называется процесс переноса теплоты от одной жидкой или газообразной среды к другой через разделяющую их твердую стенку. Тепловое излучение - перенос теплоты в результате распространения внутренней энергии излучающего тела посредством электромагнитных волн, происходящий с двойным взаимным превращением - теплоты в энергию поля и наоборот. В реальных случаях переноса теплоты перечисленные элементарные способы обычно сопутствуют друг другу, и если имеют место хотя бы два способа, то теплообмен называют сложным. Основными количественными характеристиками процесса теплообмена являются температурное поле, температурный напор или разность температур, тепловой поток, плотность теплового потока. Температурное поле представляет собой совокупность значений температуры всех точек тела в данный момент времени. Температурный напор - разность между температурами поверхностей твердого тела, среды и стенки или двух сред, между которыми происходит теплообмен. Тепловым потоком называется количество теплоты, переносимое в единицу времени через рассматриваемую поверхность теплообмена. Плотность теплового потока - отношение теплового потока к площади теплопередающей поверхности. Общая кинетическая зависимость для непрерывных процессов теплопередачи, выражающая связь между тепловым потоком Q и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное уравнение теплопередачи: , (1) где k  коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи теплоты вдоль всей поверхности теплообмена; F  площадь поверхности теплообмена; Т  температурный напор или средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи. Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит за 1 секунду от более нагретого к более холодному теплоносителю через поверхность теплообмена 1 м2 при средней разности температур между теплоносителями, равной 1 градусу. Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье, согласно которому количество теплоты dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный направлению теплового потока, за время d прямо пропорционально температурному градиенту  t/ n, поверхности dF и времени d: , (2) где   коэффициент теплопроводности;  t/ n  температурный градиент;   время протекания процесса. Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом. Градиент является вектором, направление которого соответствует повышению температуры. Величина температурного градиента характеризует наибольшую скорость изменения температуры в данной точке температурного поля. Перемещение теплоты всегда происходит по линии температурного градиента, но направлено в сторону, противоположную этому градиенту, поэтому в формуле (2) стоит знак "". Знак минус указывает на то, что тепло перемещается в сторону падения температуры. Плотность теплового потока: . (3) Коэффициент пропорциональности  называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности. Величина  характеризует способность вещества проводить теплоту путем теплопроводности и зависит от природы вещества, его структуры, температуры и некоторых других факторов. Общим математическим выражением температурного поля в дифференциальной форме является дифференциальное уравнение теплопроводности. В прямоугольных координатах при отсутствии внутренних источников теплоты оно имеет следующий вид: , (4) где а  коэффициент температуропроводности. . (5) Коэффициент температуропроводности характеризует теплоинерционные свойства вещества. При прочих равных условиях быстрее нагреется или охладится то вещество или тело, которое обладает бóльшим коэффициентом температуропроводности. Для стационарных процессов: , (6) Для решения дифференциального уравнения теплопроводности необходимо знать краевые условия (условия однозначности): а) геометрические условия, задающие форму и размер тела; б) физические условия, определяющие физические свойства вещества (, с, ), их зависимость от температуры, а также изменение во времени мощности внутренних источников теплоты; в) начальные условия, устанавливающие распределение температуры внутри тела t(x,y,z) в начальный момент времени t = 0. В простейшем случае при t = 0 температура во всех точках тела одинакова: t = tо. Задание начальных условий требуется только для нестационарных процессов; г) граничные условия, характеризующие процесс теплообмена между поверхностью тела и окружающей его средой. Различают три рода граничных условий: • граничные условия первого рода - на поверхности тела задано распределение температуры tп в каждый момент времени, в частности, температура поверхности тела может поддерживаться постоянной; • граничные условия второго рода - на поверхности тела задано распределение плотности теплового потока qп в каждый момент времени, в частном случае это распределение может быть равномерным и не изменяться во времени; • граничные условия третьего рода - известны температура среды, окружающей тело, и закон, по которому осуществляется теплообмен между поверхностью тела и средой. Если среда жидкая, то чаще всего используется закон Ньютона - Рихмана, связывающий плотность теплового потока на поверхности qп c температурами поверхности tп и среды tж: , (7) где   коэффициент теплоотдачи, характеризующий эффективность теплообмена. Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от 1 м2 поверхности стенки к среде (жидкости или газу) или от cреды к 1 м2 поверхности стенки в течение 1 секунды при разности температур между стенкой и средой 1 градус. С понятием теплоотдачи связано понятие конвективного теплообмена. Конвективным теплообменом или конвективной теплоотдачей называется перенос теплоты между некоторой выделенной поверхностью и движущейся относительно нее текучей средой (жидкостью или газом), который осуществляется совместно теплопроводностью и конвекцией. В качестве выделенной поверхности конвективного теплообмена рассматривается поверхность твердого тела или граница раздела жидкостей или жидкой и газовой фазы. Вследствие сложной структуры потоков, особенно в условиях турбулентного движения, величина  является сложной функцией многих переменных. Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов: • режима течения среды, т.е. скорости w, коэффициента кинематической вязкости ; • тепловых свойств жидкой или газообразной среды, определяемых удельной теплоемкостью ср, теплопроводностью , а также коэффициентом объемного расширения ; • геометрических параметров, к которым относятся форма, определяющий размер стенки, шероховатость поверхности стенки. При рассмотрении стационарных процессов распространения теплоты необходимо знать граничные условия первого рода. В инженерных расчетах часто встречаются задачи определения коэффициента теплопередачи тел простейшей геометрической формы: плоской и цилиндрической стенки. Коэффициент теплопередачи плоской стенки рассчитывается из уравнения: , (8) где 1, 2  коэффициенты теплоотдачи соответственно внутренней и наружной поверхности стенки;   толщина стенки;   коэффициент теплопроводности материала стенки. Коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки при отнесении теплового потока к внутренней поверхности стенки вычисляется из уравнения: , (9) где r1, r2  внутренний и внешний радиусы цилиндрической стенки. Помимо рассмотренных видов передачи теплоты практически всегда имеет место теплообмен излучением. Все нагретые материальные объекты излучают энергию в окружающее пространство в форме квантов энергии или электромагнитных волн. Длины волн теплового излучения лежат в невидимой инфракрасной части спектра и имеют длину 0,8 - 40 мк. Коэффициент теплоотдачи при теплообмене излучением рассчитывается на основе закона Hьютона - Рихмана: , (10) где qл  плотность теплового потока; Tв  температура воздуха; Тс  температура стенки теплообменного аппарата. Величина вычисляется на основе уравнения Стефана - Больцмана. Для инженерных расчетов может быть применено упрощенное соотношение: , (11) где   постоянная Стефана-Больцмана,  = 5,6710-8 Вт/(м2К); с  коэффициент полного нормального излучения поверхности; в  коэффициент полного нормального излучения воздуха. Hа практике конвективный теплообмен всегда сопровождается лучистым теплообменом, т.е. имеет место сложный теплообмен. В случае сложного теплообмена общий коэффициент теплоотдачи определяется суммой: , (12) где к, л  соответственно конвективная и лучистая составляющие коэффициента теплоотдачи. 1.7.2. Критерии подобия процессов теплообмена Конвективный теплообмен между средой и поверхностью твердого тела без изменения агрегатного состояния однородной среды (жидкости или газа) может осуществляться при свободном и вынужденном движении. Передача теплоты в направлении, перпендикулярном движению потока при ламинарном течении осуществляется только теплопроводностью, при турбулентном - конвекцией и теплопроводностью. Для полного аналитического описания процесса конвективного теплообмена необходимо задать систему дифференциальных уравнений, выражающих законы сохранения массы (уравнение неразрывности), импульса (уравнение движения), энергии (уравнение энергии), соответствующие специальные законы переноса импульса и теплоты, в частности, закон трения Ньютона ( = w/) и закон теплопроводности Фурье. Hеобходимыми являются также зависимость физических свойств теплоносителя от температуры и давления. Для решения системы дифференциальных уравнений необходимо задать условия однозначности, включающие начальные и граничные условия. Исходные уравнения и их решение, а также результаты экспериментального изучения конвективного теплообмена принято представлять в виде зависимостей между безразмерными комплексами - критериями или числами подобия. Hаиболее часто применяются критерии, приведенные ниже. Число Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи): , (13) где Lо  определяющий размер поверхности теплообмена. Число Hуссельта характеризует интенсивность теплоотдачи при конвективном теплообмене между поверхностью твердого тела и потоком среды. Число Рейнольдса: , (14) где о  средняя скорость движения потока;   кинематическая вязкость. Число Рейнольдса характеризует соотношение между силами инерции и молекулярного трения (вязкости), которое определяет гидродинамический режим вынужденного движения потока. Число Прандтля: . (15) Число Прандтля характеризует степень подобия температурных и скоростных полей в потоке и является физическим параметром среды. Число Грасгофа: , (16) где   коэффициент объемного расширения;   разность между температурами стенки и среды. Число Грасгофа характеризует соотношение между подъемной силой, возникающей в среде вследствие разности плотностей, и силой молекулярного трения. Число Пекле: (17) Число Пекле характеризует соотношение между переносом тепла конвекцией и теплопроводностью в потоке. 1.7.3 Конвективный теплообмен без изменения агрегатного состояния рабочего вещества При течении рабочего вещества в трубопроводе или канале теплообмен зависит от режима движения. Если величина Re  2000, то движение ламинарное и теплоотдача в поперечном к потоку направлении осуществляется преимущественно вследствие теплопроводности жидкости. При этом небольшое поперечное течение может возникать из-за свободной конвекции. Если Re  10 000, то движение турбулентное и перенос теплоты осуществляется конвекцией интенсивно перемещающихся в поперечном направлении частиц жидкости, и только в тонком пограничном ламинарном подслое у поверхности стенки - путем теплопроводности. Если 2000 < Re < 10000, то наблюдается переходный режим движения потока. При обычных для холодильной техники условиях течения рабочего вещества в трубопроводах и каналах теплообменных аппаратов, как правило, наблюдается турбулентный режим движения потока. В расчетах коэффициентов теплоотдачи при течении жидкого и парообразного рабочего вещества в качестве определяющего размера используют величину эквивалентного диаметра dэ: , (18) где f  площадь поперечного сечения канала; П  периметр канала. Для каналов круглого поперечного сечения dэ = dвн. Для эллиптических труб: , (19) где L1, L2  соответственно малая и большая ось эллипса. Для прямоугольных каналов: , (20) где L1, L2  стороны прямоугольника. Для кольцевых каналов круглого сечения: , (21) где d1, d2  наружный и внутренний диаметры кольцевого канала;   толщина канала. Основные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи при движении жидкости и пара в трубопроводах бытовых холодильников приведены в методических указаниях к лабораторной работе № 2. 1.7.4 Конвективный теплообмен в процессах кипения рабочих веществ Для начала процесса кипения жидкого холодильного агента внутри каналов испарителя необходим перегрев жидкости в пограничном слое выше температуры насыщения, а также наличие центров парообразования (впадины, канавки, царапины на внутренних стенках испарителя). Чем больше активных центров парообразования, тем интенсивнее происходит процесс кипения, поэтому коэффициент теплоотдачи при кипении зависит, в частности, от шероховатости поверхности теплообмена. В испарителях бытовых холодильных установок происходит кипение жидкости в большом объеме внутри каналов при вынужденной конвекции. При кипении жидкости в большом объеме коэффициент теплоотдачи зависит от ее физических свойств, свойств системы жидкость - поверхность теплообмена, температуры кипения, разности температур  или плотности теплового потока q. Основными видами кипения жидкости являются пузырьковый и пленочный режимы. При повышении температуры жидкости в пограничном с твердой поверхностью слое в отдельных точках на твердой поверхности возникают, растут, а затем отрываются паровые пузырьки, т.е. развивается пузырьковый режим кипения. С повышением передаваемой теплоты отдельные паровые пузырьки сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной паровой слой, который периодически прорывается в объем жидкости. Пузырьковый режим кипения отличается высокой интенсивностью теплоотдачи при сравнительно небольших температурных напорах. Режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, обволакивающей эту поверхность и отделяющей ее от жидкости, называется пленочным кипением. При пленочном кипении жидкость не соприкасается с поверхностью теплообмена, отделяясь от нее тонкой пленкой пара с низкой теплопроводностью. Этот тип кипения жидкостей характеризуется большими значениями разности температур поверхности теплообмена и жидкости и относительно низкими коэффициентами теплоотдачи. В общем случае теплота через пленку может передаваться путем теплопроводности, конвекции и теплового излучения. Обе формы переноса теплоты - конвективным теплообменом и излучением оказывают взаимное влияние друг на друга. Оно проявляется в том, что пар, образующийся благодаря излучению, приводит к утолщению паровой пленки и соответствующему снижению интенсивности переноса теплоты за счет конвективного теплообмена. При кипении холодильного агента в испарителях бытовых холодильников наблюдается, как правило, пузырьковый режим кипения. В испарителях могут наблюдаться три основные области с разной структурой потока по длине: область подогрева или экономайзерный участок, область кипения или испарительный участок и область перегрева образовавшегося пара. Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением и объемным кипением насыщенной жидкости. При кипении в вертикальных каналах участок трубы с объемным кипением насыщенной жидкости включает в себя области эмульсионного, пробкового или снарядного и кольцевого или стержневого режимов кипения. В эмульсионном режиме двухфазный поток состоит из жидкости и равномерно распределенных в ней мелких пузырьков пара. С дальнейшим увеличением паросодержания некоторые из пузырьков сливаются, образуя крупные пузырьковые пробки, соизмеримые с диаметром трубы. Рис. 1  Режимы течения двухфазного потока в вертикальных каналах: а  пузырьковый; б  снарядный; в  эмульсионный; г  дисперсно-кольцевой. Рис. 2  Режимы течения двухфазного потока в горизонтальных каналах: а  расслоенный; б  волновой; в  пузырьковый; г  снарядный; д  эмульсионный; е  дисперсно-кольцевой. При пробковом режиме пар движется в виде отдельных крупных пузырьковых пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии. Пробковый или снарядный режим течения имеет место при умеренных значениях паросодержания и скорости циркуляции. С повышением паросодержания происходит слияние крупных пузырьков и образование дисперсно-кольцевой или стержневой структуры потока, при которой в ядре сплошной массой движется влажный пар, а у стенки трубы - тонкий кольцевой слой жидкости. Толщина этого слоя постепенно уменьшается по мере повышения паросодержания потока, после полного испарения жидкости эта область переходит в область перегрева паров с дисперсным режимом. При кипении в горизонтальных каналах кроме изменения структуры потока по длине имеет место изменение структуры по поперечному сечению трубы. Если скорость циркуляции и и содержание пара в потоке невелики, наблюдается расслоение двухфазного потока на жидкую фазу, движущуюся в нижней части трубы, и паровую, движущуюся в ее верхней части. При дальнейшем увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность раздела между паровой и жидкой фазами приобретает волновой характер и жидкость гребнями волн периодически смачивает верхнюю часть трубы. С последующим увеличением содержания пара и скорости волновое движение на границе раздела фаз усиливается, что приводит к частичному выбрасыванию жидкости в паровую область. В результате двухфазный поток приобретает характер течения, сначала близкий к пробковому, а затем  к кольцевому. При кольцевом режиме у стенки трубы наблюдается движение тонкого слоя жидкости, а вне этого слоя перемещается парожидкостная смесь. Однако и в этом случае полной осевой симметрии в структуре потока не наблюдается. Коэффициенты теплоотдачи при кипении холодильного агента в испарителях бытовых холодильников рассчитываются по уравнениям, приведенным в методических указаниях к лабораторной работе № 3. 1.7.5 Конвективный теплообмен в процессах конденсации рабочих веществ Конденсация паров рабочих веществ на твердой внутренней поверхности конденсаторов происходит, если температура поверхности ниже температуры насыщения при данном давлении. На поверхности может образовываться пленка конденсата с толщиной, намного превышающей расстояние эффективного действия межмолекулярных сил. В ряде случаев поверхность может быть покрыта отдельными каплями конденсата. Первый вид конденсации, когда жидкая конденсированная фаза образуется на поверхности теплообмена в виде устойчивой пленки, называется пленочной конденсацией, а второй - когда происходит образование капель - капельной. Пленочная конденсация имеет место, если конденсат смачивает данную поверхность теплообмена. Если конденсат не смачивает поверхность, то происходит капельная конденсация. В конденсаторах холодильных машин, в том числе и бытовых, имеет место пленочная конденсация. При конденсации в трубах паровой объем ограничен стенками трубы. Если направление движения пара совпадает с направлением течения конденсата под действием силы тяжести, то скорость течения пленки повышается, ее толщина уменьшается, а коэффициент теплоотдачи увеличивается. Если направление движения пара противоположно направлению течения конденсата, то пленка может замедлять движение, ее толщина при этом увеличивается, а коэффициент теплоотдачи снижается. Повышение скорости пара может привести к тому, что пленка будет увлечена паром и частично сорвана с поверхности стенки. В этом случае коэффициент теплоотдачи повышается. Течение конденсата и пара может быть как ламинарным, так и турбулентным. На входе в трубу течение пара может быть турбулентным. По мере конденсации пара его скорость снижается, и турбулентный режим может перейти в ламинарный. Если происходит полная конденсация, то в конце скорость пара равна нулю. В то же время скорость конденсата вдоль трубы непрерывно возрастает, и течение конденсата может перейти в турбулентное. При определенных условиях может иметь место срыв капель с поверхности пленки. Сочетание перечисленных условий делает задачу о теплообмене при конденсации пара в трубе очень сложной и затрудняет ее решение. Коэффициенты теплоотдачи при конденсации паров холодильного агента в конденсаторах бытовых холодильников рассчитываются по уравнениям, приведенным в методических указаниях к лабораторной работе № 4. 1.7.6 Процессы теплообмена в регенеративных теплообменниках Регенеративный теплообменник представляет собой часть капиллярной трубки и всасывающего трубопровода, которые находятся в тепловом контакте. Длина pегенеpативного теплообменника рассчитывается из уравнения: , (22) где Qp  количество теплоты, пеpедаваемой от капилляpной тpубки всасывающему тpубопpоводу; Tp  средняя логарифмическая разность температур хладагента в регенеративном теплообменнике; kp  коэффициент теплопередачи регенеративного теплообменника;   параметр, зависящий от конструкции регенеративного теплообменника. Из условия теплового баланса регенеративного теплообменника, изолированного от окружающей среды, количество теплоты, передаваемой от капиллярной трубки всасывающему трубопроводу, равно количеству теплоты, поглощаемой всасывающим трубопроводом. Количество передаваемой от капиллярной трубки теплоты вычисляется из соотношения: , (23) Коэффициент теплопеpедачи для регенеративного теплообменника, в котором капиллярная трубка припаяна к всасывающему трубопроводу, вычисляется по уравнению: , (24) где Rк  термическое сопротивление контакта между трубами; 1, 2  толщина стенок капилляpной и всасывающей трубки; м  теплопроводность материала, из которого изготовлены трубопроводы; 1, 2  средние коэффициенты теплоотдачи от хладагента в капиллярной трубке и всасывающем трубопроводе. 1.7.7 Процессы дросселирования в капиллярных трубках Процесс дросселирования хладагента в капиллярных трубках бытовых холодильников разделяется на: дросселирование при теплообмене с окружающей средой, дросселирование при регенеративном теплообмене с всасывающим трубопроводом и адиабатическое дросселиро вание. При проведении расчетов капиллярная трубка также условно разделяется на три участка. Первый представляет собой часть капиллярной трубки от выхода из фильтра - осушителя до начала регенеративного теплообменника, второй - часть капиллярной трубки, входящую в состав регенеративного теплообменника, третий - часть капиллярной трубки от выхода из теплообменника до входа в испаритель. Длина второго участка капиллярной трубки определяется при расчете регенеративного теплообменника. Длина первого участка капиллярной трубки: , (25) где Q1  количество теплоты, отводимой от хладагента в процессе дросселирования при теплообмене с окружающей средой, k1  коэффициент теплопередачи; T1  средняя разность температур; d2  наружный диаметр капиллярной трубки. Коэффициент теплопередачи первого участка капиллярной трубки: , (26) где 1, 2  коэффициенты теплоотдачи от внутренней и наружной поверхностей капиллярной трубки; d1,d2  внутренний и наружный диаметры капиллярной трубки; м  коэффициент теплопроводности материала. Длина второго участка капиллярной трубке равна длине регенеративного теплообменника. Длина третьего адиабатического участка капиллярной трубки: , (27) где Рн, Рк  давление хладагента в начале и конце адиабатического участка капиллярной трубки; vн, vк  удельный объем хладагента в начале и конце адиабатического участка; 2  коэффициент гидравлического сопротивления; f1  площадь внутреннего поперечного сечения капиллярной трубки. 1.7.8 Процессы тепло-и массообмена в теплоизоляционных материалах Теплоизоляционные материалы по своему происхождению подразделяются на неорганические (стекловолокно, минеральная вата и др.) и органические (пробка, пенопласты, пенополиуретаны и др.). По структуре и способу крепления к изолируемой поверхности материалы разделяются на следующие виды: • плиточные (пенопласты, пробковые плиты, пенобетон, экспанзиты); • волокнистые (минеральная вата); • напыляемые и заливаемые вспенивающиеся (пенополиуретаны); • теплоотражающие воздушно - слоистые (алюминиевая фольга); • сыпучие (пробковая крошка). В бытовых холодильниках применяются волокнистые и заливаемые вспенивающиеся теплоизоляционные материалы. Волокнистая минеральная вата в настоящее время применяется редко. К наиболее перспективным теплоизоляционным материалам относятся пенополиуретаны, которые имеют низкие значения коэффициента теплопроводности. В частности, новая разновидность пенополиуретанов - рипор имеет коэффициент теплопроводности 0,026 Вт/м2К, низкую паровлагопроницаемость, высокую адгезию практически ко всем строительным материалам, он нетоксичен и негорюч. С помощью пенополиуретанов можно получать конструкции любой конфигурации с помощью заливки пены в формы либо напыления на изолируемые поверхности. Изоляция из волокнистых и вспененных материалов представляет собой дисперсную систему, состоящую из твердого компонента и газа, заполняющего свободное пространство. Отношение объема, занятого газом, к объему изоляции называют пористостью изоляционного материала. Теплообмен в таких системах определяется преимущественно геометрией пористого пространства: изоляция на основе вспененных пластмасс имеет замкнутые поры, в то время как в волокнистой изоляции образуются пустоты между волокнами. Теплообмен в твердом остове, промежуточной среде и на границах между ними осуществляется посредством теплопроводности твердого материала: передачи теплоты от одной твердой частицы к соседней в местах их непосредственного контакта, молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, передачи теплоты на границах твердых частиц с внешней средой, излучения от частицы к частице через промежуточную среду, конвекции газа и влаги, содержащихся между частицами. Для характеристики изоляции вводят понятие эффективной теплопроводности, которая учитывает все составляющие теплообмена и зависит от давления газа - наполнителя, температуры на поверхностях изоляции, пористости, размеров твердых частиц, коэффициента температуропроводности, теплоемкости изоляции. В пористых теплоизоляционных материалах основная доля теплоты передается молекулярной теплопроводностью газа внутри изоляции. Процесс передачи теплоты теплопроводностью газа, находящегося внутри изоляции, обусловлен взаимодействием молекул газа друг с другом и зависит от пористости изоляции: чем меньше пористость, тем меньше теплоты передается за счет межмолекулярных столкновений. Как известно из молекулярно - кинетической теории, молекулярная теплопроводность зависит от молекулярной массы газа. Поэтому замена воздуха более тяжелым газом, например, фреоном с молекулярной массой, превышающей 50, позволяет значительно уменьшить эффективную теплопроводность изоляции. Теплообмен на границе твердых частиц с внешней средой обусловлен взаимодействием молекул газа с поверхностью твердого тела и зависит от пористости изоляции, рода газа - наполнителя, температуры и давления газа, свойств твердого вещества. Лучистый теплообмен в изоляции определяется преимущественно уровнем температур на поверхности изоляции и зависит от усредненного расстояния между твердыми частицами основы, степени черноты твердых частиц и поверхностей, ограничивающих изоляцию, поглощательной и излучательной способности газа - наполнителя. С ростом температур, степени черноты и пористости передача теплоты излучением возрастает. Коэффициент теплопроводности изоляционного материала l при эксплуатации увеличивается вследствие постепенного ее увлажнения. Значение коэффициента теплопроводности для сухого материала определяют по средней рабочей температуре. Коэффициент t является линейной функцией температуры: , (28) где о  коэффициент теплопроводности сухого изоляционного материала при температуре 0С;   температурный коэффициент теплопроводности; b  постоянная, показывающая возрастание коэффициента теплопроводности при повышении температуры на 1С: b = о. Значения о,  и b определяются опытным путем при испытании материалов. Коэффициент b для различных теплоизоляционных материалов имеет разные значения и составляет (2…4)10-3 К-1. Теплопроводность сухого материала зависит в основном от удельного объема, определяющего количество твердого теплопроводного пористого вещества. При оптимальной пористости теплопроводность приближается к теплопроводности неподвижного воздуха. Увеличение теплопроводности при увлажнении материалов объясняется рядом факторов. Согласно капиллярному эффекту влага проникает в самые мелкие, т.е. в наиболее ценные с точки зрения теплоизоляционных свойств, поры материала, вытесняя из них воздух и образуя как бы тепловые мостики (теплопроводность воды в 15 - 20 раз выше теплопроводности воздуха). Температура tн и парциальное давление водяных паров Рн наружного воздуха намного больше температуры и парциального давления Рк воздуха в низкотемпературной камере холодильника. При эксплуатации холодильника через изоляцию из внешней среды поступает количество теплоты Q1 и количество водяного пара G1, которое для случая плоской многослойной стенки определяется уравнениями: , (29) , (30) где Rиз, Rдиф  соответственно термическое и диффузное сопротивление изоляции; Fн  площадь поверхности изолированной стенки; tн, tк  температура наружного воздуха и воздуха внутри камеры; Рн, Рк парциальное давление водяного пара снаружи и внутри изолированного ограждения. , (31) где н, к  коэффициенты теплоотдачи со стороны наружной и внутренней стенок камеры; i  толщина слоя теплоизоляции; i  коэффициент теплопроводности слоя теплоизоляции. , (32) где i  коэффициент паропроницаемости слоя теплоизоляции. Температуру наружной и внутренней стенок ограждений определяют по зависимостям: , (33) , (34) По рассчитанным значениям температур проверяют допустимость значения Киз, выбранного или определенного экспериментально. Толщина изоляции считается достаточной, если коэффициент теплопередачи ограждения обеспечивает выполнение условия: , (35) т.е. температура наружной стенки выше температуры точки росы. При невыполнении неравенства (35) на поверхности будет происходить конденсация влаги с последующим увлажнением изоляции, повышением коэффициента теплопроводности изоляции, что приведет к возрастанию теплопритоков в камеры холодильника и затрат энергии на производство холода.