Использование теплоты процесса парообразования

Парообразование может происходить в двух формах – в виде поверхностного испарения и кипения. Рассмотрим процессы, происходящие в сосуде, в который налита жидкость. Быстрые молекулы, находящиеся на границе жидкости и пара, будут покидать жидкость и присоединяться к паровой фазе – этот процесс называется поверхностным испарением. Если над жидкостью неограниченное пространство процесс поверхностного испарения продолжается до полного испарения жидкости. В большинстве случаев над жидкостью в таком разомкнутом сосуде находится газовая смесь. Например, стакан с водой, над поверхностью которой смесь воздуха и водяного пара. В этом случае над поверхностью жидкости имеется небольшой тонкий слой насыщенного пара. Состояние насыщенного пара может быть определено на линии насыщенного пара при температуре жидкости в Т – S диаграмме, построенной для вещества жидкости. Давление насыщенного пара р» зависит только от температуры жидкости, в то время как давление пара в газовой смеси р’, называемое парциальным давлением, может принимать различные значения в зависимости от состава и температуры газовой смеси. Характер зависимости давления насыщенного пара от температуры жидкости можно рассмотреть на примере воды. Значения давления насыщенного пара в зависимости от температуры воды даны в таблице 2.1, а график зависимости на рис. 2.5.

рабочего тела отводится тепловой поток qк. Тепловой поток qк отводится горячему источнику Г. И, в качестве которого обычно выступает окружающая среда, под которой понимают воздух или воду, охлаждающую теплообменную поверхность конденсатора. В связи с этим конденсаторы делятся на воздушные и водяные. В нашем случае вода циркулирует через змеевик, поверхность которого и есть охлаждающая теплообменная поверхность. Пар должен иметь свободный доступ к этой поверхности. Поэтому уровень жидкости (конденсата) в конденсаторе должен быть ниже поверхности теплообмена. Величина давления Рк в конденсаторе определяется температурой горячего источника, то есть температурой охлаждающей воды или воздуха.

3-3′ – переохлаждение жидкости. Все процессы от 2 до 3′ лежат на одной изобаре Рк. Процесс 3-3′ может проходить как непосредственно в конденсаторе, так и в специальных теплообменных аппаратах.

3′-4 – процесс дросселирования в дроссельном устройстве ДР. В качестве дроссельного применяются устройства, обладающие значительным гидравлическим сопротивлением для проходящего через них потока жидкого холодильного агента. Например, вентили или капиллярные трубки. При этом происходит снижение как давления жидкости, так и ее температуры. Процесс является изоэнтальпным.

4-1′ – процесс кипения в испарителе И. Это основной холодопроизводящий процесс. Поверхность теплообмена между охлаждаемым телом, циркулирующим по змеевику, и кипящим холодильным агентом должна быть полностью погружена в кипящий холодильный агент. Величина давления Ро в испарителе определяется температурой холодного источника Х. И., то есть задается потребителем холода, исходя из его технологических потребностей.

1′-1 – перегрев паров на всасывании. Этот процесс может происходить как в испарителе (как в нашем случае), так и в специальных аппаратах. Если процесс перегрева происходит в испарителе, то он также является холодопроизводящим.

Удельная теплота, отнесенная к единице массового или объемного расхода холодильного агента в испарителе, называется удельной массовой ( q0 ) или объемной ( qv ) холодопроизводительностью. В нашем случае q0 = i1 – i4, если перегрев паров на всасывании происходит не в испарителе q0 = i1′ – i4.

Пароэжекторная холодильная машина

Пароэжекторная холодильная машина (ПЭХМ) является еще одной из машин, использующих процесс кипения жидкости. В отличие от ПХМ пароэжекторная холодильная машина является теплоиспользующей. Схема и термодинамический цикл работы ПЭХМ представлены на рис. 2.7.

Рис.2.7. Схема и цикл пароэжекторной холодильной машины.

В качестве источника энергии ПЭХМ использует тепловые потоки с температурой, как правило, не ниже 200 ºС. Это часто бросовые источники тепла: отработанный водяной пар, дымогарные газы и т. д. В качестве холодильного агента используется вода и водяной пар.

В генераторе Г происходит нагрев воды до состояния насыщения (процесс 8-9) и ее последующее кипение (процесс 9-1) с образованием водяного пара. Для осуществления этих процессов к воде от греющей среды Г. С. поступает тепловой поток qг. Величина давления в генераторе определяется температурой Г. С.

Пар в состоянии т. 1 поступает в эжектор Э. В эжекторе пар поступает в канал с уменьшающимся по ходу потока проходным сечением, который называется конфузор. В конфузоре происходит увеличение скорости движения водяного пара и при этом происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию. При этом Рг давление пара уменьшается от Рг до Рo (процесс расширения пара 1-2). В самом узком месте эжектора, где давление несколько ниже, чем в испарителе И, происходит подсос холодильных паров из испарителя в состоянии т. 3. Пар, поступивший в эжектор из генератора, называется активным, а пар, поступивший из испарителя, пассивным. В результате смешения паров в состоянии т. 2 и т. 3 их смесь получает состояние т. 4. Далее поток поступает в канал эжектора с увеличивающимся проходным сечением, который называется диффузор. В диффузоре происходит замедление скорости движения пара и рост его давления (сжатие) до величины Рк (процесс 4-5).

Далее водяной пар в состоянии т. 5 поступает в конденсатор К, где конденсируется (процесс 5-6) с отводом теплового потока qк горячему источнику, в качестве которого выступает окружающая среда О. С. Образовавшийся конденсат в

состоянии т. 6 делится на две неравные части. Меньшая часть дросселируется (процесс 6-7) и поступает в испаритель. Большая часть насосом Н сжимается до давления Рг (состояние т.8) и подается в генератор Г. Поскольку жидкость практически несжимаема на диаграмме Т-S точки 6 и 8 совпадают по положению, но лежат на разных изобарах.

Вода, поступившая в испаритель, кипит (процесс 7-3) с отбором тепла qо от холодного источника Х. И. – потребителя холода. Тепловой поток qо – удельная

массовая холодопроизводительность ПЭХМ.

Легко заметить, что в ПЭХМ сочетаются два контура циркуляции воды и водяного пара и два термодинамических цикла: прямой и обратный. Обратный цикл 3-10-6-7 служит для выработки холода. В нем циркулирует массовый поток m0. Прямой цикл 1-2-11-6-8-9 служит для выработки механической энергии, которая в эжекторе передается активным потоком прямого цикла пассивному потоку обратного цикла. Элементы схемы, в которых осуществляется прямой цикл, в совокупности выполняют те же функции, что и компрессор КМs в схеме ПХМ (рис.2.6). В прямом цикле циркулирует массовый поток mа. Процесс сжатия в диффузоре эжектора смеси этих потоков 4-5 здесь условно разделен на процессы: 3-10 – сжатие потока обратного цикла и 2-11 – сжатие потока прямого цикла. Отношение m0/ mа – называется кратностью циркуляции ПЭХМ. В зависимости от температур Тг и Т0 кратность циркуляции может изменяться от 2 до 5.

Пароэжекторные холодильные машины применяются для охлаждения до температур не ниже (–5 … –7°С). При этом давление ниже атмосферного здесь устанавливается не только в испарителе, но и в конденсаторе (см. табл.2.1).

Главные преимущества ПЭХМ – отсутствие движущихся частей в элементах машины (кроме насоса) и дешевые источники энергии. Главный недостаток – высокие удельные затраты энергии на выработку холода по сравнению с ПХМ. Это связано с низкой энергетической эффективностью процессов в эжекторе и большой величиной кратности циркуляции.

(Материал взят из книги Теоретические основы холодильной техники : монография — А. М. Ибраев, А. А. Сагдеев)