Вплив температури та тиску на стан холодоагентів

Об’єкти

Вплив температури та тиску на стан холодоагентів

Співвідношення між температурою і тиском є одним з основних факторів, що визначають стан холодоагенту як у випарнику, так і в конденсаторі, а також у звичайній ємності з холодоагентом. Нижче наведено докладніші пояснення впливу температури та тиску на стан холодоагенту.

Кипіння води при зниженні тиску

Ми знаємо, що для доведення води до кипіння при атмосферному тиску достатньо її нагріти до 100 °С. Разом з тим, при вакуумуванні холодильного контуру з метою його зневоднення, вода, яка може знаходитися в контурі, має температуру навколишнього середовища, тобто набагато нижче 100 °С. За допомогою простого досвіду схема якого наведена на рис. 1.1 можна показати дію вакуумування на процес закипання води: нехай прозора ємність з водою, наприклад, при температурі З0°С з’єднана з атмосферою, тобто знаходиться при атмосферному тиску. Видно, що вода нерухома і кипить.

Однак при підключенні ємності до потужного вакуумного насоса після початку вакуумування можна помітити, що вода починає закипати, хоча її температура становить лише 30°С. Це явище можна пояснити так: поверхня води знаходиться під дією двох сполучених сил, які спрямовані один проти одного (див. рис. 1.2).

Це може бути пояснено так:

Поверхня води знаходиться під дією двох сполучених сил, які спрямовані одна проти одної (див. рис. 1.2).
Перша сила Fi – внутрішня сила в рідині, спрямована знизу вгору і що прагне витіснити воду з судини. (див. рис.1.2)
Друга сила Fe – зовнішня сила, яка, навпаки, прагне утримати воду всередині судини.

Доки протилежно спрямовані сили Fi і Fe врівноважені, вони взаємно нейтралізуються і в посудині нічого не відбувається.

Вакуумування викликає кипіння води тому, що знижує тиск над рідиною і цим зменшує силу Fe. Отже, коли в результаті вакуумування сила Fe стає меншою за силу Fi, вода не може залишатися всередині судини і починає виходити з неї у вигляді пари (вода кипить).

Підігрів води також викликає її кипіння, оскільки одночасно збільшує внутрішню силу Fi, що діє рідини. Так само, коли в результаті підігріву сила Fi стає більшою за силу Fe, зовнішня сила не може більше утримувати воду в посудині і починається її випаровування.

Отже, щоб викликати кипіння рідини, достатньо або підвищити внутрішню силу (підігріваючи рідину), або зменшити зовнішній тиск над її вільною поверхнею (вакуумуючи посудину).

Як викликати кипіння води, поливаючи посуд холодною водою:

У попередньому експерименті ми закип’ятили воду, вакуумуючи посудину і тим самим порушуючи рівновагу між силами Fi і Fe.

Коли вода повністю закипить, закриємо ізолюючий вентиль судини на виході з нього (див. рис. 1.3). Кипіння повністю припиняється. Це тим, що молекули пари, що утворюються в процесі кипіння рідини, накопичуючись над її поверхнею, піднімають тиск у посудині. Коли підйом тиску стає достатнім встановлення нового стану рівноваги між силами Fe і Fi кипіння відразу ж зупиняється. Однак, будучи припиненим, кипіння починається з новою силою, якщо посудину поливати холодною водою.

Це, на перший погляд, вкрай парадоксальне, пояснюється тим, що невелика маса водяної пари, що міститься в ємності, охолоджується значно швидше, ніж велика маса води. В результаті пари води стискаються сильніше, ніж рідина, і зовнішня сила Fe (діє в паровій фазі) зменшується швидше, ніж внутрішня сила Fi (діє в рідині). Коли сила Fe стає нижчою за силу Fi, їх рівновага порушується, і кипіння природно відновлюється (цей легко здійсненний експеримент, може бути поставлений за допомогою приладу, відомого під назвою колби Франкліна).

Різниця у питомій масі рідини та її пари.

Говорячи про питому масі тіла, вкажемо, що це поняття мається на увазі маса одиниці об’єму даного тіла (наприклад, ми знаємо, що 1 літр води має масу 1 кілограм). Для фреону R22 1 літр рідини при температурі 20°С має масу близько 1,2 кілограма, проте 1 літр парів R22 при тій же температурі та атмосферному тиску має масу порядку 0,038 Kг, тобто в 1,210,038=31 разів.

Отже при 20°З атмосферному тиску 31 літр парів R22 має таку ж масу, як 1 літр рідини R22 (див. рис. 1.4).

Таким чином, в результаті випаровування рідкого R22 при 20°С пари, що утворюються, займають об’єм, в 31 разів більший, ніж об’єм рідини, з якої вони утворилися.

Тому діаметр рідинних ліній у холодильних контурах завжди менше, ніж діаметр патрубків нагнітання, хоча тиску цих двох магістралях майже однакові.

Співвідношення між тиском та температурою:

Холодильні манометри, які ми зазвичай використовуємо, показують співвідношення між тиском пари і температурою для 3-х типів холодоагентів, які найчастіше використовуються в останні роки (R12, R22 і R502).

Однак надалі ми повинні все більше і більше звикати до нових холодоагентів (R134a, R404а і т.п.). З метою закріплення наших знань у галузі поведінки холодоагентів за різних температур розглянемо рис. 1.5 і спробуємо уявити, що відбувається всередині судини, що містить R22 в рідкій фазі, коли його температура зростає: в першій посудині рідкий R22 знаходиться при температурі 20°С і манометр показує, що тиск в ємності становить 8 бар.

Якщо температура зростає, невелика кількість рідини випаровується, що призводить до зниження рівня рідини в посудині та невеликого приросту обсягу пари. Однак, беручи до уваги те, що для розміщення об’єму пари, що утворилися в результаті випаровування деякого об’єму рідини, потрібен простір, приблизно в 30 разів більше, ніж об’єм, який займала рідина, що випарувалася, пари в посудині стискаються і тиск в ньому підвищується в міру того як зростає температура.

Тому в другій посудині, температура якої становить 27 ° С, манометр показує тиск 10 бар. Якщо температура продовжує зростати і доходить, наприклад, до 34°С кількість парів збільшується набагато швидше, ніж знижується рівень рідини, і тиск в нашому випадку досягає 12,2 бар.

Таким чином, при зростанні температури рідини внутрішня сила Fi збільшується, що призводить до випаровування необхідної кількості рідини. Обсяг, що вивільняється за рахунок цього, виявляється занадто малим для утвореної кількості парів, відбувається їх стиск, тиск зростає, одночасно зростає зовнішня сила Fe і так доти, поки не встановиться рівновага сил Fe і Fi. Отже, в замкнутому посудині стан суміші парів з рідиною, що їх породжує (їх називають насиченими парами або парорідинної сумішшю в стані насичення) підкоряється дуже точному співвідношенню (що залежить від природи рідини) між температурою рідини і тиском насичених парів.

Використані матеріали книги “Практичний посібник з ремонту холодильних установок
з конденсаторами повітряного охолодження
вид. Московського Університету, 1999р.

Компанія “МПК Інжінірінг” заснована у 2009 році.