Обозначения:
T – температура, P – давление, cp — мольная тёплоемкость при постоянном давлении, S – энтропия, H – энтальпия, G — энергия Гиббса.
Схема холодильника:
Рассмотрим в качестве рабочего тела хладагент
Фреон22 (R22, химическая формула CF2CLH, хлордифторметан). Отвод тепла из холодильника при температуреT1 и сброс тепла в окружающую среду при температуреT2 происходит за счёт химической реакции в рабочем теле — фазовом переходе жидкость-газ-жидкость. При этом испарение — это процесс эндотермический с поглощением теплоты и понижением давления, а конденсирование — это процесс экзотермический с выделением теплоты. Испарение происходит в испарителе, а конденсирование происходит в конденсаторе при повышении давления (рис. 1).
- красным цветом обозначен конденсатор.
- синим цветом обозначен испаритель.
- жёлтым цветом обозначены компрессор и выключател.
- фильтр-осушитель находится за конденсатором.
- Капиллярная трубка находится перед испарителем.
Назначение компрессора повышать давление перед конденсатором.
Назначение конденсатора переводить газ рабочего тела в жидкость и отводить тепло в окружающую среду.
Назначение капиллярной трубки за счёт гидро сопротивления уменьшать давление в системе.
Назначение фильтра-осушителя технологическое.
Назначение испарителя переводить газ рабочего тела в жидкость и отбирать тепло из холодильника.
КПД такого цикла приблизительно
КПД = -(T2-T1)/T2
Знак минус свидетельствует о том, что цикл обратный. Работа компрессора не входит в цикл холода.
Построение цикла в фазовых координатах:
Построим цикл в фазовых координатах с учётом гетерогенного равновесия фаз. Необходимым условием является наличие тёплоемкостей газа и жидкости в зависимости от температуры.
Равенство V×dP=S*dT говорит о том, что изменения в энтропии за счёт изменения тёплоемкости рабочего тела при dG=0, компенсируются работой газа в цикле.
Далее строим D-сетку базируясь на разности в энергиях Гиббса жидкости и газа и подбирая энергию активации dg0=1,15e4 Дж/моль, так чтобы кривая D=0,50 прошла через критическую точку.
D-сетка строится в координатах PDew-TDew, каждая кривая линия соответствует определённому составу рабочего тела. Первая кривая D=0,001 является кривой росы и в открытом сосуде. Каждая кривая D-сетки является адиабатой по внешнему теплу, так как состав рабочего тела не изменяется на протяжении кривой (D — это доля газа в рабочем теле).
Движение по циклу схематично:
Начало в точке a, далее a‑b с увеличением давления переходом газа в жидкость с выделением тепла, далее b‑c в конденсора сброс тепла в окружающую среду, далее c‑d в испарителе с уменьшением давления увеличением доли газа и отбором тепла из холодильника, далее d‑a с охлаждением газа в испарителе и отбором тепла из холодильника при уменьшенном давлении.
При движении по кривой D=0,80 (dG=0) существует некоторое тепло за счёт изменения тёплоемкости газа, которое компенсируется работой цикла.
Выводы
- Разработан метод расчёта цикла холодильной машины с учётом гетерогенного равновесия фаз.
- Приведен пример расчёта цикла холодильника с рабочим телом Фреон22.
- Рекомендуется применять метод расчёта с учётом гетерогенного равновесия фаз для циклов холодильников.
Список литературы:
1. Теплопроводность, тёплоемкость, свойства фреона-22 (R22, CF2ClH, хлордифторметан).
2. Максимов А. Л. Дифференциальное уравнение для удельной тёплоемкости индивидуальных веществ. Электронный журнал «Физико-химическая кинетика в газовой динамике»: Институт механики МГУ, 2006, 0,27 МБ.
3. Теплота парообразования Фреон22.
