Пособие для ремонтника. Справочное руководство

1.1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

Соотношение между температурой и давлением является одним из основных факторов, определяющих состояние хладагента как в испарителе, так и в конденсаторе, а также в обычной емкости с хладагентом. Ниже приведены более подробные объяснения влияния температуры и давления на состояние хладагента.[1]

А) Кипение воды при понижении давления

Мы знаем, что для начала процесса кипения воды при атмосферном давлении достаточно нагреть ее до 100 °C. Вместе с тем, при вакуумировании холодильного контура с целью его обезвоживания, вода, которая может находиться в контуре, имеет температуру окружающей среды, то есть гораздо ниже 100 °C.

С помощью простого опыта, схема которого приведена на рис. 1.1, можно показать действие вакуумирования на процесс закипания воды.

Пусть прозрачная емкость с водой, например, при температуре 30 °C, соединена с атмосферой, то есть находится при атмосферном давлении.

Видно, что вода неподвижна и не кипит. Однако, при подключении емкости к мощному вакуумному насосу, после начала вакуумирования можно заметить, что вода начинает закипать, хотя ее температура составляет только 30 °C.

Это явление может быть объяснено следующим образом:

Поверхность воды находится под действием двух сопряженных сил, которые направлены друг против друга (см. рис. 1.2).

► Первая сила Fi — внутренняя сила жидкости, направленная снизу вверх и стремящаяся вытеснить воду из сосуда.

► Вторая сила Fe — внешняя сила, которая, напротив, стремиться удержать воду внутри сосуда.

До тех пор, пока противоположно направленные силы Fi и Fe уравновешены, они взаимно нейтрализуются и в сосуде ничего не происходит.

Вакуумирование вызывает кипение воды

Вакуумирование понижает давление над жидкостью и тем самым уменьшает силу Fe. Следовательно, когда в результате вакуумирования сила Fe становится меньше силы Fi, вода не может оставаться внутри сосуда и начинает выходить из него в виде пара: вода кипит (испаряется).

Подогрев воды также вызывает ее кипение

Поскольку подогрев увеличивает внутреннюю силу Fi, действующую в жидкости.

Когда в результате подогрева сила Fi становится больше силы Fe, внешняя сила больше не может удерживать воду в сосуде и поэтому начинается ее кипение.

Итак, чтобы вызвать кипение жидкости достаточно либо повысить внутреннюю силу (подогревая жидкость), либо понизить внешнее давление над ее свободной поверхностью (вакуумируя сосуд).

Б) Как вызвать кипение воды, поливая сосуд холодной водой

В предыдущем эксперименте мы вскипятили воду, вакуумируя сосуд и нарушая тем самым равновесие между силами Fe и Fi. Когда вода полностью закипит, закроем изолирующий вентиль сосуда на выходе из него (см. рис. 1.3). Кипение полностью прекращается.

Это объясняется тем, что молекулы пара, образующиеся в процессе кипения жидкости, скапливаясь над ее поверхностью, увеличивают давление в сосуде.

Когда давление становится достаточным для установления нового состояния равновесия между силами Fe и Fi, кипение сразу же останавливается.

Однако, будучи прекращенным, кипение начинается с новой силой, если сосуд поливать холодной водой!

Это явление, на первый взгляд крайне парадоксальное, объясняется тем, что небольшая масса водяных паров, содержащихся в емкости, охлаждается значительно быстрее, чем большая масса воды.

В результате пары воды сжимаются быстрее, чем жидкость, и внешняя сила Fe (действующая в паровой фазе) уменьшается быстрее, чем внутренняя сила Fi (действующая в жидкости).

Когда сила Fe становится меньше силы Fi равновесие нарушается и кипение возобновляется (этот легко осуществимый эксперимент, который позволил автору выиграть множество пари, может быть поставлен с помощью прибора, известного под названием колбы Франклина).

В) Разница в удельной массе жидкости и ее пара

Говоря об удельной массе тела, укажем, что под этим понятием подразумевается масса единицы объема данного тела (например, мы знаем, что 1 литр воды имеет массу 1 килограмм).

Один литр жидкого R22 при температуре 20 °C имеет массу около 1,2 кг, однако 1 литр паров R22, при той же температуре и атмосферном давлении, имеет массу порядка 0,038 кг. то есть

Следовательно, при 20 °C и атмосферном давлении 31 литр паров R22 имеет такую же массу, как 1 литр жидкого R22 (см. рис. 1.4).

Таким образом, в результате испарения жидкого R22 при 20 °C, образующиеся пары занимают объем в 31 раз больший, чем объем жидкости, из которой они образовались.

Поэтому диаметр жидкостных линий в холодильных контурах всегда меньше, чем диаметр патрубков нагнетания, хотя давления в этих двух магистралях почти одинаковы.

Г) Соотношение между давлением и температурой

Холодильные манометры, которые мы обычно используем, показывают соотношение между давлением паров и температурой для трех типов хладагентов, наиболее часто используемых в последние годы (R12, R22 и R502). Однако, в дальнейшем, мы будем должны все больше и больше привыкать к новым хладагентам (R134a, R404A, R407C, R410A и т. п.).

С целью закрепления наших знаний в области поведения хладагентов при разных температурах рассмотрим рис 1.5 и попробуем представить, что происходит внутри сосуда, содержащего R22 в жидкой фазе, когда его температура растет.

В первом сосуде жидкий R22 находится при температуре 20 °C и манометр показывает, что давление в емкости составляет 8 бар.

Если температура возрастает, небольшое количество жидкости испаряется, а сама жидкость при этом расширяется что приводит к повышению уровня жидкости в сосуде и небольшому снижению объема паров.

Однако, принимая во внимание то, что для размещения объема паров, образовавшихся в результате выкипания некоторого объема жидкости, требуется пространство, примерно в 30 раз большее, чем объем, который занимала испарившаяся жидкость, пары в сосуде сжимаются и давление в нем повышается по мере того, как растет температура.

Поэтому во втором сосуде, температура которого составляет 27 °C, манометр показывает давление 10 бар.

Если температура продолжает расти и доходит, например, до 34 °C, количество паров увеличивается гораздо быстрее по сравнению с повышением уровня жидкости, и давление достигает 12,2 бар.

Таким образом, при росте температуры жидкости внутренняя сила Fi увеличивается, что приводит к испарению определенного количества жидкости.

Высвобождающийся за счет этого объем оказывается слишком малым для образовавшегося количества паров, происходит их сжатие, давление растет, одновременно растет внешняя сила Fe, и так до тех пор, пока не установится равновесие сил Fi и Fe.

Итак, в замкнутом сосуде состояние смеси паров с порождающей их жидкостью (их называют насыщенными парами или парожидкостной смесью в состоянии насыщения) подчиняется очень точному соотношению (зависящему от природы жидкости) между температурой жидкости и давлением насыщенных паров.