Статья написана по книге Патрика Котзаогланиана "Пособие для ремонтника".
Соотношение между температурой и давлением является одним из основных факторов, определяющих состояние хладагента как в испарителе, так и в конденсаторе судовой рефрижераторной установки, а также в обычной емкости с хладагентом.
Проведем простой школьный опыт:
Посмотрите на рис.1. Пусть прозрачная емкость с водой, например, при температуре 30 градусов Цельсия, соединена с атмосферой, то есть находится при атмосферном давлении. Видно, что вода неподвижна и не кипит.
Однако, при подключении к емкости мощного вакуумного насоса, после начала вакуумирования можно заметить, что вода начинает ЗАКИПАТЬ, хотя ее температура кипеня при этом составляет всего 30 градусов! Почему, ведь мы привыкли, что вода закипает при температуре, близкой к 100 градусам?
Этому явлению есть простое научное объяснение:
Поверхность воды находится под действием двух сопряженных сил, которые направлены друг против друга (см. рис.2):
Первая сила Fi - это внутренняя сила жидкости, направленная снизу вверх и стремящаяся вытеснить воду из сосуда.
Вторая сила Fe - внешняя сила, которая, напротив, стремится 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 внешнюю силу Fe. Следовательно, в результате вакуумирования внешняя сила Fe становится меньше внутренней силы Fi, вода не может оставаться внутри сосуда и начинает выходить из него в виде пара, то есть вода кипит (испаряется).
Подогрев воды также вызывает кипение!
Да, поскольку подогрев воды увеличивает внутреннюю силу Fi, действующую на жидкость. 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 ее внутреннюю силу (подогревая жидкость, например), либо понизить внешнее давление над ее свободной поверхностью (вакуумируя сосуд).
Если, при вакуумировании сосуда с водой, закрыть изолирующий вентиль на выходе из него, когда вода полностью закипит, то кипение полностью прекращается. Это объясняется тем, что молекулы пара, образующиеся в процессе кипения жидкости, скапливаясь над ее поверхностью, увеличивают давление в сосуде (увеличивается внешняя сила Fe). Когда давление становится достаточным для установления нового состояния равновесия между силами Fi и Fe, кипение сразу же останавливается (рис.3).
Соотношение между давлением и температурой хладагентов.
Холодильные манометры, которые мы обычно используем в судовых рефрижераторных установках, показывают соотношение между давлением паров и температурой для наиболее часто используемых типов хладагентов.
Рассмотрим поведение хладагента при разных температурах (рис.4) и попробуем представить, что происходит внутри сосуда, содержащего хладагент R22 в жидкой фазе, когда его температура постепенно растет:
В первом сосуде жидкий R22 находится при температуре 20 градусов, и манометр показывает, что давление в емкости составляет 8 бар.
Если температура возрастает (увеличивается внутренняя сила Fi), 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 (рис.5), пары в сосуде сжимаются и давление в нем повышается по мере того, как растет температура.
Поэтому во втором сосуде, температура которого составляет 27 градусов, манометр показывает давление уже в 10 бар.
Если температура продолжает расти и доходит, например, до 34 градусов, 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 пара, происходит сжатие пара, давление растет, одновременно растет внешняя сила Fe, и так до тех пор, пока не установится равновесие сил Fi и Fe.
Итак, в замкнутом сосуде (а судовая рефрижераторная установка является ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМОЙ) состояние смеси паров с порождающей их жидкостью(их называют насыщенными парами или парожидкостной смесью в состоянии насыщения) подчиняется очень точному соотношению (зависящему от природы самой жидкости) между температурой жидкости и давлением ее насыщенных паров.
ВОПРОС:
Пусть даны две герметичные емкости, содержащие смесь жидкости и пара хладагента R22. Обе емкости находятся при одной и той же температуре, равной 20 градусов. В первой емкости объем жидкости в 4 раза больше чем во второй. Зная, что в первой емкости давление составляет 8 бар, ОПРЕДЕЛИТЬ какое давление покажет манометр на второй емкости (рис.6)?
BRGDS,
Alisher K. Eshimbetov.
Electro-Technical Officer (ETO).
Подписывайтесь на наш Телеграм чат взаимопомощи коллег по ссылке:
https://t.me/eto_community.
А также на мой YouTube канал: https://www.youtube.com/c/ILLUMINATOR16061988/featured.