Співвідношення між температурою і тиском є одним з основних факторів, що визначають стан холодоагенту як в випарнику, так і в конденсаторі, а також у звичайній ємності з холодоагентом. Нижче наведені більш докладні пояснення впливу температури і тиску на стан холодоагенту.
Кипіння води при зниженні тиску
Ми знаємо, що для доведення води до кипіння при атмосферному тиску досить нагріти її до 100 ° С. Разом з тим, при вакуумуванні холодильного контуру з метою eгo зневоднення, вода, яка може перебувати 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 вакуумирования 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 не кипить.
Однак при підключенні ємності до потужного вакуумного насоса після початку вакуумирования можна помітити, що вода починає закипати, хоча її температура становить тільки З0 ° С. Це явище може бути пояснено таким чином: поверхня води знаходиться під дією двох сполучених сил, які спрямовані один проти одного (див. Рис. 1.2).
Це явище може бути пояснено таким чином:
- Поверхня води знаходиться під дією двох сполучених сил, які спрямовані один проти одного (див. Рис. 1.2).
- Перша сила Fi - внутрішня сила в рідини, спрямована знизу вгору і прагне витіснити воду з посудини. (Див. Рис.1.2)
- Друга сила Fe - зовнішня сила, яка, навпаки, прагне утримати воду всередині судини.
До тих пір, поки протилежно спрямовані сили Fi і Fe врівноважені, вони взаємно нейтралізуються і в посудині нічого не відбувається.
Вакуумирование викликає кипіння води тому, що знижує тиск над рідиною і тим самим зменшує силу Fe. Отже, коли в результаті вакуумування сила Fe стає менше сили Fi, вода не може залишатися всередині судини і починає виходити з нього у вигляді пари (вода кипить).
Підігрів води також викликає її кипіння, оскільки одночасно збільшує внутрішню силу Fi, діючу в рідини. Точно також, коли в результаті підігріву сила Fi стає більше сили Fe, зовнішня сила не може більше утримувати воду в посудині і починається її випаровування.
Отже, щоб викликати кипіння рідини, мало або підвищити внутрішню силу (підігріваючи рідину), або знизити зовнішній тиск над її вільною поверхнею (вакууміруя посудину).
Як викликати кипіння води, поливаючи посудину холодною водою:
У попередньому експерименті ми закип'ятили воду, вакууміруя посудину і порушуючи тим самим 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 пояснюється тим, що молекули пара, що утворюються в процесі кипіння рідини, накопичуючись над її поверхнею, піднімають тиск в посудині. Коли підйом тиску стає достатнім для встановлення нового стану рівноваги між силами Fe і Fi кипіння відразу ж зупиняється. Однак будучи припиненим, кипіння починається з новою силою якщо посудина поливати холодною водою.
Це явище, на перший погляд вкрай парадоксальне, пояснюється тим, що невелика маса водяної пари, що містяться в ємності, охолоджується значно швидше, ніж велика маса води. В результаті пари води стискаються сильніше, ніж рідина, і зовнішня сила Fe (діюча в паровій фазі) зменшується швидше, ніж внутрішня сила Fi (діюча в рідини). Коли сила Fe стає нижче сили Fi, їх рівновага порушується, і кипіння природно відновлюється (цей легко здійсненний експеримент, може бути поставлений за допомогою приладу, відомого під назвою колби Франкліна).
Різниця в питомій масі рідини і її пари.
Говорячи про питомій масі тіла, вкажемо, що під цим поняттям 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 і атмосферному тиску має масу близько 0,038 Kг, тобто в 1,210,038 = 31 разів меншу.
Отже при 20 ° С і 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 утворюються пари займають обсяг, в 31 разів більший, ніж обсяг рідини, з якої вони утворилися.
Тому діаметр рідинних ліній в холодильних контурах завжди менше, ніж діаметр патрубків нагнітання, хоча тиску в цих двох магістралях майже однакові.
Співвідношення між тиском і температурою:
Холодильні манометри, які ми зазвичай використовуємо, показують співвідношення між тиском парів і температурою для 3-x типів хладагентов, найбільш часто використовуваних в останні роки (R12, R22 і R502).
Однак в подальшому ми будемо повинні все більше і більше звикати до нових холодоагентів (R134a, R404а і т.п.). З метою закріплення наших знань в області поведінки хладагентов при різних температурах розглянемо рис. 1.5 і спробуємо уявити, що відбувається всередині судини, содержащегo R22 в рідкій фазі, коли eгo температура зростає: в першій посудині рідкий R22 знаходиться при температурі 20 ° С і манометр показує, що тиск в ємності складає 8 бар.
Якщо температура зростає, невелика кількість рідини випаровується, що призводить до зниження рівня рідини в посудині і невеликого приросту обсягу парів. Однак, беручи до уваги те, що для розміщення обсягу парів, що утворилися в результаті випаровування деякого об'єму рідини, потрібно простір, приблизно в 30 разів більше, ніж обсяг, який займала випарувалася рідина, пари в посудині стискаються і тиск в ньому підвищується в міру того , як зростає температура.
Тому в другому посудині, температура якого становить 27 ° С. манометр показує тиск 10 бар. Якщо температура продовжує рости 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. Вивільняється за рахунок цього обсяг виявляється занадто малим для утворився кількості парів, відбувається їх стиснення, тиск зростає, одночасно зростає зовнішня сила Fe і так до тих пір, поки не встановиться рівновага сил Fe і Fi. Отже, в замкнутому посудині стан суміші парів з породжує їх рідиною (їх називають насиченими парами або парожидкостной сумішшю в стані насичення) підпорядковується дуже точному співвідношенню (залежному від природи рідини) між температурою рідини і тиском насичених парів.