Влияние температуры и давления на состояние хладагента

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.

Кипение воды при понижении давления

Мы знаем, что для доведения воды до кипения при атмосферном давлении достаточно нагреть её до 100°С.
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°С.

Пусть прозрачная емкость с водой, например, при температуре 30°С 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 её температура составляет только 30°С. Это явление может быть объяснено следующим образом:

• Поверхность воды находится под действием двух сопряженных сил, которые направлены друг против друга .
• Первая сила F, — внутренняя сила в жидкости, направленная снизу вверх и стремящаяся вытеснить воду из сосуда.
• Вторая сила Fe — наружная 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:
Потому что 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 её кипение:
Поскольку одновременно увеличивает внутреннюю силу Fi действующую в жидкости.
Точно также, когда в результате подогрева сила Fi становится больше силы Fe, наружная сила не может больше удерживать воду в сосуде и начинается её испарение.

* Прим.ред. Модель процесса кипения, приведенная автором, не является строго научной, но помогает в доступной форме объяснить процессы кипения и конденсации.

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

Как вызвать кипение воды поливая сосуд холодной водой

В предыдущем эксперименте мы вскипятили воду, вакуумируя сосуд и нарушая тем самым равновесие между силами Fi] и Fe. 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 её поверхностью, поднимают давление в сосуде.
Когда подъем давления 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 сильнее, чем жидкость, и внешняя сила Fe (действующая в паровой фазе) уменьшается быстрее, чем внутренняя сила Fi (действующая в жидкости).
Когда сила Fe становится ниже силы Fi, их равновесие нарушается, и кипение естественно возобновляется (этот легко осуществимый эксперимент, который позволил автору выиграть множество пари, может быть поставлен с помощью прибора, известного под названием колбы Франклина).

Разница в удельной массе жидкости и её 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).
Для R22 1 литр жидкости при температуре 20°С имеет массу около 1,2 килограмма, однако 1 литр паров R22 при той же температуре и атмосферном давлении имеет массу порядка 0,038 кг, то есть в 1,2/0,038=31 раз меньшую.

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

Таким образом, в результате испарения жидкого R22 при 20°С 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.

Соотношение между давлением и температурой:

Холодильные манометры, которые мы обычно используем, показывают соотношение между давлением паров и температурой для 3-х 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 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°С и манометр показывает, что давление в емкости составляет 8 бар.
Если температура возрастает, небольшое количество жидкости испаряется, что приводит к понижению уровня жидкости в сосуде и небольшому приросту объема паров.

Однако, принимая во внимание то, что для размещения объема паров, образовавшихся в результате испарения 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°С, манометр показывает давление 10 бар.
Если температура продолжает расти и доходит, например, до 34°С, количество паров увеличивается гораздо более быстро, чем понижается уровень жидкости, и давление в нашем случае достигает 12,2 бар.

Таким образом, при росте температуры жидкости внутренняя сила Fi, увеличивается, что приводит к испарению необходимого 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 Fe и Fi.
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.

Практическое руководство
по ремонту холодильных установок с конденсаторами воздушного охлаждения 
Техническая редакция В.И.Велюханова.
Издательство Московского университета.