Procesy chłodnicze w klimatyzacji kopalń - omówienie

Procesy chłodnicze w klimatyzacji kopalń
4.1. Procesy chłodnicze
Chłodzeniem (lub ziębieniem) nazywa się procesy odprowadzania ciepła lub wykonywania pracy połączone z obniżeniem temperatury ciała lub środowiska poniżej temperatury otoczenia i utrzymania jej na tym poziomie.
Ilość ciepła, którą może pochłonąć ciało chłodzące w jednostce czasu decyduje o mocy chłodniczej (wydajności chłodniczej) danego procesu. Proces chłodzenia może być naturalny lub sztuczny. Naturalny sposób obniżenia temperatury następuje drogą samorzutnej wymiany ciepła z otoczeniem przez wykorzystanie substancji o temperaturze niższej od temperatury otoczenia. Substancją taką może być np. naturalny lód wodny, wodny roztwór soli. Sztuczne chłodzenie wymaga zastosowania urządzenia chłod­niczego, w którym czynnik termodynamiczny, krążący w tym urządzeniu, pośredniczy w wymianie ciepła między środowiskiem chłodzonym a otocze­niem. Sztuczne chłodzenie nazywa się także ziębieniem.
Konstrukcje (budowa) urządzeń chłodniczych wykorzystują efekty chłod­nicze następujących procesów fizycznych:
a) zmian stanu skupienia połączonych z pochłanianiem ciepła, do których należą:
przejście ze stanu stałego w ciekły (topnienie), przejście ze stanu stałego w gazowy (sublimacja), przejście ze stanu ciekłego w gazowy (parowanie), rozpuszczanie soli;
b) rozprężania gazów połączonego z wykonywaniem pracy zewnętrznej lub ekspansji gazu połączonej z dławieniem przepływu (efekt Joule'a-Thom­sona);
c) zjawiska chłodniczego wirowego (rurka Ranque'a), d) efektu termoelektrycznego Peltiera,
e) rozmagnesowania ciała stałego (zjawisko magnetotermiczne), f) desorpcji gazów.
4.1.1. Zmiana stanu skupienia
Podczas zmiany stanu skupienia temperatura ciała jednorodnego w za­sadzie zachowuje wartość stałą. Proces topnienia-krzepnięcia ciał stałych o budowie krystalicznej przebiega w stałej temperaturze. W ciałach bez­postaciowych zmiana stanu skupienia następuje w pewnym przedziale temperatur o niewyraźnych granicach. Podczas procesu topnienia lodu zmienia się objętość zajmowana przez substancję, a także następuje wymiana pewnej ilości energii między ciałem podlegającym zmianie stanu skupienia a otoczeniem. Zmiana entalpii jednostki masy ciała przy prze­chodzeniu układu od stanu 1 do stanu 2 wynosi:
(4.1)
gdzie: h - entalpia właściwa ciała, J/kg.
Efekt energetyczny (4.1) wynika z budowy atomowej lub cząsteczkowej materii. Przy przechodzeniu z fazy bardziej skondensowanej w fazę o mniej­szej gęstości w tej samej temperaturze konieczne jest dostarczanie pewnej energii do pokonania sił międzycząsteczkowych, równej różnicy energii potencjalnej sił międzycząsteczkowych. Przyrost entropii jednostki masy ciała

(…)

… przy przejściu cieczy w stan pary, J/(kgK).
W obszarze pod krzywą graniczną znajduje się para nasycona wraz z wrzącą cieczą. Parę w tym obszarze nazywa się parą nasyconą wilgotną. W celu określenia stanu tej pary wprowadza się parametr zwany stopniem suchości x. Wielkość tę można wyrazić przez objętości właściwe. Oznaczając sumę objętości pary i wody wrzącej o masie 1 kg przez v, wzór na stopień suchości…
… do izobary gazu dosko­nałego. Pracę zewnętrzną l przemiany izobarycznej od stanu 1 do stanu 2 można wyliczyć na podstawie wzoru:
(4.7) Gdy przemiana zachodzi całkowicie w obszarze pary nasyconej, to:
(4.8)
Po podstawieniu (4.8) do (4.7) otrzymuje się
(4.9)
Przyjmuje się, że procesy parowania czynnika chłodniczego w pa­rowniku i kondensacji w skraplaczu przebiegają w warunkach izoba­rycznych. W obszarze pary nasyconej przemiana izobaryczna jest zarazem przemianą izotermiczną. W układzie p-v proces izotermiczny można po­dzielić na procesy zachodzące w cieczy AB, w parze nasyconej wilgotnej BC i w parze przegrzanej CD. Ciepło właściwe przemiany izotermicznej jest równe
(4.10) W obszarze pary nasyconej wzór ten przechodzi w zależność:
(4.11)
Praca właściwa przemiany izotermicznej jest równa
(4.12)
Związek między zmianą ciśnienia p i zmianami temperatury T w układzie jednoskładnikowym podczas zmiany stanu skupienia podaje równanie Cla­peyrona-Clausiusa, w postaci równania krzywej równowagi fazowej:
(4.13) gdzie: r - ciepło zmiany stanu skupienia, J/kg,
- zmiana objętości właściwej podczas przemiany fazowej, m3/kg.
Z równania Clapeyrona-Clausiusa wynika, że podczas parowania i sub­limacji ciśnienie pary nasyconej…
… nasycenia nosi nazwę pary przegrzanej. Powstanie pary wiąże się ze znacznym wzrostem objętości właściwej v, co przedstawia rysunek 4.2. Przy ciśnieniu p1 temperatura nasycenia wynosi T1. Odcięta punktu A1 odpowiada objętości właściwej wrzącej cieczy, a punkt B1 podaje stan pary nasyconej suchej, czyli takiej, która nie zawiera kropelek wrzącej cieczy. Gałąź krzywej granicznej biegnąca przez punkty A1, A2…
… i ciśnienie powietrza po ekspansji, m - wykładnik politropy.
Podczas rozprężania izentropowego wymiana ciepła z otoczeniem nie następuje, a entropia pozostaje stała. W przemianie adiabatycznej wykładnik politropy i nazywa się wykładnikiem adiabaty. W przypadku powietrza wielkość ta jest równa = 1.4.
Rysunek 4.5 przedstawia przemianę rozprężania gazu na wykresie temperatura bez­względna-entropia. Przemianę…
... zobacz całą notatkę