Цель данной книги — помочь всем желающим в изучении систем кондици-
онирования воздуха (СКВ) — сложных технических систем, предназначенных
для поддержания определенных параметров воздуха в помещениях различного
назначения.
Системы кондиционирования воздуха рассматриваются на примере наибо-
лее распространенных в настоящее время систем — СКВ с поверхностными
воздухоохладителями, к которым относятся такие системы комфортного кон-
диционирования, как системы «чиллер-фанкойлы», сплит- и VRF-системы.
В книге подробно рассмотрены наиболее важные с точки зрения автора вопросы
проектирования таких систем, начиная с физических основ и принципов
работы и заканчивая особенностями подбора оборудования для различных видов
СКВ с поверхностными воздухоохладителями.
Подробно рассмотрены многие вопросы, которым в специальной и учеб-
ной литературе обычно уделяется недостаточно внимания — в результате иног-
да встречаются случаи, когда даже выпускники высших учебных заведений по
соответствующей специальности не могут самостоятельно не только грамотно
спроектировать более или менее сложную СКВ, но и правильно подобрать сам
поверхностный воздухоохладитель.
При изложении материала автор старался избегать сложных математических
выкладок, далеко уводящих читателя от физической сущности рассматриваемых
явлений и принципов работы оборудования. Подробные выводы расчетных фор-
мул, присутствующие в книге, приведены для понимания происхождения этих
формул, а также сделанных при этом допущений и упрощений.
Автор надеется, что после изучения данной книги читатель будет обладать
базовыми знаниями для грамотного проектирования различных типов СКВ с
поверхностными воздухоохладителями. Книга будет полезна также специали-
стам, занимающимся монтажом и обслуживанием рассматриваемых систем, —
в ней они найдут ответы на ряд вопросов, связанных с проблемами СКВ, кото-
рые были неправильно спроектированы или смонтированы.
При написании книги автор использовал прежде всего собственные разработ-
ки, являющиеся результатом многолетней работы в области холодильной техники
и кондиционирования воздуха, а также источники информации, перечисленные
в списке литературы. Часть информации была получена автором из открытых
материалов, выложенных в Интернете. Так как эта разрозненная исходная ин-
формация была творчески переработана, систематизирована и обобщена авто-
ром, указать корректные ссылки на ее источники не представилось возможным.
Введение
Без пищи человек может прожить несколько недель, без воды — несколько
дней, а без воздуха … в лучшем случае всего пару минут.
Чтобы убедиться в этом, глубоко вдохните, задержите дыхание и засеките вре-
мя до следующего вдоха. Я смог продержаться всего 1 минуту и 17 секунд.
Вся наша жизнь проходит в воздушном океане, который постоянно окружает
нас, где бы мы ни находились. На морском побережье и в лесу, в квартире и в
офисе, в самолетах и поездах, в автомобилях и вагонах метро — везде нас окру-
жает воздух.
Мы не замечаем, как дышим, но потребляем около двадцати килограммов
воздуха в сутки — примерно раз в десять больше, чем воды или пищи.
И если мы обращаем внимание на качество того, что едим и пьем, то должны
еще с большим вниманием относиться к качеству воздуха, которым мы дышим.
Особенно важно дышать чистым воздухом детям и пожилым людям, а также
тем, кто страдает респираторными заболеваниями, — для них это действительно
вопрос здоровья и жизни. Например, ученые доказали, что духота в помещениях,
где постоянно находятся дети, непосредственно сказывается на их физическом и
умственном развитии.
К сожалению, качество вдыхаемого воздуха оценить мы можем только по за-
паху: природа не снабдила нас органом чувств для анализа качества вдыхаемого
воздуха. Да и не удивительно: на протяжении тысячелетий люди жили на свежем
воздухе, и только в начале 20-го века бóльшая часть населения в промышленно
развитых странах перебралась в города.
Современный городской житель проводит бóльшую часть своей жизни в за-
крытых помещениях, и от того, в какой воздушной среде он находится, напря-
мую зависит не только его работоспособность, но и самочувствие, и, в конце
концов, качество и продолжительность жизни.
При этом человек сам является источником загрязнения окружающего его
воздуха: выдыхаемый воздух и выделяемый пот делают воздух в закрытом по-
мещении спертым из-за повышения концентрации углекислого газа и водяного
пара.
Ситуация усугубляется тем, что фасады домов стали почти герметичными:
современные стеклопакеты практически не пропускают свежий воздух, а в ин-
терьерах применяется большое количество синтетических материалов, являю-
щихся дополнительными источниками загрязнения внутреннего воздуха.
Поэтому в современных «герметичных» зданиях воздух должен подаваться и
удаляться системами принудительной вентиляции.
Введение 11
Но для длительного пребывания в закрытых помещениях необходим не
только свежий и чистый воздух, важно также, чтобы внутренняя среда поме-
щения была комфортной для нас: чтобы нам было тепло, отсутствовала духота
и сквозняки.
Состояние внутренней среды помещения, оказывающее влияние на челове-
ка, называется микроклиматом помещения.
Микроклимат помещения характеризуется параметрами воздушной среды
(температурой, влажностью и подвижностью воздуха) и температурой огражда-
ющих конструкций (стен, пола, потолка, окон).
Именно сочетание этих параметров и определяет, комфортно ли будет нам в
этом помещении.
На микроклимат помещения воздействуют как внешние (солнечная радиа-
ция, наружный воздух и т.д.), так и внутренние факторы (люди, оборудование,
освещение), в результате чего параметры микроклимата могут отклоняться от
комфортных для нас значений.
Для того чтобы создавать и поддерживать в помещениях комфортные пара-
метры воздушной среды, применяются системы кондиционирования воздуха.
Система кондиционирования воздуха (СКВ) — это сложная техническая си-
стема, предназначенная для автоматического поддержания комфортных параме-
тров воздушной среды (прежде всего температуры и относительной влажности
воздуха) в обслуживаемом помещении.
Совместно с системой вентиляции, обеспечивающей подачу в помещение
свежего и удаление загрязненного воздуха, СКВ обеспечивает сохранение здо-
ровья человека при длительном пребывании в закрытых помещениях.
В рабочих помещениях, оборудованных правильно спроектированными
и смонтированными СКВ, люди на протяжении всего рабочего дня сохраняют
высокую работоспособность и при этом меньше устают. В жилых кондициони-
руемых помещениях люди быстрее восстанавливают свои силы и лучше высы-
паются. А в торговых и развлекательных комплексах, оборудованных системами
кондиционирования, люди с удовольствием проводят больше времени.
В России СКВ работают преимущественно летом, когда температура и вла-
госодержание наружного воздуха достаточно высоки и подача необработанного
наружного воздуха в помещения с помощью системы вентиляции быстро приве-
дет к возрастанию температуры и влажности внутреннего воздуха.
Поэтому для обеспечения теплового комфорта человека в летний период
система кондиционирования должна поддерживать не только комфортную тем-
пературу воздуха в помещении, но и комфортную относительную влажность
воздуха.
12 Введение
Поступающие снаружи и выделяющиеся в помещении тепло и влага являют-
ся нагрузками, действующими на СКВ. Эти нагрузки могут быть разделены на
явные (вызывающие повышение температуры воздуха в помещении) и скрытые
(вызывающие повышение влажности воздуха).
Исследования, проведенные в США, показали, что в современных зданиях из-
менилось соотношение скрытых и явных нагрузок на СКВ [3.19]. Это вызвано тем,
что меры по повышению энергоэффективности зданий (улучшение теплоизоля-
ции, повышение качества светопрозрачных конструкций, светодиодное освещение
и т.д.) привели к уменьшению явных нагрузок, в то время как поступления влаги
(от людей и приточного воздуха) остались практически неизменными.
Поэтому в современных системах кондиционирования воздуха должно при-
сутствовать оборудование, способное эффективно компенсировать эти поступ-
ления влаги. Это означает, что система кондиционирования должна иметь обору-
дование не только для охлаждения, но и для осушения (уменьшения влажности)
воздуха. По данным [3.8], в Германии системы кондиционирования для охлаж-
дения воздуха используются не более 30 дней в году, а для осушения воздуха —
около 100 дней в году, и именно благодаря этой функции создают комфортные
условия в обслуживаемых помещениях.
Процесс одновременного охлаждения и осушения воздуха реализуется в по-
верхностных воздухоохладителях, в которых теплообмен между охлаждающей
средой и воздухом осуществляется через разделительную перегородку (стенку),
то есть без непосредственного контакта.
Воздух, контактируя с холодной теплообменной поверхностью, охлаждается
и одновременно осушается за счет конденсации на теплообменной поверхности
влаги, содержащейся в воздухе.
В современных поверхностных воздухоохладителях (ПВО) охлаждающая
среда циркулирует внутри трубок, которые омываются в поперечном направле-
нии потоком охлаждаемого воздуха.
Поверхностные воздухоохладители широко применяются в качестве секций
охлаждения в составе центральных кондиционеров, обрабатывающих и подаю-
щих наружный воздух в помещения. Но наибольшее распространение поверхностные
воздухоохладители получили в качестве местных кондиционеров,
обеспечивающих комфортные параметры воздуха непосредственно в обслужи-
ваемых помещениях.
Это прежде всего фанкойлы — местные кондиционеры, работающие на холод-
ной воде, поступающей от специальных холодильных установок — чиллеров, а
также внутренние блоки сплит- и VRF-систем, работающие на современных хладагентах
(хладонах).
Введение 13
На рынке климатического оборудования России присутствуют десятки известных
производителей как таких воздухоохладителей, так и СКВ на их основе.
Такие СКВ собираются из отдельных блоков (фанкойлов и чиллеров, внут-
ренних и наружных блоков сплит- и VRF-систем), характеристики которых опре-
делены при некоторых «стандартных» условиях (температуре и относительной
влажности воздуха, температуре охлаждающей среды и т.д.).
Задача инженера, создающего СКВ на базе готовых блоков, на первый взгляд
кажется простой: подобрать соответствующие блоки и соединить их трубопроводами,
по которым циркулирует охлаждающая среда.
Но это не совсем так.
Поскольку характеристики блоков определены производителем при услови-
ях, которые отличаются от реальных условий эксплуатации, необходим пересчет
характеристик блоков на эти новые условия, что не всегда можно правильно сде-
лать не только с помощью сопроводительной документации, но и с использова-
нием компьютерных программ для подбора оборудования.
Рекламная информация обращает внимание читателя прежде всего на от-
личительные особенности продукции данного производителя, а техническая
документация раскрывает характеристики и методики подбора конкретного обо-
рудования, часто только для «стандартных» условий конкретного производителя
или ограниченного набора параметров.
При подборе оборудования по компьютерным программам необходимо
вводить корректные исходные данные, соответствующие реальным условиям
эксплуатации подбираемого оборудования, а также проверять предварительно
заданные в программе значения некоторых «неактивных» параметров.
Чтобы в конце концов не получить на объекте бесполезный «кусок железа»,
не обеспечивающий требуемые технические характеристики, а иногда и вовсе
отказывающийся работать при расчетных условиях, необходимо иметь ясное
представление о том, как влияют основные входные параметры на технические
характеристики блоков, из которых состоит СКВ.
А это возможно только при хорошем понимании физических процессов, про-
исходящих в соответствующем оборудовании.
Таким образом, при разработке технических решений современных СКВ
первостепенное значение приобретает знание принципов работы ее элементов
(блоков) и физических процессов, лежащих в их основе.
Это относится как непосредственно к процессам обработки влажного воз-
духа, так и к процессам, происходящим по другую сторону — в контуре охлаж-
дающей среды. Именно циркулирующая между блоками охлаждающая среда и
объединяет отдельные блоки в систему, перенося энергию между ними.
14 Введение
И от того, правильно ли подобраны блоки, автоматика и арматура, как рас-
считаны трубопроводы охлаждающей среды, полностью зависит, обеспечит сис-
тема требуемые (проектные) технические характеристики или нет.
В предлагаемой Вашему вниманию книге рассмотрены наиболее важные с
точки зрения автора вопросы создания СКВ с поверхностными воздухоохлади-
телями, начиная с физических основ и принципов работы и заканчивая особен-
ностями подбора оборудования для различных видов СКВ.
Книга состоит из шести глав.
В главе 1, написанной по материалам [1.1–1.4], рассмотрены физические ос-
новы, без знания которых трудно понять, как работают СКВ. Здесь мы не только
кратко повторяем курс элементарной физики, который большинство из нас уже
основательно подзабыло, но и рассматриваем некоторые специальные вопросы,
выходящие за его рамки. Если Вы уверены в своих знаниях, эту главу можно
пропустить.
Глава 2 посвящена холодильной технике — области знаний, лежащей в основе
создания как холодильных установок, так и современных систем кондициониро-
вания воздуха. Мы рассмотрим, из чего состоит и как работает парокомпрес-
сионная холодильная установка, познакомимся с теоретическим и реальным
холодильным циклом и основными типами расширительных устройств, от ко-
торых в немалой степени зависит правильная работа холодильной установки и
кондиционера.
В главе 3 рассмотрены основные понятия, связанные с системами кондицио-
нирования воздуха: комфортные условия воздушной среды, расчетные параметры
наружного воздуха, требования к современным системам кондиционирования,
основные процессы обработки влажного воздуха.
Глава 4 посвящена непосредственно поверхностным воздухоохладителям:
принципам работы, конструкции и расчетам. Мы научимся рассчитывать требу-
емую производительность и параметры воздуха на выходе из воздухоохладителя
и изучим влияние различных факторов на производительность ПВО.
В главе 5 рассматриваются традиционные системы с водяными ПВО —
системы «чиллер-фанкойлы». Мы познакомимся с принципами работы и уст-
ройством чиллеров и фанкойлов и узнаем, как правильно их подбирать.
Завершает книгу глава 6, в которой рассматриваются вопросы, связанные с
принципами работы и подбором оборудования для СКВ с хладоновыми ПВО —
сплит- и VRF-систем.
Изложенная в книге информация является прочной основой для дальнейшего
углубленного изучения конкретных вопросов, связанных с разработкой и эксплуатацией
различных видов СКВ с поверхностными воздухоохладителями.
Условные обозначения
Основные условные обозначения
C, c удельная теплоемкость, Дж/(кг·К), Дж/(мЗ·К)
d влагосодержание, кг/кг (влага / сухой воздух)
e энергия, Дж
F сила, Н
g массовая доля
концентрация
ускорение свободного падения — 9,81 м/с2
Н энтальпия, Дж
h удельная энтальпия, Дж/кг
высота, м
i удельная энтальпия (воздух), Дж/кг
М масса, кг
массовый расход, кг/с
m масса, кг
массовый расход, кг/с
N число молекул
число ударов
потребляемая мощность, кВт
n число молекул
Р, p давление, Па
Q производительность, кВт
мощность, кВт
R газовая постоянная, Дж/(кг·К)
универсальная газовая постоянная — 3,414 Дж/(моль·К)
r объемная доля
удельная теплота фазового перехода, Дж/кг
Т абсолютная температура, К
t температура, °С
u удельная внутренняя энергия, Дж/кг
V объем, м3
объемный расход, м3/с
v удельный объем, м3/кг
w скорость, м/с
W расход влаги, кг/с
μ относительная молекулярная масса
масса киломоля, кг/кмоль
ρ плотность, кг/м3
φ относительная влажность
Индексы
в вода
вв влажный воздух
внутренний воздух
во воздухоохладитель
г газ
к конденсация
км киломоль
м молярная
манометр
мт мокрый термометр
н насыщенный
наружный
нв наружный воздух
нп насыщенный пар
о относительная
п пар
пр приточный воздух
р роса
св сухой воздух
см смесь
ст сухой термометр
т тело
ув удаляемый воздух
а, А воздух
d скрытая производительность
i порядковый номер
р изобарный процесс
t явная производительность
v изохорный процесс
w вода
μ киломоль
Глава 1
Физические основы
1.1. Агрегатные состояния вещества и
фазовые переходы
В зависимости от соотношения давления и температуры любое вещество мо-
жет находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Одним из немногих веществ в природе, которое мы можем наблюдать во всех
трех агрегатных состояниях, является обыкновенная вода.
Агрегатные состояния воды — лед (твердое), вода (жидкое) и пар (газообраз-
ное) — хорошо знакомы нам с раннего детства.
При некоторых соотношениях температуры и давления вещество может одно-
временно находиться в двух, а иногда и в трех состояниях.
Например, вода может быть гомогенной системой (лед, вода, пар) и гетеро-
генной системой (вода–лед, пар–вода, пар–лед, пар – вода – лед).
Гомогенная часть гетерогенной системы, отделенная от других частей систе-
мы поверхностями раздела, называется фазой. Физические свойства вещества
одинаковы во всех точках одной фазы и резко меняются на границах раздела.
Фазовым переходом называется процесс, в котором происходит изменение
агрегатного состояния вещества. Переход вещества из одной фазы в другую про-
исходит через поверхность раздела фаз и сопровождается затратой теплоты и
изменением объема.
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением,
из твердого в газообразное — сублимацией, из жидкого в газообразное — па-
рообразованием. Обратные процессы соответственно называют затвердеванием,
десублимацией и конденсацией.
Процесс парообразования может происходить в виде испарения и кипения.
Испарением называется процесс парообразования, который происходит толь-
ко с поверхности жидкости. Кипение — процесс превращения жидкости в пар,
который происходит не только с поверхности жидкости, но и внутри нее, то есть
это процесс парообразования по всему объему жидкости.
Газообразная фаза вещества в зависимости от температуры и давления может
быть в виде сухого насыщенного, перегретого и влажного насыщенного пара.
Сухой насыщенный пар — это пар, не содержащий частиц жидкой фазы и
находящийся в равновесном состоянии с жидкостью на границе раздела фаз.
Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту, то его температура будет
возрастать и пар становится перегретым. Разность между температурой перегрето-
18 Глава 1
го пара и температурой сухого насыщенного пара называется степенью перегрева.
Перегретый пар является ненасыщенным. При данном давлении его плот-
ность меньше плотности сухого ненасыщенного пара.
Влажный насыщенный пар является двухфазной системой, находящейся в
равновесии (например водяной пар и вода при атмосферном давлении).
Гомогенная или гетерогенная система описывается рядом переменных — фи-
зических величин, характеризующих ее свойства. Например, для описания газо-
образной фазы вещества используются такие переменные, как объем и давление.
Переменные, характеризующие устойчивое состояние системы, называются
параметрами состояния. Различают экстенсивные и интенсивные параметры
состояния.
Экстенсивные параметры состояния определяют размер рассматриваемой
системы. К таким параметрам относится объем и масса вещества. Интенсивные
параметры состояния не зависят от размеров системы и остаются одинаковыми
во всех частях гомогенной системы (фазы). К таким параметрам относятся, на-
пример, давление p и температура T.
Вместо экстенсивных параметров часто используют удельные параметры со-
стояния, которые ведут себя как интенсивные параметры. Такие параметры от-
носятся к единице массы или объема вещества.
Так, удельный объем v получается путем деления объема системы V на ее
массу M:
а плотность — путем деления массы системы M на ее объем V:
Так как системы кондиционирования воздуха имеют дела с воздухом, кото-
рый является смесью нескольких веществ, находящихся в газообразном или
парообразном состоянии, наибольший интерес для нас представляют процессы
изменения агрегатного состояния вещества, связанные с переходами из жидкого
состояния в парообразное (газообразное) и обратно. Такими процессами явля-
ются процессы испарения, кипения и конденсации.
1.1.1. Испарение
Процесс испарения происходит при любых температурах. Наиболее наглядно
процесс испарения можно наблюдать на примере воды, так как этот процесс по-
стоянно происходит вокруг нас в природе. Водяной пар образуется не только на
V
v = ——,
M
M
1
ρ = —— = — .
V v
Физические основы 19
огромных водных пространствах поверхности Земли, но и на суше: вода непрерыв-
но испаряется с поверхности почвы, с листьев растений, с кожи и из легких и т.д.
Механизм процесса поверхностного испарения жидкости при температурах
ниже точки кипения согласно кинетической теории следующий [1.1, 1.2].
Вследствие беспорядочного теплового движения молекул жидкости скорости
их в очень широких пределах отклоняются от среднего значения. Часть поверх-
ностных молекул, обладающих кинетической энергией, достаточной для преодо-
ления сил сцепления, вырывается в расположенную над поверхностью жидкости
газовую среду.
Вследствие столкновений этих молекул между собой и с молекулами газа они
частично отражаются обратно к поверхности жидкости, где вновь отражаются
от нее или же поглощаются жидкостью. Часть вырвавшихся или отраженных от
поверхности жидкости молекул проникает в газовую среду и уже безвозвратно
теряется жидкостью.
Жидкость теряет при испарении наиболее быстро движущиеся молекулы,
вследствие чего средняя кинетическая энергия оставшихся молекул умень-
шается или, иначе говоря, температура жидкости становится ниже. Избы-
точную энергию вырвавшихся молекул, затрачиваемую на преодоление сил
сцепления и работу увеличения объема при испарении, называют теплотой
испарения.
Количество испарившейся жидкости представляет собой, таким образом, раз-
ность между количеством молекул жидкости, оторвавшихся от ее поверхности
вследствие теплового движения, и количеством молекул, вновь поглощенных
жидкостью при ударах о ее поверхность.
Если вылетает больше молекул, чем возвращается обратно, жидкость испаря-
ется. Если, наоборот, молекулы в большем числе возвращаются в жидкость, чем
вылетают из жидкости, происходит конденсация пара.
Если же число вылетающих из жидкости молекул равно (в среднем) числу
возвращающихся, получается динамическое равновесие пара и жидкости.
Для испарения жидкости нужно, чтобы образующийся пар удалялся (напри-
мер лужи после дождя при ветре сохнут быстрее, чем при той же температуре
в безветрие).
Если пар совсем не удалять, например закупорить пробкой бутылку с легко-
испаряющейся жидкостью, то испарение быстро прекратится. Так как при этом
ни жидкость не превращается в пар, ни пар не конденсируется в жидкость, то
говорят, что пар и жидкость находятся в динамическом равновесии.
Пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, называют на-
сыщенным паром.
20 Глава 1
Если в закрытом сосуде при постоянной температуре находятся только жид-
кость и ее насыщенный пар, то динамическое равновесие между жидкостью и
паром поддерживается независимо от количества (уровня) жидкости в сосуде:
пока в сосуде есть хоть капля жидкости, давление и плотность насыщенного пара
будут постоянными.
Присматриваясь к явлениям испарения, можно заметить, что при одной и той
же температуре разные жидкости испаряются по-разному: бензин и подобные
ему «летучие» жидкости испаряются быстро, вода — несколько медленнее, а
масло испаряется настолько медленно, что это испарение без точных измерений
незаметно. Все жидкости без исключения испаряются.
Скорость испарения жидкости зависит от сил сцепления молекул — чем
больше силы сцепления, тем сложней вылететь молекуле из жидкости и тем
меньше молекул находится в насыщенном паре жидкости. А так как количе-
ство молекул в единице объема определяет плотность и давление насыщенного
пара, то чем больше силы сцепления, тем меньше плотность и давление насы-
щенного пара.
Так как силы сцепления молекул определяют также поверхностное натяже-
ние жидкости, то чем больше поверхностное натяжение, тем менее летуча
жидкость и тем меньше давление насыщенного пара. Следовательно, при одной
и той же температуре различные жидкости имеют различную плотность и давле-
ние насыщенного пара.
Итак, плотность и давление насыщенного пара при неизменной температуре
являются постоянными величинами, у разных жидкостей — разными.
Если температура жидкости увеличивается, то возрастает количество моле-
кул, обладающей скоростью, достаточной для того, чтобы преодолеть силы сцеп-
ления и вырваться за пределы жидкости. Поэтому при повышении температуры
вместе с увеличением скорости испарения жидкости увеличивается и давление
насыщенного пара.
На рис. 1.1 приведен график зависимости давления насыщенного пара воды
от температуры (кривая насыщения) [1.2].
Из графика видно, что зависимость давления от температуры нелинейная, то
есть приращение давления, соответствующее увеличению температуры на 1 К,
растет с температурой. В этом заключается отличие насыщенного пара от газов,
давление которых при нагревании на 1 К одинаково увеличивается и при низких, и
при высоких температурах (на 1/273 давления при 0 °С, см. раздел 1.2.6).
Это отличие объясняется тем, что при нагревании газов при постоянном объе-
ме меняется только скорость молекул. При нагревании же системы жидкость-пар
меняется не только скорость молекул, но и их число в единице объема, т. е. при
Физические основы 21
большей температуре мы имеем
пар большей плотности.
При испарении в газовую среду
(например воды с открытой по-
верхности водоема в воздух) ско-
рость удаления молекул пара от
поверхности в результате диффу-
зии и конвекции ничтожно мала по
сравнению со скоростью испуска-
ния молекул жидкостью. Поэтому
в слое, непосредственно прилега-
ющем к поверхности жидкости,
происходит быстрое накопление
молекул пара, прекращающееся,
когда парциальное давление пара в
этом слое достигает значения, при
котором устанавливается равенство
между количеством молекул, поки-
дающих поверхность жидкости и
поглощенных жидкостью.
Строго говоря, при испарении
давление пара над поверхностью
жидкости несколько ниже давления насыщения, соответствующего температуре
этой поверхности, практически этим отличием можно пренебречь, считая, что
пар у поверхности жидкости является насыщенным.
Считается, что количество молекул пара, удаляющихся от поверхности испа-
рения, пропорционально разности парциальных давлений насыщенного пара у
поверхности жидкости PH и парциального давления пара РП в окружающей среде
на достаточном удалении от поверхности.
Поэтому поверхностное испарение жидкости происходит при PH > РП неза-
висимо от того, выше или ниже температура жидкости, чем температура газа,
омывающего ее поверхность. При этом испарение жидкости всегда связано с ее
охлаждением.
Если некоторое количество жидкости поместить в закрытый сосуд, то часть
жидкости испарится и над жидкостью будет находиться насыщенный пар.
Давление, а следовательно, и плотность этого пара зависят от температуры.
Плотность пара обычно значительно меньше плотности жидкости при той же
температуре.
Рис. 1.1. Зависимость давления
насыщенного пара воды от температуры
22 Глава 1
Если повысить температуру, то плотность жидкости уменьшится, давление
же и плотность насыщенного пара возрастут.
В табл. 1.1 приведены значения плотности воды и насыщенного водяного пара
для разных температур (а следовательно, и для соответствующих давлений) [1.2].
Из таблицы видно, что чем выше температура, тем меньше разница между
плотностью жидкости и плотностью ее насыщенного пара. На рис. 1.2 эти же дан-
ные приведены в виде графика.
При некоторой температуре (у воды при 374 °С) эти плотности совпадают.
Температуру, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара совпадают,
называют критической температурой данного вещества. На рис. 1.2 ей соответ-
Таблица 1.1. Плотности воды и насыщенного пара
Температура,
°C
Давление
насыщенного пара,
мм. рт. ст.
Плотность
воды,
кг/м3
Плотность
насыщенного
пара, кг/м3
Удельная теплота
парообразования,
кДж/кг
15 13 1000 0,073 2454
50 92 998 0,083 2374
100 760 960 0,597 2250
150 3570 920 2,54 2115
200 11660 860 7,84 1940
300 64450 700 46,9 1379
370 157700 440 208 441
374 165500 320 320 0
Рис. 1.2. Зависимость плотности воды и насыщенного пара воды от температуры
Физические основы 23
ствует точка К. Давление насыщенного пара, соответствующее точке К, называют
критическим давлением.
Верхняя часть графика показывает изменение плотности жидкости в зави-
симости от ее температуры. При повышении температуры плотность жидкости
уменьшается. Нижняя часть графика показывает зависимость плотности на-
сыщенного пара от температуры. Плотность пара увеличивается. При темпе-
ратуре, соответствующей точке К, плотности жидкости и насыщенного пара
совпадают.
Опыт показывает, что при температурах, более высоких, чем критическая,
вещество может находиться только в газообразном состоянии. Если мы будем
уменьшать объем, занятый паром, при температуре выше критической, то давле-
ние пара возрастает, но он не становится насыщенным и продолжает оставаться
однородным: как бы велико ни было давление, мы не обнаружим двух состоя-
ний, разделенных резкой границей, как это всегда наблюдается при более низких
температурах вследствие конденсации пара.
Итак, если температура какого-нибудь вещества выше критической, то равно-
весие вещества в виде жидкости и соприкасающегося с ней пара невозможно ни
при каком давлении.
Критические температуры различных веществ сильно отличаются друг от
друга. Некоторые из них приведены в табл. 1.2 [1.2].
После открытия критической температуры стало понятно, почему долго не
удавалось превратить в жидкость такие газы, как кислород или водород. Их кри-
тическая температура очень низка (табл. 1.2). Чтобы превратить эти газы в жид-
кость, их нужно охладить ниже критической температуры. Без этого все попытки
их сжижения обречены на неудачу.
Как видно из табл. 1.1, по мере
приближения к критической точке
удельная теплота парообразования
уменьшается, пока в критической
точке не превратится в 0. Это объ-
ясняется тем, что при повышении
температуры уменьшается разли-
чие внутренних энергий вещества
в жидком и парообразном состоя-
ниях. В самом деле, силы сцепле-
ния молекул зависят от расстояний
между молекулами. Если плотности
жидкости и пара отличаются мало,
Таблица 1.2. Критические температуры и
давления некоторых веществ
Вещество Критическая
температура,
°C
Критическое
давление,
атм
Ртуть 1700 ≈1600
Вода 374 218,5
Спирт этиловый 243 62,7
Эфир диэтиловый 197 35,8
Хлор 146 76
Углекислый газ 31 73
Кислород -118 50
Азот -146 33
Водород -240 12,8
Гелий -263 2,26
24 Глава 1
то мало отличаются и средние расстояния между молекулами. Следовательно,
при этом будут мало отличаться и значения потенциальной энергии взаимодей-
ствия молекул. Второе слагаемое теплоты парообразования — работа против
внешнего давления — тоже уменьшается по мере приближения к критической
температуре. Это следует из того, что чем меньше различие в плотностях пара и
жидкости, тем меньше расширение, происходящее при испарении, и, значит, тем
меньше совершаемая при испарении работа.
Выводы
1. Все жидкости без исключения испаряются. Чем больше поверхностное
натяжение, тем менее летуча жидкость. При испарении жидкость
охлаждается.
2. Плотность и давление насыщенного пара при неизменной температуре
являются постоянными величинами, не зависящими от количества жид-
кости и пара в сосуде. При повышении температуры давление насыщен-
ного пара увеличивается нелинейно.
3. При температурах, более высоких, чем критическая, вещество может
находиться только в газообразном состоянии и ни при каком давлении не
переходит в жидкость.
4. Удельная теплота парообразования с ростом температуры уменьшается.
1.1.2. Кипение
Рассмотрим процесс кипения на примере открытого сосуда с водой [1.2].
Если поместить прозрачный сосуд с холодной водой на газовую горелку, ско-
ро дно и стенки сосуда покроются пузырьками растворенного в воде воздуха,
выделяющегося из воды при повышении температуры, так как растворимость
газов в жидкости при повышении температуры понижается. В этих пузырьках
находятся воздух и пар воды. Пузырьки появляются в тех местах стенок сосуда,
где нет полного смачивания стенок сосуда водой.
При повышении температуры пузырек постепенно расширяется, при этом
между пузырьком и стенкой сосуда образуется все сужающаяся воздушная пере-
мычка (рис. 1.3). Когда пузырек сделается достаточно большим, выталкивающая
сила воды заставит его оторваться от стенки. У стенки остается небольшое коли-
чество воздуха, из которого со временем разовьется новый пузырек.
Поднимаясь вверх, оторвавшиеся пузырьки снова уменьшаются в размерах.
Это происходит потому, что пузырьки содержат пар воды и немного воздуха, и
когда пузырек достигает верхних, еще не успевших нагреться слоев воды, то
значительная часть водяного пара конденсируется в воду и пузырек уменьша-
Физические основы 25
ется. Это попеременное увеличение и
уменьшение пузырьков сопровождает-
ся звуками: закипающая вода «шумит».
Наконец, вся вода прогревается в до-
статочной мере. Тогда поднимающиеся
пузырьки уже не уменьшаются в разме-
рах (так как насыщенный пар в них уже
не конденсируется) и лопаются на по-
верхности, выбрасывая пар во внешнее
пространство. «Шум» прекращается, и
начинается «бульканье» — мы говорим, что вода закипела.
Термометр, помещенный в пар над кипящей водой, все время, пока вода ки-
пит, показывает одну и ту же температуру — около 100 °С.
Очевидно, что при кипении давление паров, образующихся внутри пузырьков
у дна сосуда (давление насыщенных паров), таково, что пузырьки могут расши-
ряться, преодолевая атмосферное давление, действующее на свободную поверх-
ность воды, а также давление столба воды.
Мы приходим к выводу, что кипение происходит при такой температуре, при
которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему.
Так как существует однозначная зависимость давления насыщенного пара от
температуры (см. раздел «Испарение»), очевидно, что температура кипения за-
висит от внешнего давления.
Понижая давление воздуха над поверхностью воды, мы можем заставить воду
вскипеть при температуре значительно ниже 100 °С. Наоборот, при повышении
внешнего давления температура кипения повышается. Так, в паровых котлах
воду нагревают под давлением в несколько атмосфер. Температура кипения при
этом значительно превосходит 100 °С. При давлении около 15 атмосфер темпе-
ратура кипения воды близка к 200 °С.
Температуры кипения различных жидкостей (при нормальном давлении)
сильно отличаются. Это можно видеть из табл. 1.3 [1.2].
Рис. 1.3. Как кипит вода
Таблица 1.3. Температуры кипения некоторых жидкостей при нормальном давлении
Жидкость Температура кипения,
°C Жидкость Температура кипения,
°C
Водород –253 Спирт этиловый 78
Кислород –183 Вода 100
Азот –196 Ртуть 357
Хлор –34 Расплавленный цинк 906
Эфир диэтиловый 35 Расплавленное железо 2880
26 Глава 1
Различие температур кипения веществ связано с различием в давлении насы-
щенного пара при одной и той же температуре (см. раздел 1.1.1).
Различие температур кипения разных веществ находит большое применение
в технике, например при разделении нефтепродуктов. При нагревании нефти
раньше всего испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые
можно таким образом отделить от «тяжелых» остатков (масел, мазута).
В отличие от испарения, при кипении жидкости парообразование происходит
не только на свободной поверхности жидкости, но и во всей ее массе с подъемом
пузырьков к поверхности. Такой интенсивный процесс парообразования требу-
ет больших затрат энергии на осуществление фазового перехода жидкость-пар.
Для поддержания непрерывного кипения жидкости необходимо выполнить два
условия — довести жидкость до требуемой температуры кипения и сообщить ей
скрытую теплоту парообразования.
Температура жидкости при ее кипении остается постоянной, так как все под-
водимое тепло идет на фазовый переход жидкость-пар.
Количество тепла, которое нужно подвести к 1 кг жидкости, равно удельной
теплоте парообразования при температуре кипения (кДж/кг).
Так, если вода кипит при 100 °C (при нормальном давлении), на фазовый пе-
реход 1 кг воды тратится 2250 кДж тепла.
Выводы
1. Кипение жидкости происходит при такой температуре, при которой
давление насыщенного пара равно внешнему давлению.
2. Температура кипения жидкости зависит от внешнего давления: чем
выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот.
3. Кипение однокомпонентной жидкости происходит при постоянной тем-
пературе, которая однозначно определяется внешним давлением.
1.1.3. Конденсация
Конденсацией называется переход пара в жидкость, который происходит при
охлаждении или при сжатии и охлаждении одновременно.
Процесс конденсации может проходить только при температурах ниже крити-
ческой, так как только при этом условии существует возможность одновремен-
ного существования двух фаз вещества — жидкости и пара (см. раздел 1.1.1).
Процесс конденсации противоположен процессу кипения. При одинаковом
давлении температура конденсации совпадает с температурой кипения, а теплота
конденсации, которую нужно забрать у насыщенного пара, чтобы превратить его
в жидкость (сконденсировать), равна теплоте испарения при этой температуре.
Физические основы 27
Для осуществления процесса кипения нужно жидкость нагреть при заданном
давлении до температуры кипения и за счет постоянного подвода тепла поддерживать
процесс кипения, сообщая жидкости теплоту испарения.
Для осуществления процесса конденсации, наоборот, необходимо при посто-
янном давлении сначала охладить перегретый пар до температуры конденсации,
а затем за счет постоянного отвода тепла поддерживать процесс конденсации,
забирая у жидкости теплоту конденсации.
Изменяя давление, при котором происходит кипение (конденсация), можно
изменять температуру кипения (конденсации).
Если необходимо, чтобы процесс кипения жидкости проходил при низких
температурах, то необходимо создать пониженное давление, соответствующее
данной температуре кипения.
Именно такой способ широко применяется в холодильной технике, когда в
испарителе создается низкое давление и хладагент (хладон) кипит при темпера-
туре, например, –10 °С.
А для того чтобы сконденсировать полученный пар, создают в конденсаторе
повышенное давление, и хладагент конденсируется, например, при температуре
+45 °С.
Выводы
1. Процесс конденсации может проходить только при температурах ниже
критической.
2. Конденсация однокомпонентной жидкости происходит при постоянной
температуре, которая однозначно определяется внешним давлением.
3. Изменяя давление, при котором происходит кипение (конденсация), мож-
но изменять температуру кипения (конденсации).