Содержание
Энтальпия входит в число тех величин, о которых почти никто не говорит понятным языком, хотя именно на ней держится расчет любого чиллера, теплообменника или градирни. Инженеры используют ее ежедневно: строят циклы на диаграмме давление-энтальпия, подбирают компрессор, проверяют, хватит ли площади теплообменника. Если вы подбираете холодильное оборудование или хотите разобраться, откуда в паспорте чиллера берутся цифры холодопроизводительности, знать, что такое энтальпия, полезно. Разберем это без лишней теории, только то, что действительно пригодится на практике.
Энтальпия простыми словами
Энтальпия это полная энергия вещества или системы, куда входит внутренняя энергия тела и работа, которую нужно затратить, чтобы «втолкнуть» это тело в занимаемый им объем при заданном давлении. Обозначают ее буквой H и считают по формуле:
H = U + p·V
В этой формуле U обозначает внутреннюю энергию системы, p это давление, а V это объем.
Проще говоря, энтальпия показывает, сколько энергии система может отдать или получить при постоянном давлении. А именно в таких условиях чаще всего и работает промышленное оборудование: компрессоры, испарители, конденсаторы, пластинчатые теплообменники.
Что такое энтальпия в термодинамике: откуда берется формула
По первому началу термодинамики теплота, подведенная к системе, идет на изменение внутренней энергии и на работу расширения. Если процесс проходит при постоянном давлении, а именно так работает большинство промышленных установок, все подведенное тепло равно изменению энтальпии:
dH = dQ (при p = const)
Отсюда и практическая ценность величины: вместо того чтобы отдельно считать внутреннюю энергию и работу расширения, инженер берет готовое значение энтальпии в начальной и конечной точке процесса и сразу получает количество переданного тепла.
Удельная энтальпия и единицы измерения
В инженерных расчетах почти всегда используют удельную энтальпию: энтальпию, отнесенную к единице массы вещества. Обозначают ее строчной h и измеряют в кДж/кг. Именно такие значения указывают в таблицах хладагентов и на диаграммах, с которыми работают инженеры-холодильщики.
|
Величина |
Обозначение |
Единица измерения |
|
Энтальпия (полная) |
H |
Дж, кДж |
|
Удельная энтальпия |
h |
Дж/кг, кДж/кг |
|
Внутренняя энергия |
U |
Дж, кДж |
|
Работа расширения |
p·V |
Дж, кДж |
Как энтальпия связана с теплотой парообразования
Когда жидкость превращается в пар, ей нужно сообщить энергию на разрыв межмолекулярных связей. Подробно этот процесс мы разбирали в статьечто такое удельная теплота парообразования. С точки зрения термодинамики эта энергия и есть разница энтальпий пара и жидкости при постоянном давлении:
r = h″ − h′
где h″ это энтальпия сухого насыщенного пара, а h′ это энтальпия кипящей жидкости. Поэтому в холодильных таблицах хладагентов удельная теплота парообразования, по сути, готовая разница энтальпий, которую можно сразу подставлять в расчет мощности испарителя или конденсатора.
Энтальпия в холодильном цикле чиллера
Практическую пользу энтальпии проще всего показать на холодильном цикле. Кипение хладагента в испарителе, сжатие в компрессоре, конденсацию и дросселирование принято изображать на диаграмме давление-энтальпия (lg p-h). По ней инженер определяет энтальпию хладагента в каждой точке цикла и считает холодопроизводительность по формуле:
Q = m × (h1 − h4)
где m это массовый расход хладагента, h1 это энтальпия на выходе из испарителя, а h4 это энтальпия на входе в испаритель. Чем точнее известны эти значения, тем точнее подобран чиллер под реальную тепловую нагрузку, без избыточного запаса мощности, за который потом приходится переплачивать.
На практике инженер снимает значения энтальпии для узловых точек цикла:
- на входе в испаритель, сразу после дроссельного вентиля;
- на выходе из испарителя, перед всасывающим патрубком компрессора;
- на выходе из компрессора, перед конденсатором;
- на выходе из конденсатора, перед дросселированием.
Разница между этими значениями и определяет, сколько тепла заберет испаритель и сколько отдаст конденсатор при заданном расходе хладагента.
Энтальпия влажного воздуха и расчет градирен
Отдельная тема: энтальпия влажного воздуха, с которой постоянно работают при расчете градирен и систем испарительного охлаждения. Здесь энтальпия учитывает не только температуру воздуха, но и содержание в нем водяного пара. Такие значения снимают с i-d диаграммы влажного воздуха: зная параметры воздуха на входе и выходе градирни, можно посчитать, сколько тепла реально отводится за счет испарения воды, а не только за счет разницы температур.
Для ориентира несколько типичных значений удельной энтальпии, с которыми встречаются инженеры-холодильщики:
|
Среда |
Условия |
Удельная энтальпия, кДж/кг |
|
Вода, жидкость |
0 °C |
≈ 0 (точка отсчета) |
|
Вода, пар |
100 °C, 1 атм |
≈ 2676 |
|
Хладагент R410A, жидкость |
5 °C |
≈ 206 |
|
Хладагент R410A, пар (насыщение) |
5 °C |
≈ 428 |
|
Влажный воздух |
24 °C, 50% отн. влажности |
≈ 47,5 |
Цифры приблизительные и приведены для ориентира: точные значения берут из таблиц конкретного хладагента или сертифицированного ПО для теплового расчета.
Почему точный расчет энтальпии важен при подборе оборудования
Понимание того, что такое энтальпия, не академическое упражнение для студентов. От точности расчета разницы энтальпий зависит, насколько корректно подобраны мощность компрессора, площадь теплообменника и расход хладагента в контуре. Ошибка в расчете энтальпии на входе и выходе испарителя даже в пределах 5-10% способна привести к нехватке холодопроизводительности летом или к переплате за избыточно мощное оборудование, которое большую часть года работает вхолостую.
Если вам нужно не только разобраться в теории, но и подобрать чиллер, градирню или другое крупное холодильное оборудование под конкретную тепловую нагрузку, специалисты компании «Термоком ВК» сделают тепловой расчет с учетом реальных параметров рабочих сред на вашем объекте, помогут не переплатить за лишнюю мощность и подберут оборудование, которое закроет вашу задачу без запаса «на всякий случай». Обращайтесь: разберем вашу схему и предложим конкретное решение.
Энтальпия: частые вопросы
Собрали вопросы, которые чаще всего ищут об энтальпии и её значении для подбора чиллеров и промышленного охлаждения.
Энтальпия это полная энергия вещества или системы: внутренняя энергия плюс работа, которую нужно затратить, чтобы система заняла свой объём при заданном давлении. На практике она показывает, сколько энергии система может отдать или получить при постоянном давлении, а именно в таких условиях чаще всего работает промышленное оборудование.
Внутренняя энергия U учитывает только энергию частиц вещества, а энтальпия H дополнительно включает работу p·V, которую нужно затратить, чтобы вещество заняло свой объём при данном давлении. Формула связи простая: H = U + p·V. Для процессов при постоянном давлении, а это большинство инженерных расчётов, удобнее работать именно с энтальпией.
Полную энтальпию измеряют в джоулях или килоджоулях. В инженерных расчётах чаще используют удельную энтальпию h, то есть энтальпию на единицу массы, и измеряют её в кДж/кг. Такие значения указывают в таблицах хладагентов и на диаграммах давление-энтальпия.
Удельная теплота парообразования это разница энтальпий пара и жидкости при постоянном давлении: r = h″ − h′. Поэтому в справочных таблицах хладагентов теплота парообразования, по сути, готовая разница энтальпий, которую можно сразу подставлять в расчёт мощности испарителя или конденсатора. Подробнее об этом читайте в статье про удельную теплоту парообразования.
Холодопроизводительность чиллера считают по формуле Q = m × (h1 − h4), где h1 и h4 это энтальпия хладагента на выходе и на входе испарителя. Чем точнее известны эти значения, тем точнее подобрана мощность оборудования, без лишнего запаса, за который потом приходится переплачивать. Если нужен точный расчёт под конкретный объект, специалисты «Термоком ВК» подберут чиллер, градирню или другое холодильное оборудование с учётом реальных параметров рабочих сред.
