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1、冰箱/空调工作原理我们知道,要想使电冰箱内的温度下降,就必须想办法不断地把电冰箱内的热量移到箱 外来,那么用什么办法呢?我们知道,水在标准大气压下的沸腾温度为100C,即水在100r 时就“开”了。在沸腾过程中,水要吸收大量的热量,由液体变为水蒸气。其中“吸收大量 的热量变为水蒸汽”这一特性对我们很有启发。于是我们找到了一种物质,“氟利昂一12”, 它不像水那样在100C时沸腾,而是在-30C左右的低温下就能沸腾汽化,在汽化的过程中 也要吸收大量的热量。我们将这种物质作为电冰箱的制冷剂,让这种液态物质在冰箱的蒸发 器内沸腾汽化,吸收箱内的大量热量,使电冰箱内降温。又因氟利昂2在-30C左右的低
2、 温下就能沸腾汽化,因此电冰箱内的温度就可以降低到很低,例如普通双开门电冰箱冷冻室 的温度可以降低到-18C以下(即三星级标准)。为了使汽化后的氟利昂一12还能还原为原来的液体状态重复使用,这一任务是由压 缩机及冷凝器来完成的。压缩机通过消耗电能,将汽化后的氟利昂一12压缩成高温、高压 蒸汽,并使这种高温高压的氟利昂一12蒸汽,流经设置在箱体外面的冷凝器,就像暖气片 散热一样,将在箱内吸收的热量散发到箱体外面空气中,使制冷剂又变成高温、高压液体, 这样作为制冷剂的氟利昂一12就可以循环使用了。压缩机不断地运转,电冰箱内的热量就 会不断地被移到箱体外空气中去,于是就达到了制冷的目的。电冰箱内还设
3、有一个自动控制 系统,通过自行调节这个控制系统,可使箱内保持一定的所需冷藏、冷冻温度。电冰箱外壳 内均设有良好的隔热材料,以阻止箱外热量进入箱内。我们日常使用的电冰箱,正好由这四要件加上箱体组成,箱体就好像冷库。不过电 冰箱上的节流阀在技术上由相同作用的毛细管替代。首先讲讲什么叫制冷。制冷 两字只能说是技术上的术语,严格讲是错误的,世界上没有那国的科学家能制造出 “冷”来。那到底什么是冷,先举例说明:在寒冬腊月,气温降到一5C,我们说 今天天气真冷,可东北人说不冷;在大伏天,气温在+32 C时,我们会说不算热, 但气温突然降到+25 C,我们会说太冷了;这冷是随着人的常识来定的,在物理学 中没
4、有冷的定义。在工程中冷是跟着生产需要而定的。如老总问,冷库打冷了吗? 你说打冷了,这个冷是指一18C ;老总问,水果库温度稳定吗?你说很稳定,这回 答的含义是水果库温度稳定在士 0。了,这是我们这个行业对冷的定义。但是我们 还是把这种利用机械设备把降温对象降到所需温度的方法叫制冷,这就是术语。什么叫制冷,比如我们将装有一公斤20C冷水的水壶放到一块烧到500C的铁板上, 没有多久水就开了,如果不拿开水壶,不多久水就干了。大家和说钢板在对水加热, 反过来也可以说水在对钢板降温。而且,降了多少度,都可计算出来,因为一公斤 水从20 r升到100 r,它需要外界提供它80大卡热量,水从100 r到烧
5、干,它需要外 界提供539大卡热量,也就是说一公斤20r冷水烧到干,要外界提供619大卡热量。 如果按制冷的角度它从外界或钢板中提取了 619大卡热量而变成了水蒸汽,使钢板 降温了,这就是制冷,是利用水对钢板制冷。如果将水倒在钢板上,那就更直观了。 在上述的制冷过程中,如果钢板的大小一定,并排除外界空气的降温因素,那么钢 板降了多少度,是可以精确计算出来的。在这里所述及到的热量、温度、 大卡、r等物理量,我想学过物理的人都能理解。初中物理就讲到,热量总是通过传导、对流、辐射,从温度高的物体转移到温度低 的物体,绝不可能反过来进行。一个物体失去一些热量后,它的温度也会降低一些。 我们的目的就是通
6、过制冷系统,将商品中和空气中的热量向比商品温度更低的制冷 剂传递,达到降低商品温度的目的。我们的制冷系统与锅炉的制热系统在热力学上来讲是完全一样的,它们的热传导公 式也完全一样,我们先以锅炉作比拟,进一步讲讲制冷剂在制冷时的作用。上面讲的烧水壶也可算是一只锅炉,不过水烧开了,我们就灌热水瓶了,如果我们 在壶嘴上套根管子,通到浴室,那就可以洗桑拿了,水壶就成小锅炉了。要注意的 是这时水壶中的水永远是100r,水壶出口处的蒸汽温度也是100r,为什么不是 110r,不是90r?这是因为在一个大气压下水的沸腾温度是100 r,这是水的物理 性能所决定了的。在青藏高原,大气压力较低,水70r左右就开了
7、,没有高压锅就 只能吃夹生饭,而在高压锅里,温度可达到110r,因为高压锅排气阀的重量,刚 好使锅内压力保持在1Kg/CM2表压力(实际是2个大气压)。一般小型锅炉可烧 4Kg/CM2表压力蒸汽,蒸汽温度也接近140 r,锅炉中的水温也与蒸汽温度一样也是 140 r。煤气炉的火头温度可达1000 r左右,火头将热量传递给水,使水的温度上 升直达沸点,一公斤水从沸点到烧干(全部变成蒸汽),将从煤气火头中带走的热 量与上面所讲水壶给钢板降温是一样的,接近壶底的火焰是一个降温过程。锅炉中 的煤燃烧温度在1200 r左右,没有锅炉中水的降温,锅炉中的排管将被烧塌。从我 们的角度来讲,在这里的水就是制冷
8、剂。反过来水蒸汽进了浴室马上凝结成小水珠(雾气),放出热量使浴室内温度上升, 同样一公斤水烧成的一公斤蒸汽,汽在浴室里放出539大卡热量后全部变成水,在 蒸汽变成水的时候,小水珠的温度是100 r,这是一个冷凝过程。当然小水珠会继 续放出热量而降低温度,等水珠变成水滴落到地上或附在墙壁上时,只有30C左右 了,这就不是冷凝过程了,而只是普通降温过程。同样将锅炉蒸汽通到室内热水汀(室内供热排管)中,热水汀对蒸汽来说就成了冷凝器,如果供应的蒸汽压力是 1Kg/CM2表压力(实际是2个大气压),热水汀表面温度就是110C,热水汀向室内 空气散发热量,使室内温度上升,而蒸汽就在热水汀内冷凝成水,如果向
9、室内散发 了 539大卡热量,热水汀内就冷凝下来1公斤水。按制冷角度来讲,这整个过程就是 煤燃烧的热量被水吸收而沸腾,成为蒸汽,蒸汽带着吸收来的热量来到热水汀,热 水汀的表面向空气散发了热量,蒸汽失去热量后又从新冷凝成蒸馏水,这水可通过 设备回到锅炉继续使用。现在回到制冷的四大要件: 压缩机,与空气压缩机原理一样; 冷凝器,可以理解为热水汀或做酒业的蒸馏器(锡锅); 蒸发器,可以理解为上面所讲的水壶或锅炉; 节流阀,可以理解为从楼上高位的热水汀到锅炉之间,加一只阀,开小一点,让 蒸馏下来的水流进锅炉继续使用,不让热水汀中的水流光了使锅炉中的蒸汽反冲回 热水汀,这一点与我们制冷不同,因为整个系统
10、是均压的,而制冷系统冷凝部分是 高压的,节流阀是控制制冷剂合理分配给蒸发器,让蒸发器处于正常的制冷工作状 态。在电冰箱上制冷的四大要件是: 压缩机,藏在冰箱后面,圆头圆脑的家伙; 冷凝器,就是在冰箱后面的散热片; 蒸发器,在初期的单门冰箱中的冻结框,可以看得很清楚,拆开无霜冰箱的内衬 也能看到冷风机一样的翅片管; 节流阀,在冰箱后面有一段绕成螺旋状的细铜管,那就是毛细管。冰箱的外壳就 相当与冷库外体。在制冷行业中,制冷剂可以是水、氨、F12、F22、F502、液氮等等。空调用漠化锂 吸收式制冷机,就是以水作为制冷剂使用。电冰箱中使用的是F12,在大冷库的制 冷系统中用的是液态氨(不是氨水),液
11、态氨的性质在氨的物理性能表上可以查到, 它在一个大气压下的蒸发温度是一33.3 C。如果将液氨从常温的钢瓶中放出,一出 钢瓶它立即变为一33.3C的液氨(因为外界是一个大气压),如果流到水泥地上, 水泥地的温度立刻使它沸腾,这是水泥地的热量传给了液氨,使液氨蒸发成汽态氨, 水泥地的局部也很快降到一30 C左右,如果流到水泥地上的液氨正好是一公斤,要 使液氨全部蒸发光,他必需从水泥地上吸收326大卡热量,吸收多少,蒸发多少, 吸不足326大卡热量,就一定有液氨残留下来。如果将液氨放在一个金属盆里,再 将金属盆底接触水面,水的热量立刻传给液氨,液氨受热沸腾,水也很快结冰;如 果将盆悬挂在空中,盆底
12、周围的空气立即因热量传给了液氨而失去热量而降温,降 了温的空气在下降,周围热空气立即来补充,在盆下面可以看到带着雾的冷空气在 缓缓降下。这个盆就是蒸发器。至于蒸馏器,有人看过,有人没看过,但是大家都看过茶缸盖凝结水的现象,或者 农村吊酒的锡锅,原理是一样的。缸盖里面是热腾腾的水蒸汽,缸盖外是冷空气, 水蒸汽通过缸盖将热量传递给了冷空气,失去了一定热量的水蒸汽,在缸盖里表面 凝结成水,这就是冷凝器的原理,上面讲的热水汀也是同样原理。现在讲库房里的制冷进行过程:液态氨在蒸发器(排管)中如果处于0.3Kg/CM2表 压力状态(应该是0.03Mpa表压力,出于习惯的方便,还是用Kg/CM2),它的沸腾
13、 温度应该是一28 C ;而蒸发器外是一18C的冷库,如果有高于一18C的商品进库, 商品中的热量很快传给了空气,使空气温度上升到比如一15C,15C的空气又将 从商品中传来的热量传给了 一28C的液氨,液氨吸收了热量温度不会上升,而是沸 腾蒸发为气体(氨蒸汽),这样空气来来回回的传送,商品中的热量逐步减少,温 度逐步降低,最后降到一18C,制冷就可以结束了,这是蒸发器的工作任务,库内 空气向蒸发器传递多少热量,蒸发器内的液氨就蒸发掉相应的重量。当然除了商品 中的热量外,还有外界气温中的热量通过围护结构传进来的热量,开门时空气带进 的热量,使库温不时的上升,所以需要定时开机降温。但是如果没有压
14、缩机的参与,蒸发器的工作是不能持久的,因为液氨受热蒸发成为 氨蒸汽,氨蒸汽逐步挤占蒸发器的空间,蒸发器中的压力也就逐步升高,压力升高, 液氨的沸腾温度就会上升,最后压力升到1Kg/CM2表压力时,温度也上升到一18C 左右,液氨与冷库的温度相同,由于温度平衡,热量就无法向液氨传递了,制冷也 就停止了。压缩机的任务就是要把蒸发器中产生的氨蒸汽抽走,使蒸发器中的压力 一直保持在我们生产需要的0.3Kg/CM2表压力状态。这时候蒸发器中的压力叫蒸发 压力,蒸发器中的液氨温度叫蒸发温度。压缩机抽出的氨蒸汽并不是排到大气中去 的,而是排到冷凝器中,氨蒸汽被压缩到冷凝器后,冷凝器的压力会逐步升高,而 后就
15、是冷凝器的任务了。我们知道氨蒸汽是带着冷库中的热量的,氨蒸汽被压缩机 从蒸发器抽出,而后压缩到冷凝器中,那么压缩机就完成了输送热量的任务。现在氨蒸汽被聚集在冷凝器中(带着大量冷库中的热量),压力不断升高,温度也 随着压力的升高而升高,比如说压力升高到表压力14Kg/CM2,温度也就对应升到 +39C,如果在冷凝器管外供给+34C的冷却水,那冷凝器中的氨蒸汽就会向水传 送出热量,每向冷却水送出264大卡热量,冷凝器中就有一公斤重的氨蒸汽凝结成 液态氨,并让出原来氨蒸汽占领的大部分空间来。如果热量没有出路,那冷凝器中 的压力就继续升高,到冷凝器爆炸或跳安全阀为止。但是实际上压缩机的排出温度, 在表
16、压力14公斤/平方公分时,不是+39C,而是+100C以上。这是因为电动机带 动压缩机的活塞对氨蒸汽进行压缩时做的功,转换成热量的缘故,也即热功当量, 这可以在我们给自行车打气时,打气筒底部和皮管会发烫的原理是一样的。压缩机 对氨蒸汽做了 1KW的功,就对氨蒸汽附加了 860大卡的热量,这一部分热量是显热, 它加热了氨蒸汽,使氨蒸汽温度上升,这种热量传送给冷却水后,不会被冷却水冷 凝成液氨,只会降低温度,只有当氨蒸汽温度降到+39 C时,才进行真正的冷凝工 作,在冷凝工作连续进行时,只要压力不变,温度也不会改变。这时的温度叫冷凝 温度,这时的压力叫冷凝压力。这就是冷凝器的工作任务。冷凝器中冷凝下来的液氨,可以送到蒸发器中继续使用,但必需用节流阀进行控制, 要不冷凝器中的来不及冷凝的氨蒸汽会窜到蒸发器中,那就乱套了。节流阀必需调 节到蒸发器中有确当的液氨补充,这就是节流阀的工作任务。总结一下:首先液态氨在蒸发器中吸收了制冷对象的热量,