制冷原理
时间：2023-03-16来源：佚名
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最简单的制冷由四大要件组成﹕压缩机；冷凝器；节流阀；蒸发器； 我们日常使用的电冰箱，正好由这四要件加上箱体组成，箱体就好象冷库。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。首先讲讲什幺叫制冷。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。 那到底什幺是冷，先举例说明﹕在寒冬腊月，气温降到－5℃，我们说今天天气真冷，可东北人说不冷；在大伏天，气温在＋32℃时，我们会说不算热，但气温突然降到＋25℃，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－18℃；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±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20℃冷水的水壶放到一块烧到500℃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℃升到100℃，它需要外界提供它80大卡热量，水从100℃到烧干，它需要外界提供539大卡热量，也就是说一公斤20℃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，那幺钢板降了多少度，是可以精确计算出来的。在这里所述及到的‘热量’、‘温度’、 ‘大卡’、‘℃’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 100℃，水壶出口处的蒸汽温度也是 100℃，为什幺不是110℃，不是90℃？这是因为在一个大气压下水的沸腾温度是100℃，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70℃左右就开了，没有高压锅就只能吃夹生饭，而在高压锅里，温度可达到 110℃，因为高压锅排气阀的重量，刚好使锅内压力保持在1 Kg/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℃，锅炉中的水温也与蒸汽温度一样也是140 ℃。煤气炉的火头温度可达1000℃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℃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℃，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30℃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1 Kg/CM2表压力（实际是2个大气压），热水汀表面温度就是110℃，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。空调用溴化锂吸收式制冷机，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－33.3℃。如果将液氨从常温的钢瓶中放出，一出钢瓶它立即变为－33.3℃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－30℃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），它的沸腾温度应该是－28℃；而蒸发器外是－18℃的冷库，如果有高于－18℃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－15℃，－15℃的空气又将从商品中传来的热量传给了－28℃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－18℃，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 1 Kg/CM2表压力时，温度也上升到－18℃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0.3 Kg/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?汽被压缩机从蒸发器抽出，而后压缩到冷凝器中，那幺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14 Kg/CM2，温度也就对应升到＋39℃，如果在冷凝器管外供给＋34℃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，在表压力14公斤/平方公分时，不是＋39℃，而是＋100℃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℃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，蒸发成氨蒸汽；氨蒸汽包含着吸收来的热量被压缩机抽送到冷凝器，并压缩成高压、高温的氨蒸汽，这时候氨蒸汽中又加进了电动机的热功当量所附加的热量；冷凝器中的氨蒸汽，将热量传送给温度较低的冷却水，失去热量的氨蒸汽被冷凝成为液态氨；节流阀将冷凝下来的液氨再有节制的补充给蒸发器，使蒸发器能够连续地工作；整个工作过程就是将低于－18℃的制冷对象中的热量，强制送到＋30多℃的冷却水中去，使制冷对象失去热量，温度降到我们所需要的－18℃；而冷却水吸收了热量后，又通过水蒸汽的蒸发，将热量传送给了大气，或者说是风将热量吹走了。这就是制冷全过程。 现将几个重要概念说明一下﹕ 一、热量只能从温度高的物体向温度低的物体传送，绝对不会从低温传向高温； 二、氨的热力性能表是以绝对压力为标准，压力表上所指示的压力（表压力）与绝对压力，永远相差一个大气压，即绝对压力减去1 Kg/CM2才是表压力。现在表上所使用的标准是Mpa，0.1Mpa近似等于1 Kg/CM2，因为一个大气压力等于0.10133Mpa，或者等于1.0133 Kg/CM2，那 0.133 g/CM2就忽略不计了，因为2.5级的压力表，本来就有2.5％的允许误差。 三、在热量的传递过程中，空气的传热效果较慢较差，水的传热较快较多，所以冷凝器大都用水来冷却。 四、显热和潜热的问题，液氨在蒸发器中受热蒸发，由液相变为汽相，在整个蒸发过程中，它的温度不变，这种使液相变为汽相的热量叫潜热；在冷凝器中氨蒸汽向冷却水放出热量而冷凝为液氨，这种由汽相变为液相而放出的热量同样叫潜热。相变时的温度与压力相对应，在热量传递的相变的过程中温度是不会变化的，压力也不会变化。而压缩机的热功当量参于的热量，只能使氨蒸汽温度升高或降低，而不能改变其压力的热量叫显热，蒸发器出来的氨蒸汽，在回气管道中受外界热量的加入而升温，到压缩机口已经升温5～10℃了（氟利昂系统升温较多），这也是显热。 五、关于闪发气体，上面讲到，液氨从钢瓶中一放到大气中，立即会降到－33.3℃，我们首先可观察到，液氨出瓶后立即沸腾，即使外界没有提供热量它也沸腾，为什幺？查氨的物理性能表，一公斤液氨，在一个大气压下的温度是－33.3℃，它的焓值是83.57大卡；假设钢瓶中的液氨温度是＋25℃，对应的绝对压力是10 g/CM2，它的焓是 147大卡，这里相差了63.4大卡，这63.4大卡自身热量就使液氨沸腾，蒸发掉63.4大卡热量后，它的物理性能就平衡了，这蒸发后产生的气体，就叫闪发气体，因为沸腾在液氨全体积内产生，而且速度象闪电一样快，所以叫闪发气体。 上面的讲述中冷库温度与蒸发温度总是相差10℃，冷凝温度与冷却水温总是相差5℃，这是我们国家制冷规范所定，它是由经济合理的热交换面积所决定的。 讲了这幺多，是想说明一点，我们是用机械能，将热量从温度低的物体中取出，向温度高的物体中输送，使我们的工作对象温度下降到所需的要求。 锅炉工，他可以名正言顺的说我是供热工作者，我是供热工程师；我们也在说我是制冷工作者、我是制冷工程师，如果你感到有点亏心，这就对了，你真正理解“制冷原理”了。 |
