电冰箱原理及发展.doc

电冰箱的制冷热工原理一、电冰箱发展概况及基本原理冷冻不仅仅用于食物保鲜。美国有5家专业公司专门从事在-200条件下保存逝者遗体的业务。许多人生前都怀有一种希望，这就是有朝一日在某种药物的帮助下能重新复活。选择在液氮中长眠的第一人是心理学家詹姆斯贝德福德，他于1967年73岁时被癌症夺去了生命，从那时起有几十人仿效他的做法，而别外成千上万的人则签订了死后“冷藏”的合同。这些遗体在储藏时头部朝下，这样一旦自动化的控制系统失灵，可以使头部成为最后被解冻的部分。与普通人的感觉完全不同，冰箱并不是“制造冷气的机器”，而是一种用来吸收食品中的热量的装置。它利用称为“制冷剂”的液体，将食品中的热量“抽取”出来并转移到冰箱外面。致冷剂通过冰箱的一系列装置流动，主要包括3个基本的部件：压缩机、冷凝器和蒸发器，并不断重复同一个制冷循环（近似卡诺循环）。除少数环保冰箱外，现在普通家用冰箱的制冷剂大多还是氟利昂（主要是二氯二氟甲烷），它储存在冰箱的专用容器中。当冰箱开始运转时，电动机带动压缩机开始工作，吸入处于低压和常温状态下的氟利昂蒸气，将其压缩成为高温高压（约为10几个大气压）的蒸气。这些处于高温高压状态下的氟利昂蒸气离开压缩机后被送往冷凝器。冷凝器是一种被多次弯曲的管子，称为“蛇形管”，一般是被安装在冰箱背后。由于进入冷凝器的氟利昂蒸气的温度比室温要高，热量就通过蛇形管的管壁向外散发，这样氟利昂蒸气的温度就降低了并从气态冷凝为液态，随后它离开冷凝器流向蒸发器。蒸发器由另一个蛇形管构成，同冰箱的内部接触。这个蛇形管比冷凝器的蛇形管要细一些，因此氟利昂的流动速度就加快了，随之而来的就是压力骤然下降-这符合所谓的伯努利原理。由于在蒸发器中压力急剧降低，氟利昂便剧烈蒸发，从液态变为气态，伴随这一过程的是温度降低。由于热量总是从较热的物体向较冷的物体上转移，所以冰箱中较热的食物就将热量转移到流动着氟利昂气体的蛇形管上，从而达到制冷的目的。 上述过程完成之后，制冷剂氟利昂气体又“整装待发”，以便重新被压缩机“吸收”，从而开始下一个循环过程。由于氟利昂会破坏臭氧层，现在已经被逐渐淘汰，改用其他的制冷剂，但它们制冷的原理是一样的。冰箱主要有两种类型。一种是像家用冰箱那样的立式冰箱，另一种是通常为商店采用的柜式冰箱即冰柜。柜式冰箱用起来不太方便，但比前一种效率更高。事实上，每次打开家用冰箱的门时，由于冷空气比重大，大量冷空气会向下流动并被热空气替代。但这种现象是不会在柜式冰箱上发生的，而且柜式冰箱的优点还在于它很少有除霜的必要。冰箱制冷过程的示意图：从压缩机出来的制冷剂处于高压气态，当它进入冷凝器时就会释放热量，从而变成液态并进入储存器。随后制冷剂流入一个更细的管子中，压力随之下降。这种低压的液体变冷，当它进入同食物周围空气接触的蛇形管时，制冷剂再次变为气体，同时吸收了食物的热量。吸收热量后，制冷剂进入压缩机开始下一个循环。二、制冷系统的分类制冷，即制造冷量。具体地说，就是通过某种物理或化学的方法，使物体或空间的温度降低。实现制冷的物理或化学方法原理即制冷原理，根据制冷原理的不同，可将制冷系统分为很多类：蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷、升华制冷、空气压缩式制冷、热电制冷、磁制冷。三、蒸汽压缩式制冷系统蒸汽压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器等及封闭在系统中的制冷剂组成。压缩机压缩驱动制冷剂在系统中循环，制冷剂在循环中外界进行能量交换，发生“相变”。其中，在蒸发器中吸热蒸发，实现制冷。图1-5 制冷系统原理图1 系统组成及部件蒸汽压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器等部件及干燥过滤器、气液分离器等辅件组成，除此而外，系统中还必须充注一定量的制冷剂。上图为冰箱制冷系统示意图部件功能：压缩机系统“动力心脏”，将来自蒸发器的低温低压蒸汽压缩成高温高压气体。冷凝器散热部件，来自压缩机的高温高压气体通过与外界环境交换热量（散热）冷凝成高温高压液体。节流器阻力部件，通过阻力节流，高温高压液体变成低温低压湿蒸汽。蒸发器吸热部件，来自节流器出口的低温湿蒸汽中的液体与外界环境交换热量（吸热）蒸发变成低温低压气体。干燥过滤器系统辅件，吸收吸附系统管道内的水份和杂质，保持系统清洁。气液分离器系统辅件，将进入压缩机的制冷剂气体中可能存在的液体分离，只使干蒸汽进入压缩机气缸内压缩，防止液体进入气缸发生“液击炸缸”事故。2 系统的热力循环制冷剂（也称工质）在制冷系统中从某一设定（人为设定）初态经过一系列状态变化又回到同一状态（初态），从热力学上分析，就是一个热力循环。借助热力循环，实现能量之间的转换，如热能变成机械能，机械能转化成热能。热力循环有热机循环和冷机循环。热机循环：从高温热源吸热，向低温热源放热，从而实现对外做功。冷机循环：即制冷循环，外界对系统做功，实现从低温热源吸热和向高温热源放热。理想制冷循环：理想蒸汽压缩式制冷循环可以简化为四个过程：绝热压缩过程、等压冷凝过程、节流过程和等压蒸发过程。其中，蒸发和冷凝终点落在气液分界（相变）线上，即蒸发末端为饱和干蒸汽，冷凝末端为饱和液体。下图为理想制冷循环在lgP-h图上的表示。 过程热力分析：2：绝热压缩过程 工质与外界没有热量交换，压缩机对系统做功。工质由状态1的低温低压气体变成状态2的高温高压气体。3：冷凝放热过程 冷凝器内的工质温度高于环境介质，从而向外放热，工质由状态2的高温高压气体冷凝成状态3的高温高压饱和液体。2-3实际上由冷凝（相变）和冷却（没有相变）两段组成，过热气体2先冷却成饱和气体再冷凝成饱和液体。4：节流过程 工质焓值不变。工质经节流阀（毛细管）阻力节流，由状态3变成状态4的饱和汽液两相状态。吸热蒸发过程即制冷过程，蒸发器内的工质温度低于环境介质温度，其中的液体吸热蒸发，工质由状态4的饱和气液两相变成状态1的干饱和蒸汽。 性能参数评价一个制冷循环有很多参数指标，分两个方面：负荷能力：制冷剂循环量：单位时间内制冷剂在系统中的流量，单位为kg/s，常用符号G表示。单位制冷量：1kg制冷剂在一次循环中蒸发所吸收的热量，即为单位质量制冷量，也称单位制冷量。常用符号q0表示，单位为kcal/kg或J/kg，计算公式为：q0=h1-h4 （1-19）总制冷量：单位时间内蒸发器的总吸热量，常用符号Q0表示，单位为kcal/h或W，计算公式为：Q0=q0xG （1-20）单位热负荷：1kg制冷剂在一次循环中冷凝所放出的热量，称为单位热负荷。常用符号qk表示,单位为kcal/kg或J/kg,计算公式为：qk=h2-h3 （1-21）总散热量：单位时间内冷凝器的总散热量，常用符号Qk表示,单位为kcal/h或W，计算公式为：Qk=qkxG （1-22）单位功耗：1kg制冷剂在一次循环中所消耗的功，称单位功耗。常用符号w0表示,单位为kcal/kg或J/kg,计算公式为：w0=h2-h1 （1-23）总功耗：单位时间内压缩机的总做功量，常用符号W0表示,单位为kcal/h或W，计算公式为：W0=w0xG （1-24）压缩比：冷凝压力与蒸发压力之比。计算公式为：R=PK/P0 （1-25）b经济指标制冷系数：单位制冷量与单位功耗之比，常用符号表示，计算公式为：=q0/w0 （1-26） 工况及若干参数分析：所谓工况，就是系统的工作条件状况。当循环中的每一处参数发生变化，整个系统的运行工况就会发生变化。工况变化，系统的性能参数和经济系数也会随之变化。实际制冷循环的工况往往随环境的改变而改变。为了正确评价系统性能，人们常常在实验室进行“标准工况”下的试验。对理想制冷循环而言，制冷量、压缩功和制冷系数三个参数与冷凝压力、蒸发压力紧密联系。冷凝压力、蒸发压力发生变化，制冷量、压缩功和制冷系数随之变化。 冷凝压力变化对制冷量、压缩功和制冷系数的影响 当蒸发压力不变而冷凝压力升高由P2变为P2时，则lgP-h图上制冷循环变化如图1-1-8：表1-2 制冷循环参数比较表冷凝压力制冷循环功耗制冷量制冷系数P21-2-3-4-1w0=h2-h1q0=h1-h4 =q0/w0P21-2-3-4-1w0=h2-h1q0=h1-h4 =q0/w0w0q0 从表1-1-2看出，功耗增加，制冷量下降，制冷系数减小。反之，当蒸发压力不变，冷凝压力下降，则功耗减小，制冷量上升，制冷系数变大。蒸发压力变化对压缩功、制冷量和制冷系数的影响 当冷凝压力不变而蒸发压力下降由P1变为P1时，则lgP-h图上制冷循环变化如图1-1-9：图1-9 蒸发压力变化时制冷循环的变化表1-3 制冷循环参数比较表蒸发压力制冷循环功耗制冷量制冷系数P11-2-3-4-1w0=h2-h1q0=h1-h4 =q0/w0P11-2-3-4-1w0=h2-h1q0=h1-h4 =q0/w0w0q0 从表1-1-3看出，制冷量下降，功耗增加，制冷系数减小。反之，当冷凝压力不变，蒸发压力上升，则制冷量上升，功耗减小，制冷系数变大。实际制冷循环分析 理想制冷循环为人们分析问题提供了方便，但不存在。实际制冷循环和理想制冷循环相比，存在着各方面的损失，分析如下： 在实际制冷系统中，为了防止“液击”，进入压缩机气缸的不是饱和干蒸汽，而是过热气体。为优化性能，进入节流阀（毛细管）的也非饱和液体，而是过冷液体。制冷剂在冷凝器，蒸发器管道中流动由于阻力损失，压力要下降，不是等压，也不是等温。制冷剂气体在压缩过程中，由于气缸壁传热，压缩过程不可能实现绝热压缩，而是多变压缩指数的压缩过程。图1-10 理想制冷和实际制冷循环比较从图1-1-10可以看出，实际制冷循环和理想制冷循环二者制冷量近似相等而功耗加大，故实际制冷循环的制冷系数即经济性下降。给定工况下制冷系统热力计算举例选定工况：蒸发温度T0=-25C冷凝温度Tk=60C过冷温度t3=38C过热温度t1=38C制冷系统工质为R134a压焓图及各点参数查R134a饱和蒸汽热力性质表，各点参数如下：蒸发压力P0=114.3kPa冷凝压力Pk=1660.8