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制 冷 原 理/ @" u8 H2 ^8 w4 p7 P
4 G3 h0 o: S- z3 q4 }3 D1 ~& ]最简单的制冷由四大要件组成:①压缩机;②冷凝器;③节流阀;④蒸发器;
8 e5 r& i. u0 s5 a9 q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7 S" t% H w# p9 A
冰箱上的③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: c F5 ]2 q: A9 b9 g: ?% S# A$ L
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
: n4 }( A. F4 |4 v7 Y* B3 v3 c. f0 |* L0 x; `“冷”来。 那到底什么是冷,先举例说明:在寒冬腊月,气温降到-5℃,我们说
a6 _4 ]8 o7 {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,( v2 c# t$ J' x$ N0 @5 }1 X" s
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% m5 t/ p" o/ m1 U+ V
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?
S* q0 w8 Y# P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
. N- g+ U7 M& N4 n S" z2 b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0 W4 a# {6 E& q F: w
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。
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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,& `6 X# V$ Y9 `/ R
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,
0 y a* V' g3 u3 i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
- w7 |) E, ]1 Q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/ r1 i+ u; ^) N. B5 h2 V
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。: `" z) c6 J( F( c' b: o
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
) w2 X% \1 q! H9 ~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。$ [& _0 P5 y7 m8 w. f1 c
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/ o/ c" z- c. ?, }1 i! U
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’、
" l) }/ f! i9 @) }. [- ~‘大卡’、‘℃’等物理量,我想学过物理的人都能理解。- \( d& [4 m: k Z
) D, q* ]9 b' o8 `$ G* y
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
) d9 ?! J5 R& q. _8 h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。
/ l. d8 }* c3 m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# ]5 f; S# j2 n" n$ E) C7 n3 O
剂传递,达到降低商品温度的目的。+ R# ]& R5 S2 f6 G/ v. v! z) F
& q/ j) S3 E) K2 o' K$ ^
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& K3 U2 w7 }# i/ g O/ X
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。) e& W7 v9 H7 B* y+ U/ C7 @
/ W4 c; i0 e ]. Z4 x+ x
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
' {+ S5 w5 e+ i2 C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- D$ G8 _: u# K3 o5 Q
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℃,为什么不是
2 T4 Y% F5 @" X110℃,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
+ K% `$ E5 j% T( s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+ W5 ~: ~3 N4 G7 p; [* z% T n
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
& b! i! C a* @* c1 N. }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
% p( ^4 z M$ j, o. J% z* q4Kg/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
( e* @+ N: n+ G3 `. x1 I" Z140 ℃。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
9 M$ z8 M1 e$ f6 m' E' O( L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
1 W7 T( R$ W$ r: S, W3 A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' O; D, Q, M5 O" `, ]
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9 X7 s+ Z. o: w/ e
们的角度来讲,在这里的水就是制冷剂。7 t9 ~, _$ h9 u4 Q
+ s( f* x1 j' B* q' q: B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,
* }7 B0 x& u" e. x% I4 q1 b) w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
6 i/ F5 ^0 Q. d: r: a" E$ Q. P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
# n* X/ H) u( R& p4 L& I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8 P1 T6 l* m* b: z6 M
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! i9 f9 G4 G6 d5 I: N
(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4 w6 t3 r1 m8 |' f
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
. H, R2 w3 M; ]2 L6 A; K9 P' [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
7 r/ t$ ^/ R% U% ]. |) r9 n" \; f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* b1 J( ^+ [- i; X" C
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
* E* B* O3 p( G9 [$ w; |7 ^& A* p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3 R! m) c7 f1 c: p% w
设备回到锅炉继续使用。
7 q& T4 R' {! a) p# E$ K G" C# s1 T6 P4 i! W; ~
现在回到制冷的四大要件:3 \( s8 k# Q8 D4 P# q6 l: y
①压缩机,与空气压缩机原理一样;
0 @# m* Y3 J$ I- ~5 e/ e②冷凝器,可以理解为热水汀或做酒业的蒸馏器(锡锅); B, I& V% H' `) y2 k" y+ Z
③蒸发器,可以理解为上面所讲的水壶或锅炉;
; e F3 e4 H) l( z3 b④节流阀,可以理解为从楼上高位的热水汀到锅炉之间,加一只阀,开小一点,让' r- p2 R# m8 Y; ?% S6 w, w' u- [2 m. A
蒸馏下来的水流进锅炉继续使用,不让热水汀中的水流光了使锅炉中的蒸汽反冲回 l) O/ p" \. e5 c0 Q" T8 p
热水汀,这一点与我们制冷不同,因为整个系统是均压的,而制冷系统冷凝部分是
2 _: @2 r' Z1 B* p' E' u! q: S高压的,节流阀是控制制冷剂合理分配给蒸发器,让蒸发器处于正常的制冷工作状& {$ A$ i3 S# X
态。3 ^$ O8 R) Y0 Y1 ]$ h' @9 b) f; X1 G
/ D4 K5 P9 L+ A' y2 h! U
在电冰箱上制冷的四大要件是:
8 U, P% J3 O: h& J* \! b①压缩机,藏在冰箱后面,圆头圆脑的家伙;
# x( ^' \3 y& N②冷凝器,就是在冰箱后面的散热片;
# D) B/ W2 F8 z& w2 Y③蒸发器,在初期的单门冰箱中的冻结框,可以看得很清楚,拆开无霜冰箱的内衬
. w" ^4 g3 i; g# e也能看到冷风机一样的翅片管;
% O4 N8 [( `6 E# _④节流阀,在冰箱后面有一段绕成螺旋状的细铜管,那就是毛细管。冰箱的外壳就
; ]8 A# B( K/ E/ t$ h& T相当与冷库外体。
[$ s& n s/ e$ _/ h' A/ R) `- S. `* n: ^- P7 c, x, J
在制冷行业中,制冷剂可以是水、氨、F12、F22、F502、液氮等等。空调用溴化锂+ B- Q$ @3 \) Q
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
8 P4 ^6 o2 B- ]7 s& b, r: `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,8 G- \. P5 _, E; W' x+ p# r
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$ @. G2 v+ W3 m. H( e2 s5 o
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,& g, A, u; _2 o, b2 F
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,
! ~& {$ c% z ^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
" {% V1 m0 E# B7 w. w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,
8 l7 @* }3 U. t- p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
2 _/ F: e6 J* w: v% t- h; i1 f, u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
3 P t' c& E: T0 `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6 s0 i' K% v- b
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% |1 p/ X! W' M; b6 m- @5 m' V
缓缓降下。这个盆就是‘蒸发器’。0 Y8 k9 t* o; q* `
9 g( J9 y+ k$ p% ^0 e$ r `0 s- ?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
/ b5 z& J: u1 R5 H2 X+ _) y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,
2 {- r9 m' X$ y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- Y5 H7 ]8 T5 N$ o2 y/ X0 e
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。
9 q- ?+ U. `6 b Z! A2 m( J( W2 I7 H5 r6 X) y# D" ^4 }# n
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, `1 T3 e) u$ m, g4 k' W; P4 p
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6 ~. l/ A# A5 Y, N6 U
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,0 m L" @; T1 s/ V5 X" J0 ~
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
# l& I, c$ J2 w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
6 z5 n7 u# h9 l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
4 |- [4 C3 @. Y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/ h: m# j- `8 |
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1 P& z1 E2 T' r% H3 j4 n6 Y$ f
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
) L, {. C# B* r/ u& j+ ~% |, V9 a的热量,使库温不时的上升,所以需要定时开机降温。2 z8 Q4 ?3 d. Z) S+ d+ r: D+ F8 Z
# ?& o1 s1 {1 U' N B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+ |- z! d" e/ U& R3 X2 e
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,( Z! ~" [! @0 l- n
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℃
; w# p! b! B' P/ J$ [# K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
z/ X/ m/ M4 J; _9 o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: J# N; u r4 V9 ~: B9 ?0 h' X4 m
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
9 `& x A4 N6 ?& ^# J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
- x/ U9 A. u& j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+ t. a* K% G7 C4 L
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,氨蒸汽被压缩机, Y x& E) [; h1 d. A& b1 o
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。
. b8 q( y$ z: Q
& g$ ~3 K! D" D* t. t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
" d1 a% n3 Q# }. c4 ~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
, l6 d4 k( `2 N+ \2 [+ |+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3 Q9 m1 l, W c, F8 Y' g5 C
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- i! `" B- D! J. O1 n8 ^# |; _
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
" W& b7 o5 @( K/ j5 u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,6 M( Q; X4 d8 ]' G& ?
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
* ` S h/ v$ p, u3 P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,7 V% R7 N4 V( l4 b
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# b2 X4 y8 L- |& G
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,6 T2 G3 e0 k: K6 F# j- q
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0 J1 {( v% f) p* K# P9 ]
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
3 o$ `. ?9 T% |' N( m; g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4 {7 G5 V0 d/ n- _( Y: [' ?
温度,这时的压力叫冷凝压力。这就是冷凝器的工作任务。
5 Y( o4 y3 `* Q- ^9 b w* i/ A* ` ]1 ]/ I
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,
& Q6 s; e. L7 `/ Z' m$ u0 s# K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+ }% r4 n+ a( A' w5 l2 m, u
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。4 a( A1 P2 @3 P- N3 f4 v) m
" f8 ?6 N' ^! C) ^" ?- V
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0 K/ L7 G- `* w0 U0 v( T) F- P
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9 x. F0 m* L* e- Z8 R, M# b
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( j8 B. v0 t S
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4 Y+ Z; w# Z# a# _# u- e
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
5 T, _7 Q3 E! k( `( U. `( Q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" e4 B8 M" @& j6 }8 A% m0 A2 [
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0 `9 n2 r/ z# c& b0 D( C/ m" S
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。
4 e" e; m4 [) `9 v7 Q. Y1 w# Y
0 j& s! m3 ?4 u3 k; H现将几个重要概念说明一下:
9 p* X! }) M4 h l- @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;
. `7 u3 ~+ U0 |5 X
y: x3 ?/ |; e$ |' \/ i) x' J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
6 Q) k$ Y0 G3 a0 J$ I* ^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
/ ], I' ]2 R; h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,8 R- t: n3 @0 I3 t& m' y% b9 T
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2 D. @9 Y- ^" Y2 Y( N H
来就有2.5%的允许误差。
7 g5 S @! |( c- k- \
1 p* D' v' Q; N+ c8 L( p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2 O2 a( l( t ~% ?. J+ h% m
凝器大都用水来冷却。8 W+ W* {% m9 j0 K; |- w' g. f+ m
6 \: K3 N) h) f$ j$ d1 V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
5 q4 b; j5 M7 j! S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
5 |6 e, K* F* X/ p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
( [& k ?9 E8 S. L4 o- m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
7 z% P/ U- a4 x4 d5 z, T3 h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5 B3 }: k8 L' D0 k5 f; B! U" j# G
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( \: j' I7 Q" ?9 U* o6 M0 O0 g( ?' a
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。
2 R$ L j% {0 ~6 Z" P' X" L, j J! [! o3 S) Q5 G% Q4 y; k
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℃,* v1 U) |$ t( o, Z- B9 A1 Y$ m" r/ c
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,为什6 ~# B; [ x% ]0 o: z3 n+ q5 H
么?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
' d. R$ ~1 V' h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,
' V! e9 c- V- e) C* S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& }2 L% d- p7 w
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2 q: ~+ h* _7 u! M
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。0 G# f* h9 g% `, d& Q
/ [; t) m- S8 D( t; O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℃,
0 }1 n4 y' V% a7 |% I1 B* @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。
; S- Z$ Y4 s% n( K% l
2 @& F% h/ F7 i讲了这么多,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' k: K# L- }. G
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。 |
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