冰箱的工作原理

冰箱的工作原理

我们知道任何物质在液化后都要放出热量,在气化时都要吸收热量,这是最普遍的物理现象.空调冰箱就是利用了这个道理,将制冷剂液化放出热量,然后再让他蒸发吸收热量.液化放出热量的位置和蒸发吸收热量的位置不能在一处,否则没有任何效果.因此空调就有了室外机,目的是散热和其它主要功能,冰箱则散热器在冰箱外部.
那么怎么能实现制冷剂液化-气化呢?我们知道,气体物质在它的临界温度下,当压力达到一定值的时候,就会液化.所谓的临界温度就是在这个温度之上,无论采用多高的压力都不能使他液化.当温度高于气体物质在某个压力下的沸点之上时就会发生气化,气化时吸收热量,吸收的热量从环境中获得,从而实现制冷.
用于上述实现制冷的气体物质就是制冷剂.作为制冷剂的物质通常常温下为气体,便于蒸发,而且临界温度不能太低,否则压缩时液化不容易.还要要求无毒,无异味儿.常见的制冷剂为氨、氟(这个字念服笨蛋才念佛呢)里昂.
氟里昂实际上很多种物质的总称,是一种系列产品.那么他是什么物质呢?实际上就是卤代烷,常见的是卤代甲烷.例如一氟三氯甲烷、三氟一氯甲烷、二氟二氯甲烷等等.也就是甲烷的分子中的氢原子被氯和氟原子所取代,你可以自己组合出不同的物质.当然了,这种卤代烷一定要有氯原子和氟原子存在,不能全是氯也不能全是氟,而且烷烃中的氢原子全部被取代.倒不是说不存在这种物质,而是满足不了作为制冷剂的要求,例如四氯甲烷,常温下为液体,也就是四氯化碳,不能做制冷剂的.但是四氯化碳中的一个氯被氟取代,就可以做制冷剂.
制冷的过程是这样的：
首先压缩机将蒸发器来的气体制冷剂进行压缩,由于室温低于制冷剂的临界温度,当达到所需的压力后液化,液化时放出大量的热,这些热量通过散热管、散热片散发到空气中,也就是冰箱后面的散热管、空调室外机的风扇吹着的散热片.
液化后的制冷剂散热后,温度降低到接近室温,经过缓冲器后再通过毛细管进入蒸发器,蒸发器就是粗管,上面带有导热良好的金属片.制冷剂在这里蒸发,会吸收大量的热量,使得蒸发器周围温度迅速降低.对于冰箱,蒸发器就是冷冻室周围的金属和部分,对于空调就是室内机里面的金属管和外面的吸热片,和冰箱不同的是,空调蒸发器温度不是低吗,用风扇吹他,于是空调就吹出了冷风.冰箱同志则住在密封箱里,由于蒸发器不断地吸热,使得这里面温度很低,低到零下十几度.
制冷剂在蒸发器蒸发后变成了气体,再到压缩机压缩,结果又放出热量变成了液体,成为一个循环.那位优点物理知识的姐姐该问我了：“不对吧?如果说制冷剂在工作中不是在密闭的、循环的系统中运作没有任何问题,但制冷剂和压缩机等在一个密闭的系统内进行循环,那压力应该是平衡的,也就是压力不变啊,既然不变,那液体怎么可能变成气体呢?便不成气体,制个屁冷啊?”姐姐,前面说了,在蒸发器前面有个毛细管,这个毛细管的作用就是减压,为什么呢,你想想毛细管后面的是蒸发器,蒸发器空间是很大的,毛细管很细,流着的是液体,到了蒸发器,空间突然增大,而且蒸发器后面就是压缩机,压缩机会及时地抽取气体,于是通过毛细管到达蒸发器内液体制冷剂由于压力低,不得不气化了,于是上演了气化吸热的一幕.
制冷机理就是这样的,简单吧?那温度是怎么控制的?冰箱和空调温度控制都是通过启停压缩机来实现的.压缩机总在那里干活儿就冷,反之就不制冷.
控制温度的部分叫温控器,冰箱的比较简单,有机械的,也有电子的,空调基本上都是电子的.机械的相对比较简单,就是一个密封管,里面装有膨胀系数大的液体或气体,当温度升高时,膨胀,推动开关,使冰箱供电导致压缩机启动.
电子的也很简单,一般是一个热电阻温度计或热电偶温度计或者半导体温度计(所谓的温度计实际上是传感器),温度变化导致传感器参数变化,通过电子电路实现对压缩机供电电路的开关.电子温控有好处,便于实现遥控、定时、等等.
近年来出现的所谓变频空调,号称节能,实际上是通过变频技术调节拖动压缩机的电动机的供电频率来实现调节电机的转速.我们知道交流电机调速很难实现,冰箱、空调中的压缩机都是有交流电机拖动的,特别是空调,美女、衰哥喜欢温度不一样,总爱调来调去的,如果不采用变频调速在平稳电机运转,只能通过间断运行来实现.我们知道,电动机在启动过程中,需要较大的起动电流,因此对电网的电压造成波动,甚至烧掉不耐压的设备,最常见的是白炽(这个字念赤)灯烧断钨丝.刚刚启动不久的电机往往由于温度对它的控制又要求停机,反反复复导致电机频繁启动,一方面浪费电能,另一方对压缩机等部件的机械部分也会造成疲劳、磨损等.采用变频空调,就可以在电机在根据温度的不同选择不同的转速来实现.交流电机的变频调速本身不节能,但是避免了需要频繁启动的电机等,这时候相对传统手段就节能了,这是相对的.
制冷剂氟里昂可以破坏大气中的臭氧层.我们知道,大气分为对流层、平流层、暖层、电离层等,其中在大气层的10公里到50公里高度的区域(平流层)臭氧有相当的浓度,是臭氧富集区,臭氧是氧气的一种同素异形体,一个分子中有三个氧原子(氧气是两个),臭氧可以吸收太阳光中的紫外线,使得紫外线转变为热能,氧气也可以在紫外线的作用下转变为臭氧.单独的氧气在紫外线的照射下是不能把紫外线转化为热能的,而是直接透过.只有在臭氧存在下,才会出现臭氧在紫外线照射下转换为氧气,氧气再在紫外线照射下转换为臭氧,实际上是一种化学平衡.
在氟里昂存在的情况下,臭氧分子将会被破坏变成氧气分子,在这个过程中,氟里昂并不发生变化,起到催化剂的作用.也就是说,氟里昂破坏了臭氧分子后自己并不被消耗掉,氟里昂自然降解过程十分缓慢,因此大气中氟里昂的浓度增加自然而然会把臭氧破坏干净.自然界的臭氧的产生一般是通过空气放电也就是闪电过程中有氧气转变而来的,在自然环境下,臭氧的产生和消耗是平衡的,但人类制造了氟里昂,就会破坏这种平衡.
臭氧被破坏了,太阳光中波长小于290纳米的紫外线就会对生物造成极大的影响.
制冷技术除了液化蒸发法,还有半导体制冷技术.实际上某些板式半导体在通电时,会出现温度差,导致一面冷另一面热.于是就出现了利用这一技术的微型冰箱、凉帽等,某些饮水机的冷热水,就是半导体制冷.半导体制冷优点是无噪音,无制冷剂,无运转机构,如意控制温度,但致命缺点就跟五笔字型类似,耗电量大(五笔字型工作量大),效率低,因此应用领域比较窄.