冰箱的工作原理及如何实现冰箱节能

冰箱的工作原理及如何实现冰箱节能
摘要:本文首先介绍了制冷机的工作原理，并讨论了卡诺循环中制冷系数的决定因素；接着详细介绍了家用电冰箱的制冷系统的工作原理；最后在理论分析和数据比较的基础上提出了电冰箱节能的几点建议。

一、制冷机
制冷机是按照制冷循环工作的机器。

制冷机的作用是通过做功将低温热源的热量传递给高温热源，从而使低温热源保持在较低的温度。

下图为制冷机工作原理图
在以理想气体为工质的制冷循环中，设外界对工作物质做功为A，使工作物质从低温热源吸收热量Q2，在向高温热源放出热量Q1。

制冷机的制冷能力用制冷系数表示，它等于工质在一个循环中从低温热源吸收的热量与外界对工质做功的比值，制冷系数用e表示，则有
e=Q2 A
由热力学第一定律，有A+Q2=Q1。

因此制冷系数可以表示为
e=
Q2 Q1−Q2
下图为卡诺循环的过程曲线（制冷循环中为逆时针）1-2段，3-4段为等温过程；1-4段，2-3段为绝热过程
由卡诺循环中各个过程中各个物理量的关系易知，卡诺循环的制冷系数可表示为
e=
T2 T1−T2
这一制冷系数为工作在温度为T1和T2的热源间的各种制冷机的制冷系数的极限值，此极限值取决于低温热源的热力学温度和两热源的温度差。

二、冰箱的工作原理
压缩式电冰箱是电机压缩式电冰箱的简称，它是一种常见的冷凝器。

它主要有以下三个构成部分：箱体、制冷系统与控制系统。

而其中最关键的是制冷系统。

制冷系统主要由四大件组成：压缩机、冷凝
器、膨胀阀和蒸发器，根据控制或是使用需要中间可以选择安装压力控制器、温度控制器、干燥过滤器等辅助器件，但四大件是必不可少的。

现在就来看看制冷系统是如何工作的。

工作时气态制冷剂(氨或氟利昂等较易被液化的物质)通过压缩机被急剧压缩成高温高压的气体后，进入冷凝器（冷凝器相当于一个换热设备，将高温高压的气态制冷剂换热成低温高压的液态制冷剂。

）通过其中的散热片向周围空气即高温热源放热而冷凝结成液态。

液态制冷剂再通过膨胀阀，所谓膨胀阀就是一个节流装置，因流出膨胀阀的制冷剂受到遏制，因此出来后制冷剂压力降低，温度继续下降，（冰箱的膨胀阀一般用毛细管代替，因从大管突然到小管，同样可以起到
节流的效果）成为气液两相，再进入蒸发器（与冷库相连接），此时的制冷剂从冷库即低温热源吸热，使冷库温度降低且自身蒸发成蒸气，成为高温低压的气态制冷剂回到压缩机继续循环。

正是因为这样，所以夏天用冰箱来冷却房间，不但是不可能的，反而会使其内部温度升高。

同时电冰箱在运行过程中，其制冷系统压缩机的吸气侧移为低压侧，其压力略高于大气压力。

压缩机的排压侧移为高压侧，远高于吸气侧，因此两侧的压强差很大(压力差也是很大)，停机后两侧系统在一定时间内仍然保持这个压力差，如果立即起动，压缩机活塞压力加大，电机的压动力矩不能克服这样的压力差，使电机不能起动，处于堵转状态，这就使得旋转磁场相对于转子的转速加快，磁通量的变化率加大了，从而导致电机绕组的电流剧增，温度升高，如果时间长，很有可能烧毁电机。

这就是冰箱为什么不能在关机后立即开机的原因所在，一般至少要等4-5分钟。

三、如何实现冰箱节能
由以上分析可知当工质在冷库吸收的热量Q2相对于压缩机对气体做的功较多时，即制冷系数e较大时，冰箱效率高，相对来说是节能的。

由公式
e=
T2 T1−T2
可直观地看出要想达到节能的目的，需要低温热源的温度相对来说要高一些，同时两热源的温差不要太大。

例如家用电冰箱的冷库温度为270K，冰箱外大气的温度为305K，则其制冷系数为
e=
T2
T1−T2
=
270
305−270
=7.71
而冷库温度为273K，冰箱外大气的温度为305K，则其制冷系数为
e=
T2
T1−T2
=
273
300−273
=10.1
根据以上分析知可以总结出一些冰箱节能省电的方法：
1．在能够保证物品不变质的温度范围内，设定冰箱内部温度高一些。

2．摆放冰箱时，保证其左右方、后方、上方各有一定空隙，以方便冰箱散热，使冰箱周围温度相对内部温度不至于太高，即两热源温差较小。

3．不要与音响、电视、微波炉等电器放在一起，这些电器产生的热量会使冰箱周围温度升高，增加温差增加耗电量。

4．冷藏物品不要放得太密，留下空隙利于冷空气循环，这样食物降温的速度比较快，减少工质的循环次数，减少压缩机的运转次数，节约电能。

5．对于那些块头较大的食物，可根据家庭每次食用的份量分开包装，一次只取出一次食用的量，而不必把一大块食物都从冰箱里取出来，用不完再放回去。

反复冷冻既浪费电力，又容易对食物产生破坏。

参考文献：
[1]．芶秉聪，胡海云．大学物理．北京：国防工业出版社
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