制冷机的原理

制冷机的原理

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，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。

目前所有制冷的几个典型方法：

1、液体汽化制冷：利用液体气化吸热原理。如：蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式、吸附式制冷。

2、气体膨胀制冷：将高压气体做绝热膨胀，使其压力、温度下降，利用降温后的气来吸取被冷却物体的热量从而制冷。

3、热电制冷：利用某种半导体材料的热电效应(即帕尔贴效应)的一种制冷方法。半导体材料具有较高热电势，可用来做成小型热电制冷器。热电制冷器的结构和机理显然不同于液体汽化制冷。

4、气体涡流制冷：实质是利用人工方法产生漩涡使气体分为冷热两部分。利用分离出来的冷气流即可制冷。

5、磁制冷：借助磁性材料的磁热效应，等温磁化时向外界放出热量，绝热退磁时从外界吸取热量。

家用的冰箱大都是液体汽化制冷中的蒸汽压缩式制冷。典型的制冷系统由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器和组成。它采用压缩式制冷原理，在这个系统中，压缩机将已吸收了热量而成为气态的制冷剂抽回汽缸内，随即压缩成高温高压气体，并排至冷凝器中。制冷剂在冷凝器内将从蒸发器、压缩机和低压管道吸收的热量，以强制冷却的方式传递给周围的空气，高温高压气体放热后变成液体，经过毛细管进入蒸发器。毛细管起节流降压作用，它使制冷剂变成低压、低温液体，并使系统维持一定的流量。蒸发器内制冷剂沸腾时，吸收周围的热量，由湿蒸汽变为饱和蒸汽，然后再次被压缩机吸回。由于压缩机的作用，制冷剂在系统中如此循环往复，把蒸发器吸收的热量传递给冷凝器放出，实现制冷目的。

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。

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=T_2/(T_1-T_2 ) 。这一制冷系数为工作在温度为T_1 和T_2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。

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。

工作时气态制冷剂通过压缩机被急剧压缩成高温高压的气体后，进入冷凝器。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，成为气液两相，再进入蒸发器，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。

由以上分析可知当工质在冷库吸收的热量Q_2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：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。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。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。

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。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。