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压缩机制冷原理
发表于:2021-12-27 12:33 分享至:

  压缩机制冷原理 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; 首先讲讲什么叫制冷。制冷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“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,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?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。 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,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,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。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。 1 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’、‘大卡’、‘℃’等物理量,我想学过物理的人都能理解。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。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 品温度更低的制冷剂传递,达到降低商品温度的目的。 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。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 110℃,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, 刚好使锅内压力保持在 1Kg/CM2 表压力(实际是 2 个大气压)。一般小型锅炉可烧 4Kg/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 140℃。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 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。 从我们的角度来讲,在这里的水就是制冷剂。反过来水蒸汽进了浴室马上凝 2 结成小水珠(雾气),放出热量使浴室内温度上升,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(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 1Kg/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,这水可通过设备回到锅炉继续使用。 现在回到制冷的四大要件: ①压缩机,与空气压缩机原理一样; ②冷凝器,可以理解为热水汀或做酒业的蒸馏器(锡锅); ③蒸发器,可以理解为上面所讲的水壶或锅炉; ④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态。 在电冰箱上制冷的四大要件是: ①压缩机,藏在冰箱后面,圆头圆脑的家伙; 3 ②冷凝器,就是在冰箱后面的散热片; ③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 的内衬也能看到冷风机一样的翅片管; 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 外壳就相当与冷库外体。 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,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,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, 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,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 冷空气在缓缓降下。这个盆就是‘蒸发器’。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,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。现在讲库房里的制冷 4 进行过程:液态氨在蒸发器(排管)中如果处于 0.3Kg/CM2 表压力状态(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, 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,开门时空气带进的热量,使库温不时的上升,所以 需要定时开机降温。 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,液氨的沸腾温度就会上升,最后压力升到 1Kg/CM2 表压 力时,温度也上升到-18℃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,使蒸发器中的压力一直保持在我们生产需要的 0.3Kg/CM2 表压力状态。这时候蒸发器中的压力叫蒸发压力,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。 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, 5 温度也随着压力的升高而升高,比如说压力升高到表压力 14Kg/CM2,温度也 就对应升到+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,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,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,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 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 的温度叫冷凝温度,这时的压力叫冷凝压力。这就是冷凝器的工作任务。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,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。 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,将热量传送给温度较低的冷却水,失去热量的氨蒸汽被冷 6 凝成为液态氨;节流阀将冷凝下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,又通过水蒸汽的蒸发,将热量传送给 了大气,或者说是风将热量吹走 7