恒溫恒濕箱制冷系統(tǒng)的構(gòu)成原理
*簡單的制冷由四大要件組成:①壓縮機(jī);②冷凝器;③節(jié)流閥;④蒸發(fā)器;
首先講講什么叫制冷。制冷兩字只能說是技術(shù)上的術(shù)語,嚴(yán)格講是錯誤的,世界上沒有那國的科學(xué)家能制造出“冷"來。那到底什么是冷,先舉例說明:在寒冬臘月,氣溫降到-5℃,我們說今天天氣真冷,可東北人說不冷;在大伏天,氣溫在+32℃時,我們會說不算熱,但氣溫突然降到+25℃,我們會說太冷了;這冷是隨著人的常識來定的,在物理學(xué)中沒有冷的定義。在工程中冷是跟著生產(chǎn)需要而定的。如老總問,冷庫打冷了嗎?你說打冷了,這個冷是指-18℃;老總問,水果庫溫度穩(wěn)定嗎?你說很穩(wěn)定,這回答的含義是水果庫溫度穩(wěn)定在±0℃了,這是我們這個行業(yè)對冷的定義。但是我們還是把這種利用機(jī)械設(shè)備把降溫對象降到所需溫度的方法叫制冷,這就是術(shù)語。什么叫制冷,比如我們將裝有一公斤20℃冷水的水壺放到一塊燒到500℃的鐵板上,沒有多久水就開了,如果不拿開水壺,不多久水就干了。大家和說鋼板在對水加熱,反過來也可以說水在對鋼板降溫。而且,降了多少度,都可計算出來,因為一公斤水從20℃升到100℃,它需要外界提供它80大卡熱量,水從100℃到燒干,它需要外界提供539大卡熱量,也就是說一公斤20℃冷水燒到干,要外界提供619大卡熱量。如果按制冷的角度它從外界或鋼板中提取了619大卡熱量而變成了水蒸汽,使鋼板降溫了,這就是制冷,是利用水對鋼板制冷。如果將水倒在鋼板上,那就更直觀了。
在上述的制冷過程中,如果鋼板的大小一定,并排除外界空氣的降溫因素,那么鋼板降了多少度,是可以**計算出來的。在這里所述及到的‘熱量’、‘溫度’、‘大卡’、‘℃’等物理量,我想學(xué)過物理的人都能理解。初中物理就講到,熱量總是通過傳導(dǎo)、對流、輻射,從溫度高的物體轉(zhuǎn)移到溫度低的物體,絕不可能反過來進(jìn)行。一個物體失去一些熱量后,它的溫度也會降低一些。我們的目的就是通過制冷系統(tǒng),將商品中和空氣中的熱量向比商品溫度更低的制冷劑傳遞,達(dá)到降低商品溫度的目的。
我們的制冷系統(tǒng)與鍋爐的制熱系統(tǒng)在熱力學(xué)上來講是一樣的,它們的熱傳導(dǎo)公式也一樣,我們先以鍋爐作比擬,進(jìn)一步講講制冷劑在制冷時的作用。上面講的燒水壺也可算是一只鍋爐,不過水燒開了,我們就灌熱水瓶了,如果我們在壺嘴上套根管子,通到浴室,那就可以洗桑拿了,水壺就成小鍋爐了。要注意的是這時水壺中的水永遠(yuǎn)是100℃,水壺出口處的蒸汽溫度也是100℃,為什么不是110℃,不是90℃?這是因為在一個大氣壓下水的沸騰溫度是100℃,這是水的物理性能所決定了的。在青藏高原,大氣壓力較低,水70℃左右就開了,沒有高壓鍋就只能吃夾生飯,而在高壓鍋里,溫度可達(dá)到110℃,因為高壓鍋排氣閥的重量,剛好使鍋內(nèi)壓力保持在1Kg/CM2表壓力(實際是2個大氣壓)。一般小型鍋爐可燒4Kg/CM2表壓力蒸汽,蒸汽溫度也接近140℃,鍋爐中的水溫也與蒸汽溫度一樣也是140℃。煤氣爐的火頭溫度可達(dá)1000℃左右,火頭將熱量傳遞給水,使水的溫度上升直達(dá)沸點,一公斤水從沸點到燒干(全部變成蒸汽),將從煤氣火頭中帶走的熱量與上面所講水壺給鋼板降溫是一樣的,接近壺底的火焰是一個降溫過程。鍋爐中的煤燃燒溫度在1200℃左右,沒有鍋爐中水的降溫,鍋爐中的排管將被燒塌。從我們的角度來講,在這里的水就是制冷劑。反過來水蒸汽進(jìn)了浴室馬上凝結(jié)成小水珠(霧氣),放出熱量使浴室內(nèi)溫度上升,同樣一公斤水燒成的一公斤蒸汽,汽在浴室里放出539大卡熱量后全部變成水,在蒸汽變成水的時候,小水珠的溫度是100℃,這是一個冷凝過程。當(dāng)然小水珠會繼續(xù)放出熱量而降低溫度,等水珠變成水滴落到地上或附在墻壁上時,只有30℃左右了,這就不是冷凝過程了,而只是普通降溫過程。同樣將鍋爐蒸汽通到室內(nèi)熱水汀(室內(nèi)供熱排管)中,熱水汀對蒸汽來說就成了冷凝器,如果供應(yīng)的蒸汽壓力是1Kg/CM2表壓力(實際是2個大氣壓),熱水汀表面溫度就是110℃,熱水汀向室內(nèi)空氣散發(fā)熱量,使室內(nèi)溫度上升,而蒸汽就在熱水汀內(nèi)冷凝成水,如果向室內(nèi)散發(fā)了539大卡熱量,熱水汀內(nèi)就冷凝下來1公斤水。按制冷角度來講,這整個過程就是煤燃燒的熱量被水吸收而沸騰,成為蒸汽,蒸汽帶著吸收來的熱量來到熱水汀,熱水汀的表面向空氣散發(fā)了熱量,蒸汽失去熱量后又從新冷凝成蒸餾水,這水可通過設(shè)備回到鍋爐繼續(xù)使用。
現(xiàn)在回到制冷的四大要件:
①壓縮機(jī),與空氣壓縮機(jī)原理一樣;
②冷凝器,可以理解為熱水汀或做酒業(yè)的蒸餾器(錫鍋);
③蒸發(fā)器,可以理解為上面所講的水壺或鍋爐;
④節(jié)流閥,可以理解為從樓上高位的熱水汀到鍋爐之間,加一只閥,開小一點,讓蒸餾下來的水流進(jìn)鍋爐繼續(xù)使用,不讓熱水汀中的水流光了使鍋爐中的蒸汽反沖回?zé)崴?,這一點與我們制冷不同,因為整個系統(tǒng)是均壓的,而制冷系統(tǒng)冷凝部分是高壓的,節(jié)流閥是控制制冷劑合理分配給蒸發(fā)器,讓蒸發(fā)器處于正常的制冷工作狀態(tài)。
在電冰箱上制冷的四大要件是:
①壓縮機(jī),藏在冰箱后面,圓頭圓腦的家伙;
②冷凝器,就是在冰箱后面的散熱片;
③蒸發(fā)器,在初期的單門冰箱中的凍結(jié)框,可以看得很清楚,拆開無霜冰箱的內(nèi)襯也能看到冷風(fēng)機(jī)一樣的翅片管;
④節(jié)流閥,在冰箱后面有一段繞成螺旋狀的細(xì)銅管,那就是毛細(xì)管。冰箱的外殼就相當(dāng)與冷庫外體。
在制冷行業(yè)中,制冷劑可以是水、氨、F12、F22、F502、液氮等等。空調(diào)用溴化鋰吸收式制冷機(jī),就是以水作為制冷劑使用。電冰箱中使用的是F12,在大冷庫的制冷系統(tǒng)中用的是液態(tài)氨(不是氨水),液態(tài)氨的性質(zhì)在氨的物理性能表上可以查到,它在一個大氣壓下的蒸發(fā)溫度是-33.3℃。如果將液氨從常溫的鋼瓶中放出,一出鋼瓶它立即變?yōu)椋?3.3℃的液氨(因為外界是一個大氣壓),如果流到水泥地上,水泥地的溫度立刻使它沸騰,這是水泥地的熱量傳給了液氨,使液氨蒸發(fā)成汽態(tài)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,要使液氨全部蒸發(fā)光,他必需從水泥地上吸收326大卡熱量,吸收多少,蒸發(fā)多少,吸不足326大卡熱量,就一定有液氨殘留下來。如果將液氨放在一個金屬盆里,再將金屬盆底接觸水面,水的熱量立刻傳給液氨,液氨受熱沸騰,水也很快結(jié)冰;如果將盆懸掛在空中,盆底周圍的空氣立即因熱量傳給了液氨而失去熱量而降溫,降了溫的空氣在下降,周圍熱空氣立即來補充,在盆下面可以看到帶著霧的冷空氣在緩緩降下。這個盆就是‘蒸發(fā)器’。至于蒸餾器,有人看過,有人沒看過,但是大家都看過茶缸蓋凝結(jié)水的現(xiàn)象,或者農(nóng)村吊酒的錫鍋,原理是一樣的。缸蓋里面是熱騰騰的水蒸汽,缸蓋外是冷空氣,水蒸汽通過缸蓋將熱量傳遞給了冷空氣,失去了一定熱量的水蒸汽,在缸蓋里表面凝結(jié)成水,這就是冷凝器的原理,上面講的熱水汀也是同樣原理?,F(xiàn)在講庫房里的制冷進(jìn)行過程:液態(tài)氨在蒸發(fā)器(排管)中如果處于0.3Kg/CM2表壓力狀態(tài)(應(yīng)該是0.03Mpa表壓力,出于習(xí)慣的方便,還是用Kg/CM2),它的沸騰溫度應(yīng)該是-28℃;而蒸發(fā)器外是-18℃的冷庫,如果有高于-18℃的商品進(jìn)庫,商品中的熱量很快傳給了空氣,使空氣溫度上升到比如-15℃,-15℃的空氣又將從商品中傳來的熱量傳給了-28℃的液氨,液氨吸收了熱量溫度不會上升,而是沸騰蒸發(fā)為氣體(氨蒸汽),這樣空氣來來回回的傳送,商品中的熱量逐步減少,溫度逐步降低,*后降到-18℃,制冷就可以結(jié)束了,這是蒸發(fā)器的工作任務(wù),庫內(nèi)
空氣向蒸發(fā)器傳遞多少熱量,蒸發(fā)器內(nèi)的液氨就蒸發(fā)掉相應(yīng)的重量。當(dāng)然除了商品中的熱量外,還有外界氣溫中的熱量通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳進(jìn)來的熱量,開門時空氣帶進(jìn)的熱量,使庫溫不時的上升,所以需要定時開機(jī)降溫。
但是如果沒有壓縮機(jī)的參與,蒸發(fā)器的工作是不能持久的,因為液氨受熱蒸發(fā)成為氨蒸汽,氨蒸汽逐步擠占蒸發(fā)器的空間,蒸發(fā)器中的壓力也就逐步升高,壓力升高,液氨的沸騰溫度就會上升,*后壓力升到1Kg/CM2表壓力時,溫度也上升到-18℃左右,液氨與冷庫的溫度相同,由于溫度平衡,熱量就無法向液氨傳遞了,制冷也就停止了。壓縮機(jī)的任務(wù)就是要把蒸發(fā)器中產(chǎn)生的氨蒸汽抽走,使蒸發(fā)器中的壓力一直保持在我們生產(chǎn)需要的0.3Kg/CM2表壓力狀態(tài)。這時候蒸發(fā)器中的壓力叫蒸發(fā)壓力,蒸發(fā)器中的液氨溫度叫蒸發(fā)溫度。壓縮機(jī)抽出的氨蒸汽并不是排到大氣中去的,而是排到冷凝器中,氨蒸汽被壓縮到冷凝器后,冷凝器的壓力會逐步升高,而后就是冷凝器的任務(wù)了。我們知道氨蒸汽是帶著冷庫中的熱量的,氨蒸汽被壓縮機(jī)從蒸發(fā)器抽出,而后壓縮到冷凝器中,那么壓縮機(jī)就完成了輸送熱量的任務(wù)?,F(xiàn)在氨蒸汽被聚集在冷凝器中(帶著大量冷庫中的熱量),壓力不斷升高,溫度也隨著壓力的升高而升高,比如說壓力升高到表壓力14Kg/CM2,溫度也就對應(yīng)升到+39℃,如果在冷凝器管外供給+34℃的冷卻水,那冷凝器中的氨蒸汽就會向水傳送出熱量,每向冷卻水送出264大卡熱量,冷凝器中就有一公斤重的氨蒸汽凝結(jié)成液態(tài)氨,并讓出原來氨蒸汽占領(lǐng)的大部分空間來。如果熱量沒有出路,那冷凝器中的壓力就繼續(xù)升高,到冷凝器爆炸或跳**閥為止。但是實際上壓縮機(jī)的排出溫度,在表壓力14公斤/平方公分時,不是+39℃,而是+100℃以上。這是因為電動機(jī)帶動壓縮機(jī)的活塞對氨蒸汽進(jìn)行壓縮時做的功,轉(zhuǎn)換成熱量的緣故,也即熱功當(dāng)量,這可以在我們給自行車打氣時,打氣筒底部和皮管會發(fā)燙的原理是一樣的。壓縮機(jī)對氨蒸汽做了1KW的功,就對氨蒸汽附加了860大卡的熱量,這一部分熱量是顯熱,它加熱了氨蒸汽,使氨蒸汽溫度上升,這種熱量傳送給冷卻水后,不會被冷卻水冷凝成液氨,只會降低溫度,只有當(dāng)氨蒸汽溫度降到+39℃時,才進(jìn)行真正的冷凝工作,在冷凝工作連續(xù)進(jìn)行時,只要壓力不變,溫度也不會改變。這時的溫度叫冷凝溫度,這時的壓力叫冷凝壓力。這就是冷凝器的工作任務(wù)。冷凝器中冷凝下來的液氨,可以送到蒸發(fā)器中繼續(xù)使用,但必需用節(jié)流閥進(jìn)行控制,要不冷凝器中的來不及冷凝的氨蒸汽會竄到蒸發(fā)器中,那就亂套了。節(jié)流閥必需調(diào)節(jié)到蒸發(fā)器中有確當(dāng)?shù)囊喊毖a充,這就是節(jié)流閥的工作任務(wù)。
總結(jié)一下:首先液態(tài)氨在蒸發(fā)器中吸收了制冷對象的熱量,蒸發(fā)成氨蒸汽;氨蒸汽包含著吸收來的熱量被壓縮機(jī)抽送到冷凝器,并壓縮成高壓、高溫的氨蒸汽,這時候氨蒸汽中又加進(jìn)了電動機(jī)的熱功當(dāng)量所附加的熱量;冷凝器中的氨蒸汽,將熱量傳送給溫度較低的冷卻水,失去熱量的氨蒸汽被冷凝成為液態(tài)氨;節(jié)流閥將冷凝下來的液氨再有節(jié)制的補充給蒸發(fā)器,使蒸發(fā)器能夠連續(xù)地工作;整個工作過程就是將低于-18℃的制冷對象中的熱量,強(qiáng)制送到+30多℃的冷卻水中去,使制冷對象失去熱量,溫度降到我們所需要的-18℃;而冷卻水吸收了熱量后,又通過水蒸汽的蒸發(fā),將熱量傳送給了大氣,或者說是風(fēng)將熱量吹走了。