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1、浅谈冰箱工作原理及节能摘 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。关键字：制冷，工作原理目 录第1章引言1第2章制冷典型方法介绍2第3章制冷机3第4章冰箱的工作原理4第5章如何实现冰箱节能5参考文献6第1章 引言1.1 冷冻不仅仅用于食物保鲜。美国有5家专业公司专门从事在-200条件下保存逝者遗体的业务。许多人生前都怀有一种希望，这就是有朝一日在某种药物的帮助下能重新复活。选择在液氮中长眠的第一人是心理学家詹姆斯贝德福德，他于1967年73岁时被癌症夺去了生
2、命，从那时起有几十人仿效他的做法，而别外成千上万的人则签订了死后“冷藏”的合同。这些遗体在储藏时头部朝下，这样一旦自动化的控制系统失灵，可以使头部成为最后被解冻的部分。1.2 与普通人的感觉完全不同，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）。1.3 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（主要是二氯二氟甲烷），它储存在冰箱的专用容器中。当冰箱开始运转时，电动机带
3、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（约为10几个大气压）的蒸气。1.4 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。1.5 由于在蒸发器中压力急剧降低，氟利昂
4、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。1.6 上述过程完成之后，制冷剂氟利昂气体又“整装待发”，以便重新被压缩机“吸收”，从而开始下一个循环过程。1.7 由于氟利昂会破坏臭氧层，现在已经被逐渐淘汰，改用其他的制冷剂，但它们制冷的原理是一样的。1.8 冰箱主要有两种类型。一种是像家用冰箱那样的立式冰箱，另一种是通常为商店采用的柜式冰箱即冰柜。柜式冰箱用起来不太方便，但比前一种效率更高。事实上，每次打开家用冰箱的门时，由于冷空气比重大，大量冷空气会向下流动并
5、被热空气替代。但这种现象是不会在柜式冰箱上发生的，而且柜式冰箱的优点还在于它很少有除霜的必要。第2章 制冷典型方法介绍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。它不需要工质来实现能量的转移、没有任何机械运动部件。但热电制冷的效率很低
6、，半导体器件的价格又很高，而且必须使用直流电源，因此变压整流装置往往不可避免，增加了电堆以外的附加体积，故热电制冷不宜大规模使用，但由于它的灵活性强，使用方便可靠，非常适合于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场合。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。与传统的蒸汽压缩式制冷相比，它没有压缩机，不 用氟里昂，循环效率高，低噪音，对大气没有污染，环境保护和节能优势十分明显。 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
7、、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。第3章 制冷机制冷机是按照制冷循环工作的机器。制冷机的作
8、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Q_2，在向高温热源放出热量Q_1。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=Q_2/A由热力学第一定律，有A+Q_2=Q_1。因此制冷系数可以表示为e=Q_2/(Q_1-Q_2 )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
9、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。第4章 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
10、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
11、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。第5章 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Q_2相对于压缩机对气体做的功较多时，即
12、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=T_2/(T_1-T_2 )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=T_2/(T_1-T_2 )=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=T_2/(T_1-T_2 )=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、
13、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。参考文献1芶秉聪.胡海云大学物理北京：国防工业出版社2曹昌祺. 电动力学M . 第2 版. 北京:人民教育出版社3王昌贵.大学物理实验 机械工业出版社.1998.6
