有點羅嗦的制冷原理

最簡單的制冷由四大要件組成：①壓縮機；②冷凝器 , ③蒸發器, ④節流閥.我們日常使用的電冰箱，正好由這四要件加上箱體組成，箱體就好像冷庫。不過電冰箱上的節流閥在技術上由相同作用的毛細管替代。
首先講講什么叫制冷。制冷兩字只能說是技術上的術語，嚴格講是錯誤的，世界上沒有那國的科學家能制造出“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，在物理學中沒有冷的定義。在工程中冷是跟著生產需要而定的。如老總問，冷庫打冷了嗎？你說打冷了，這個冷是指－18℃；老總問，水果庫溫度穩定嗎？你說很穩定，這回答的含義是水果庫溫度穩定在±0 ℃了，這是我們這個行業對冷的定義。但是我們還是把這種利用機械設備把降溫對象降到所需溫度的方法叫制冷，這就是術語。 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，是可以精確計算出來的。在這里所述及到的‘熱量’、‘溫度’、‘大卡’、‘℃’等物理量，我想學過物理的人都能理解。初中物理就講到，熱量總是通過傳導、對流、輻射，從溫度高的物體轉移到溫度低的物體，絕不可能反過來進行。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，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，達到降低商品溫度的目的。我們的制冷系統與鍋爐的制熱系統在熱力學上來講是完全一樣的，它們的熱傳導公式也完全一樣，我們先以鍋爐作比擬，進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，溫度可達到 110℃，因為高壓鍋排氣閥的重量，剛好使鍋內壓力保持在1 Kg/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1000℃左右，火頭將熱量傳遞給水，使水的溫度上升直達沸點，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。反過來水蒸汽進了浴室馬上凝結成小水珠（霧氣），放出熱量使浴室內溫度上升，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。當然小水珠會繼續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熱水（室內供熱排管）中，熱水汀對蒸汽來說就成了冷凝器，如果供應的蒸汽壓力是1 Kg/CM2表壓力（實際是2個大氣壓），熱水汀表面溫度就是110℃，熱水汀向室內空氣散發熱量，使室內溫度上升，而蒸汽就在熱水汀內冷凝成水，如果向室內散發了539大卡熱量，熱水汀內就冷凝下來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，這水可通過設備回到鍋爐繼續使用。

現在回到制冷的四大要件：
①壓縮機，與空氣壓縮機原理一樣；
②冷凝器，可以理解為熱水汀或做酒業的蒸餾器（錫鍋）；
③蒸發器，可以理解為上面所講的水壺或鍋爐；
④節流閥，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鍋爐繼續使用，不讓熱水汀中的水流光了使鍋爐中的蒸汽反沖回熱水汀，這一點與我們制冷不同，因為整個系統是均壓的，而制冷系統冷凝部分是高壓的，節流閥是控制制冷劑合理分配給蒸發器，讓蒸發器處于正常的制冷工作狀態。

在電冰箱上制冷的四大要件是：
①壓縮機，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蒸發器，在初期的單門冰箱中的凍結框，可以看得很清楚，拆開無霜冰箱的內襯也能看到冷風機一樣的翅片管；
④節流閥，在冰箱后面有一段繞成螺旋狀的細銅管，那就是毛細管。冰箱的外殼就相當與冷庫外體。

在制冷行業中，制冷劑可以是水、氨、F12、F22、F502、液氮等等。空調用溴化鋰吸收式制冷機，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中用的是液態氨（不是氨水），液態氨的性質在氨的物理性能表上可以查到，它在一個大氣壓下的蒸發溫度是－33.3℃。如果將液氨從常溫的鋼瓶中放出，一出鋼瓶它立即變為－33.3℃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，使液氨蒸發成汽態氨，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，要使液氨全部蒸發光，他必需從水泥地上吸收 326大卡熱量，吸收多少，蒸發多少，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水的現象，或者農村吊酒的錫鍋，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，在缸蓋里表面凝結成水，這就是冷凝器的原理，上面講的熱水汀也是同樣原理。現在講庫房里的制冷進行過程：液態氨在蒸發器（排管）中如果處于 0.3Kg/CM2表壓力狀態（應該是0.03Mpa表壓力，出于習慣的方便，還是用 Kg/CM2），它的沸騰溫度應該是－28℃；而蒸發器外是－18℃的冷庫，如果有高于－18℃的商品進庫，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，最后降到－18℃，制冷就可以結束了，這是蒸發器的工作任務，庫內空氣向蒸發器傳遞多少熱量，蒸發器內的液氨就蒸發掉相應的重量。當然除了商品中的熱量外，還有外界氣溫中的熱量通過圍護結構傳進來的熱量，開門時空氣帶進的熱量，使庫溫不時的上升，所以需要定時開機降溫。但是如果沒有壓縮機的參與，蒸發器的工作是不能持久的，因為液氨受熱蒸發成為氨蒸汽，氨蒸汽逐步擠占蒸發器的空間，蒸發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，最后壓力升到 1 Kg/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。壓縮機的任務就是要把蒸發器中產生的氨蒸汽抽走，使蒸發器中的壓力一直保持在我們生產需要的0.3 Kg/CM2表壓力狀態。這時候蒸發器中的壓力叫蒸發壓力，蒸發器中的液氨溫度叫蒸發溫度。壓縮機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，氨蒸汽被壓縮機從蒸發器抽出，而后壓縮到冷凝器中，那么壓縮機就完成了輸送熱量的任務。現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14 Kg/CM2，溫度也就對應升到＋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成液態氨，并讓出原來氨蒸汽占領的大部分空間來。如果熱量沒有出路，那冷凝器中的壓力就繼續升高，到冷凝器爆炸或跳安全閥為止。但是實際上壓縮機的排出溫度，在表壓力14公斤/平方公分時，不是＋39℃，而是＋100℃以上。這是因為電動機帶動壓縮機的活塞對氨蒸汽進行壓縮時做的功，轉換成熱量的緣故，也即熱功當量，這可以在我們給自行車打氣時，打氣筒底部和皮管會發燙的原理是一樣的。壓縮機對氨蒸汽做了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，只有當氨蒸汽溫度降到＋39℃時，才進行真正的冷凝工作，在冷凝工作連續進行時，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。冷凝器中冷凝下來的液氨，可以送到蒸發器中繼續使用，但必需用節流閥進行控制，要不冷凝器中的來不及冷凝的氨蒸汽會竄到蒸發器中，那就亂套了。節流閥必需調節到蒸發器中有確當的液氨補充，這就是節流閥的工作任務。總結一下：首先液態氨在蒸發器中吸收了制冷對象的熱量，蒸發成氨蒸汽；氨蒸汽包含著吸收來的熱量被壓縮機抽送到冷凝器，并壓縮成高壓、高溫的氨蒸汽，這時候氨蒸汽中又加進了電動機的熱功當量所附加的熱量；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氨；節流閥將冷凝下來的液氨再有節制的補充給蒸發器，使蒸發器能夠連續地工作；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，將熱量傳送給了大氣，或者說是風將熱量吹走了。這就是制冷全過程。現將幾個重要概念說明一下：
一、熱量只能從溫度高的物體向溫度低的物體傳送，絕對不會從低溫傳向高溫；

二、氨的熱力性能表是以絕對壓力為標準，壓力表上所指示的壓力（表壓力）與絕對壓力，永遠相差一個大氣壓，即絕對壓力減去1 Kg/CM2才是表壓力�，F在表上所使用的標準是Mpa，0.1Mpa近似等于1 Kg/CM2，因為一個大氣壓力等于0.10133Mpa，或者等于1.0133 Kg/CM2，那 0.133 g/CM2就忽略不計了，因為2.5級的壓力表，本來就有2.5％的允許誤差。

三、在熱量的傳遞過程中，空氣的傳熱效果較慢較差，水的傳熱較快較多，所以冷凝器大都用水來冷卻。

四、顯熱和潛熱的問題，液氨在蒸發器中受熱蒸發，由液相變為汽相，在整個蒸發過程中，它的溫度不變，這種使液相變為汽相的熱量叫潛熱；在冷凝器中氨蒸汽向冷卻水放出熱量而冷凝為液氨，這種由汽相變為液相而放出的熱量同樣叫潛熱。相
變時的溫度與壓力相對應，在熱量傳遞的相變的過程中溫度是不會變化的，壓力也不會變化。而壓縮機的熱功當量參于的熱量，只能使氨蒸汽溫度升高或降低，而不能改變其壓力的熱量叫顯熱，蒸發器出來的氨蒸汽，在回氣管道中受外界熱量的加
入而升溫，到壓縮機口已經升溫5～10℃了（氟利昂系統升溫較多），這也是顯熱。

五、關于閃發氣體，上面講到，液氨從鋼瓶中一放到大氣中，立即會降到－33.3℃，我們首先可觀察到，液氨出瓶后立即沸騰，即使外界沒有提供熱量它也沸騰，為什么？查氨的物理性能表，一公斤液氨，在一個大氣壓下的溫度是－33.3℃，它的焓
值是83.57大卡；假設鋼瓶中的液氨溫度是＋25℃，對應的絕對壓力是10 g/CM2，它的焓是 147大卡，這里相差了63.4大卡，這63.4大卡自身熱量就使液氨沸騰，蒸發掉63.4大卡熱量后，它的物理性能就平衡了，這蒸發后產生的氣體，就叫閃發氣
體，因為沸騰在液氨全體積內產生，而且速度象閃電一樣快，所以叫閃發氣體。上面的講述中冷庫溫度與蒸發溫度總是相差10℃，冷凝溫度與冷卻水溫總是相差5℃，這是我們國家制冷規范所定，它是由經濟合理的熱交換面積所決定的。