冷却机

关于制冷机的文章

冰箱本质上是一个反向运转的热机。热机从低温区域吸收热量,并将其释放到高温区域。为了实现这一过程,热机必须做功。然而,热量自然地只能从高温区域流向低温区域,它不能自发地从低温区域流向高温区域。这与之前讨论过的克劳修斯定理相符。对于冰箱中发生的这一过程,之前的克劳修斯定理可以表述如下:

制冷机(循环工作)不可能在不做功的情况下将热量从低温处转移到高温处(热力学第二定律——克劳修斯表述)。

斜体字部分是对热力学第二定律的特殊表述。该表述仅适用于制冷机。能量形式的改变和转移的过程称为能量的转移。能量 冷却机 1冷却机的外观如下图所示。

机器做功(W)将热量从低温处(Q L)吸收并释放到高温处(Q H)。根据能量守恒定律,可以得出结论:Q L + W = Q H。

如果说热机领域使用“效率”一词,那么制冷机领域则使用“性能系数 (KK)”一词。制冷机的性能系数 (KK) 是指从低温区域传递的热量 (QL) 与传递该热量所做的功 (W) 之比。其数学表达式如下:

冷却机 2

如果要用百分比表示制冷机的性能系数,只需将此公式乘以 100% 即可。理想制冷机的性能系数(制冷机的卡诺性能系数):

冷却机 3

我们常用的制冷设备有好几种,包括冰箱、空调和热泵。

冰箱

冷凝器负责将蒸汽转化为液体,压缩机负责压缩空气。冷却盘管通常位于冰箱内部,而冷凝盘管则位于冰箱外部(冰箱背面)。

盘管内部是一种处于相平衡状态(以液态和气态存在)的流体。这种流体被称为制冷剂。过去常用的制冷剂是氟利昂。由于氟利昂的释放会破坏臭氧层,因此现在已不再使用。

压缩机电机(由电力驱动)吸入制冷剂(气态),并对其进行绝热压缩。由于绝热压缩,制冷剂蒸汽的温度升高。随着温度升高,蒸汽的压力也随之升高。压缩机(高温)和冷凝器(低温)之间的温差使得高温高压的制冷剂蒸汽流经位于冰箱后部的冷凝器盘管。

蒸汽的温度高于周围空气的温度,因此当它流经冷凝器盘管时,会向周围空气释放热量。由于被冷凝器冷凝,蒸汽冷却并变成液体。当它流经膨胀阀时,变成液体的制冷剂发生绝热膨胀。绝热膨胀导致液体温度降低。低温液体流入冰箱内部的盘管。由于盘管内的液体温度低于冰箱内的空气温度,液体会吸收热量,直到制冷剂汽化(液体在冰箱内吸收热量)。汽化的制冷剂被压缩机吸入并进行绝热压缩。如此循环往复……(这个过程不断重复)。由于冰箱内的热量传递给盘管内的液体,冰箱温度就会降低。

空调

尽管空调和冰箱的设计不同,但它们的基本工作原理相似。这里,冰箱指的是房间。通常,冷却盘管位于房间内部,而冷凝盘管位于房间外部。冷凝盘管后面是风扇。风扇的作用是调节空气循环,吹动冷凝盘管,从而加速冷凝盘管与周围空气之间的热传递。相反,冷却盘管后面是鼓风机,也称为送风机。它的功能与风扇类似。风扇将冷凝盘管吹向室外,将热量传递给周围空气,而送风机则将冷却盘管吹向室内,将冷空气输送到整个房间。

热泵

热泵通常用于寒冷的冬季。热泵的工作原理与冰箱类似。不同之处在于,冰箱是用来制冷的,而热泵是用来制热的。冰箱通过吸收室内的热量(QL )并将其释放到室外(QH )来做功,而热泵则从室外吸收热量(QL )并将其释放到室内(QH )。增加的热量使房间变暖。夏季来临时,热泵可以反转,作为空调(AC)运行。

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