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冰箱的工作原理及如何实现冰箱节能

杨希

班级：03031402

学号：1120140648 摘要：本文通过制冷循环引入冰箱，通过介绍几种不同冰箱及其工作原理从本质上理解制冷循环和逆卡诺循环。并通过对原理的探讨来寻找冰箱节能的方法途径。

关键词：逆卡诺循环、制冷循坏、制冷系数

一、引言

制冷循环由压缩过程、冷凝过程、膨胀过程、蒸发过程组成。就是利用有限的制冷剂在封闭的制冷系统中，反复地将制冷剂压缩、冷凝、膨胀、蒸发，不断的在蒸发器处吸热汽化，进行制冷降温。

实际中常见的使用制冷循环的制冷机有冰箱和空调等，本文重点对冰箱中的制冷循环进行研究。

二、冰箱的分类

冰箱按原理分类可分为如下九种：

(1)压缩式电冰箱：该种电冰箱由电动机提供机械能，通过压缩机对制冷系统作功。制冷系统利用低沸点的制冷剂，蒸发时，吸收汽化热的原理制成的。其优点是寿命长，使用方便，目前世界上91～95的电冰箱属于这一类。

(2)吸收式电冰箱：该种电冰箱可以利用热源(如煤气、煤油、电等)作为动力。利用氨-水-氢混合溶液在连续吸收-扩散过程中达到制冷的目的。其缺点是效率低，降温慢，现已逐渐被淘汰。

(3)半导体电冰箱：它是利用对PN型半导体，通以直流电，在结点上产生珀尔帖效应的原理来实现制冷的电冰箱。

(4)化学冰箱：它是利用某些化学物质溶解于水时强烈吸热而获得制冷效果的冰箱。

(5)电磁振动式冰箱：它是用电磁振动机作本动力来驱动压缩机的冰箱。其原理、结构与压缩式电冰箱基本相同。

(6)太阳能电冰箱：它是利用太阳能作为制冷能源的电冰箱。(7)绝热去磁制冷电冰箱。(8)辐射制冷电冰箱。(9)固体制冷电冰箱。

三、一般冰箱的基本工作原理

1、压缩机压缩制冷剂气体。这将升高制冷剂的压力和温度（橙色），而冰箱外部的热交换线圈帮助制冷剂散发加压产生的热量。

2、当制冷剂冷却时，制冷剂液化成液体形式（紫色），并流经安全阀。

3、当制冷剂流经安全阀时，液态制冷剂从高压区流向低压区，因此它会膨胀并蒸发（浅蓝色）。在蒸发过程中，它会吸收热量，发挥制冷效果。

4、冰箱内的线圈帮助制冷剂吸收热量，使冰箱内部保持低温。然后，重复该循环。

冰箱保持低温的原理：

1、压缩机压缩氨气。对气体（橙色）加压时，压缩气体会发热。

2、冰箱背面的线圈使热氨气散发热量。氨气在高压条件下液化为液态氨（深蓝色）。

3、高压液态氨流经安全阀，可以把安全阀想象成一个小孔。孔的一侧是高压液态氨。孔的另一侧是低压区（因为压缩机从该侧吸入气体）。

4、液态氨会立即沸腾并蒸发（浅蓝色），温度降至-32.78摄氏度。这使冰箱内部保持低温。压缩机抽吸冷氨气，不断重复该循环。

四、具体分析

上述冰箱的制冷循环，可通过理想气体的卡诺循环的逆循环来进行研究。

这里需引入一个重要概念，即制冷系数。制冷系数等于工质经过一个循环从低温热源吸收的热量（Q2）与外界对工质做功（A）的比值，工程上也称之为制冷装置的工作性能系数，用符号COP表示。这里我们用e表示制冷系数，则

e = Q2/A

又由热力学第一定律 A+Q2=Q1，得：

e=Q2/(Q1-Q2)根据卡诺循环：

e = T2/(T1-T2)而实际中，逆卡诺循环是无法实现的，这一制冷系数也是工作在温度为T1和T2的热源之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。

五、冰箱的节能方法

1、增加电冰箱发泡层厚度，普通冰箱冷藏室发泡层厚度为35mm至45mm，冷冻室厚度为60mm至 80mm。节能冰箱为了减少冷量向外界的辐射，将冷藏室的发泡层厚度增加为55mm至65mm，冷冻室发泡层厚度增加为85mm至100mm甚至120mm。

2、采用机械式温控器，单循环制冷系统机械式温控器、单循环制冷系统的电冰箱没有电脑板、电磁阀等 耗电部件，同时采用单循环制冷系统的冰箱压缩机开停只受冷藏室温度控制，相比双循环制冷系统的冰箱，开机时间短，较为省电。

3、采用高效无氟压缩机 高效无氟R600a压缩机在冰箱上已经广泛使用，其能源效率值（COP）能达到 1.75，是冰箱节能的最主要手段。

4、远离热源，保持空隙，冰箱周围的温度每提高5℃，其内部就要增加25％的耗电量。因此，应尽可能放置在远离热源处，以通风背阴的地方为好。热食不要直接放进冰箱，达到室温时再放入。

5、开门忌频繁，如果开门过于频繁，一方面会使电冰箱的耗电量明显增加，同时也会降低电冰箱的使用寿命。由于电冰箱的箱门较大，如果开门次数较多，箱内的冷气外逸，箱外的暖湿空气乘机而入，就会使箱内温度上升。同时，进入箱内的潮湿空气容易使蒸发器表面结霜加快，结霜层增厚。由于霜的导热系数比蒸发器材料的导热系数要小得多，不利于热传导，造成箱内温度下降缓慢，压缩机工作时间增长，磨损加快，耗电量增加。若蒸发器表面结霜层厚度大于10毫米时，则传热效率将下降30％以上，造成制冷效率大幅降低。另外，当打开箱门的同时，箱内照明灯就开启，既消耗电能又散发热量，显然也是不利于节能的。

参考文献：

1、中国百科网

2、《大学物理》国防工业出版社

3、马剑《冰箱的节能技术发展与应用》