根據(jù)熱力學(xué)第二定律,熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體,而制冷則是一個(gè)逆向過程,需要借助外力,通過消耗能量(如電能、熱能等),將室內(nèi)的低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)移到室外高溫環(huán)境中。
典型的壓縮式制冷循環(huán)包含蒸發(fā)、壓縮、冷凝、膨脹四個(gè)關(guān)鍵過程,它們相互配合,共同完成熱量的轉(zhuǎn)移。
一、蒸發(fā)過程:從低溫環(huán)境吸熱
在蒸發(fā)器中,液態(tài)制冷劑在低溫低壓狀態(tài)下吸熱蒸發(fā),吸收周圍環(huán)境(即低溫區(qū)域)的熱量,逐漸汽化為氣態(tài)。
這一過程就像在炎熱的夏天,我們用酒精擦拭身體,酒精吸收身體的熱量蒸發(fā),讓我們感覺涼爽。蒸發(fā)器也是通過蒸發(fā)吸收低溫環(huán)境(室內(nèi)空氣或冷凍水)中的熱量,使周圍環(huán)境溫度降低,從而制冷。
蒸發(fā)過程吸收的主要是潛熱,制冷劑在相變過程中吸收熱量,其內(nèi)能增加,而壓力和溫度保持不變。
蒸發(fā)過程中,液態(tài)制冷劑處于低溫低壓狀態(tài),能夠從周圍低溫環(huán)境中吸熱蒸發(fā),吸收的熱量隨后通過壓縮和冷凝過程排放到高溫環(huán)境中。
二、壓縮過程:提壓升溫,“逆向”的關(guān)鍵
氣態(tài)制冷劑從蒸發(fā)器流出后,進(jìn)入壓縮機(jī)。壓縮機(jī)消耗電能對制冷劑氣體進(jìn)行壓縮,使其壓力和溫度升高,變成高溫高壓的氣體。
這就像用打氣筒給自行車輪胎打氣,壓縮時(shí)氣體的壓力和溫度都會(huì)升高。壓縮機(jī)也是通過壓縮做功,提升制冷劑的壓力和溫度,從而驅(qū)動(dòng)制冷劑的循環(huán)。
壓縮過程是一個(gè)絕熱壓縮過程(理想情況下),壓縮后制冷劑的內(nèi)能增加,溫度和壓力也隨之升高。
壓縮過程提高了制冷劑的壓力,使其達(dá)到冷凝器所需的壓力,同時(shí)增加了溫度,使制冷劑溫度高于周圍環(huán)境溫度,為冷凝過程提供排熱條件。
三、冷凝過程:向高溫環(huán)境排熱
高溫高壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器后,與周圍環(huán)境(即高溫區(qū)域)進(jìn)行熱交換。由于制冷劑的溫度高于周圍環(huán)境,它會(huì)將熱量釋放給周圍環(huán)境,自身則從氣態(tài)逐漸冷凝為液態(tài)。
這一過程就像燒開的水壺,噴出的蒸汽遇到周圍較冷的空氣會(huì)凝結(jié)成水滴。冷凝器也是通過制冷劑蒸汽向周圍環(huán)境(如室外空氣或冷卻水)釋放熱量,自身冷凝為液態(tài)。
冷凝過程釋放的熱量主要是潛熱,即制冷劑在相變過程中釋放熱量,制冷劑的內(nèi)能減少,壓力和溫度保持不變。
冷凝過程將制冷劑在蒸發(fā)過程中吸收的熱量釋放到周圍環(huán)境中(還包括壓縮機(jī)做功轉(zhuǎn)化的熱量),從而實(shí)現(xiàn)熱量從低溫向高溫環(huán)境的轉(zhuǎn)移。
四、膨脹過程:降壓降溫,為“吸熱”準(zhǔn)備
高溫高壓的液態(tài)制冷劑從冷凝器流出后,流經(jīng)毛細(xì)管、膨脹閥等節(jié)流裝置,節(jié)流降壓為低溫低壓的液態(tài)制冷劑。
節(jié)流后,制冷劑的壓力和溫度顯著降低,但其焓值基本保持不變(理想情況下)。節(jié)流過程是一個(gè)絕熱膨脹過程,制冷劑的內(nèi)能減少,溫度和壓力也隨之降低。
節(jié)流過程降低了制冷劑壓力,使其降到蒸發(fā)器所需的壓力,同時(shí)降低制冷劑溫度,使其低于周圍環(huán)境溫度,為后續(xù)的蒸發(fā)過程提供吸熱條件。
五、制冷過程總結(jié):循環(huán)往復(fù)的熱量轉(zhuǎn)移
制冷循環(huán)的四個(gè)過程相互配合,形成一個(gè)完整的制冷循環(huán):
蒸發(fā)過程在低壓下從外部低溫環(huán)境吸收熱量,實(shí)現(xiàn)對外部的制冷。
壓縮過程提高壓力和溫度,為后續(xù)的冷凝提供了排熱條件,同時(shí)升壓驅(qū)動(dòng)了制冷循環(huán)。
冷凝過程在高壓下向外部高溫環(huán)境釋放熱量,實(shí)現(xiàn)熱量從低溫到高溫的轉(zhuǎn)移。
膨脹過程降低壓力和溫度,為后續(xù)的蒸發(fā)提供了吸熱條件,對應(yīng)壓縮升壓也維持了制冷循環(huán)。
通過這四個(gè)過程的循環(huán)往復(fù),制冷系統(tǒng)不斷地吸收和釋放熱量,從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)制冷。

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