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离心机学苑:冷冻离心机制冷机理解析

时间:2017-12-25 来源: 浏览次数:1166

       法国工程师Nicolas Léonard Sadi Carnot1824年在研究蒸汽机的热功转化过程效率时,总结提出了卡诺循环(Carnot cycle)原理。卡诺循环包括四个步骤: 等温吸热, 绝热膨胀,等温放热,绝热压缩。即理想气体从状态1(P1V1,T1)等温吸热到状态2(P2V2T1),再从状态2绝热膨胀到状态3(P3V3T2),此后,从状态3等温放热到状态4(P4V4T2),最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环称为卡诺循环。卡诺循环的四个具体步骤分别是:1)等温吸热,系统从高温热源中吸收热量; 2)绝热膨胀,系统对环境作功,温度降低; 3)等温放热,系统向环境中放出热量; 4)绝热压缩,系统恢复原来状态。在等温放热和绝热压缩过程中系统对环境作负功。卡诺循环可以认为是工作于两个恒温热源之间的准静态过程,其高温热源的温度为T1,低温热源的温度为T2。卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量,满足没有散热、漏气、摩擦等损耗的理想实验条件,为使过程满足准静态过程条件,工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程,同样,向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量,脱离热源后只能是绝热过程。卡诺循环分正、逆两种,正循环称卡诺热机,把热量持续不断地转化为机械功,如蒸汽机、内燃机;逆循环称卡诺制冷机,通过对系统做功,实现高低温热源之间的持续热量交换。如图1,ɑ-b-c-d-ɑ为正卡诺循环,ɑ-b为等温吸热过程,工质在温度T1下从相同温度的高温热源吸入热量Q1b-c为绝热膨胀过程,工质温度自T1降为T2c-d为等温放热过程,工质在温度T2下向相同温度的低温热源排放热量Q2d-ɑ为绝热压缩过程,工质温度自T2升高到T1,完成一个热机循环,对外作出净功W(内燃机做功)。逆卡诺循环与上述正向循环反向,沿ɑ-d-c-b-ɑ方向,因而Q2是工质从低温热源吸入的热量(通称制冷量)Q1是工质排放给高温热源的热量,W是完成逆向循环所需的外界输入的净功(压缩机做功)。正卡诺循环的热力学指标用卡诺循环热效率ηt表示,逆卡诺循环的热力学指标用卡诺制冷系数ε表示(制冷系统)或用卡诺供暖系数ε′表示(热泵系统)。根据热力学第二定律,在相同的高、低温热源温度T1T2之间工作的所有热循环中,以卡诺循环的热效率为最高,称为卡诺定理。卡诺循环具有重要的理论和实际意义。虽然完全按照卡诺循环理想条件工作的装置是难以实现的,但是卡诺循环却为提高应用卡诺循环原理设计的热机和制冷机优化循环热效率指明了方向,并给出了热效率的理论极限值。


1卡诺循环示意图

   现代商用的制冷系统和热泵系统都是采用逆卡诺循环原理的卡诺制冷机系统,图2阐释了单级蒸汽压缩制冷循环系统的制冷机理。单级蒸压缩制冷系统,由蒸发器、制冷压缩机、冷凝器和节流阀四个基本部件组成。它们之间用钎焊依次连接制成循环管道,形成一个密封的制冷系统,充注入压缩机中的制冷剂在系统中不断地循环流动,发生气态和液态的状态转化,与外界进行热量交换。制冷压缩机吸收来自蒸发器的制冷剂蒸汽,提高压力后将高温高压蒸汽输送到冷凝器,使制冷剂在系统中循环流动。可用于制冷系统和热泵系统。制冷系统从被冷却介质吸热,向环境介质放热,蒸发温度低于被冷却介质温度,冷凝温度高于环境介质温度。热泵系统从大气吸热,向需要温度较高的区域供热,蒸发温度低于大气温度,冷凝温度高于供热区温度。但压缩机在制冷系统和热泵系统中发挥的功能毫无差别。


2 单级蒸汽压缩制冷循环装置示意图

     如图2所示,蒸气压缩式制冷循环可概括为四个过程:(1))绝热膨胀节流过程:经压缩冷凝的制冷剂经过毛细管膨胀阀绝热节流,降压降温至湿蒸汽状态;(2))等温吸热蒸发过程:湿蒸汽状态的制冷剂进入蒸发器(冷冻室),进行定压蒸发汽化,吸收待冷却的物体热量,形成干饱和蒸汽状态;(3)绝热压缩过程:从蒸发器出来的制冷剂干饱和蒸汽被吸入压缩机进行压缩,升压升温至过热蒸汽状态;(4)等温放热冷凝过程:过热蒸汽状态的制冷剂进入冷凝器,进行定压放热,制冷剂凝结为液体状态;从冷凝器出来的制冷剂液体再经过毛细管膨胀阀节流降压至湿蒸汽状态进入蒸发器(冷冻室)吸热,不断进行以上四个过程的制冷循环,从而达到连续制冷的目的,将冷冻室中的热量不断传递到外部环境中,保持冷冻室获得低于环境温度的制冷温度。

制冷压缩机是制冷系统的“心脏”,制冷剂是制冷系统中不断循环的“血液”,压缩机按照制冷剂压缩型式分为速度式和容积式两种,大型冷库和中央空调系统普遍采用速度式的离心压缩机,小型工业产品所用的制冷压缩机则基本上都是容积式的。实验室冷冻离心机采用的制冷压缩机属于全封闭容积式活塞往复型小功率低温压缩机,由于制冷系统中的制冷剂是不容许泄漏的,因此系统中凡与制冷剂接触的部件都应绝对密封。全封闭式压缩机将压缩机构和电机驱动机构组装在一个密闭的薄壁机壳中。使用时只要焊接管路,与冷凝器、毛细管节流阀、蒸发器形成密封系统,然后抽真空,充注入合适的制冷剂,就可以形成制冷系统。图3为全封闭式容积型活塞往复压缩机的示意图

3 全封闭式容积型活塞往复压缩机结构示意图

由前述的制冷机理,我们可以看到制冷剂是制冷系统中传导热量的媒介,制冷剂本身的热力学性能,直接影响制冷系统的制冷效果。制冷剂根据分子结构,可分为无机化合物制冷剂和有机化合物制冷剂。常用的无机制冷剂包括氨(R717)、水(R718)、二氧化碳(R744),常用的有机制冷剂包括卤代烃- (R12) R22)(R134a);烷烃烯烃类化合物-甲烷(R50)、乙烷(R170)、丙烷(R290)、乙烯(R1150)、丙烯(1270)、正丁烷(R600)、异丁烷(R600a);共沸和非共沸有机混合制冷剂(R400)、(R500)。

选用制冷剂时,应考虑制冷剂的热力学性能,经济实用性和安全性,以及环境友好性。从制冷性能考虑,要求制冷剂的冷凝压力不能太高,蒸发压力处于大气压以上或不比大气压低太多的适中值,排气温度不能太高,单位容积制冷量大,流动循环阻力小,传热性好;从实用性考虑,制冷剂需要具备优良的化学稳定性和热稳定性,在制冷循环过程中不分解,不变质,无毒,无害,来源广,价格便宜;从环境友好性考虑,应满足保护大气臭氧层和减少温室效应的环境保护要求,制冷剂的ODPOzone Depletion Potential)臭氧破坏指数必须为0GWPGlobal Warming Potential)温室效应指数应尽可能小。R12因为其环境破坏性已被禁止使用,R134a是目前应用比较广泛的环保型卤代烃制冷剂。

湖南湘立科学仪器有限公司生产的冷冻离心机,采用进口优质制冷压缩机,由具备多年制冷系统钎焊加工经验的工匠精心制作,使用符合环保要求的环境友好型制冷剂。全面满足实验室离心机客户安全可靠、经济实用、可持续发展的制冷应用需求。

(文:湖南湘立科学仪器有限公司 市场与产品管理部)

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