¿Cuál es el principio de refrigeración de un frigorífico?
La relación entre el calor, el frío y la temperatura
Desde un punto de vista molecular, el calor es la energía del movimiento molecular. Debido a que toda la materia está compuesta de innumerables moléculas, y estas moléculas se mueven rápida e irregularmente, la energía cinética promedio de este movimiento es también la temperatura. Cuanto más rápido se mueven las moléculas, mayor es el calor y mayor la temperatura. Por el contrario, las moléculas se mueven lentamente, el calor disminuye y la temperatura disminuye. Es como la luz que se oscurece cuando se debilita, por lo que si quieres bajar la temperatura de un objeto, sólo necesitas eliminar parte del calor que contiene.
El calor es una condición necesaria para el surgimiento y desarrollo de la vida, pero también acelera la destrucción y destrucción de la vida; el frío es un término relativo para el calor: sin calor, es frío, y sin calor, hace frío, por lo que frío generalmente se refiere a "baja temperatura". El frío dificulta la creación y el desarrollo de la vida, pero también retrasa el crecimiento y la proliferación de las células, por lo que también retrasa la destrucción y destrucción de la vida y ayuda a mantener la vida. Por tanto, los alimentos deben almacenarse "fríos".
La temperatura se utiliza para indicar con precisión el grado "frío" y "caliente" de un objeto. No es un tipo de energía térmica. Cuanto mayor es la temperatura, es decir, cuanto más rápido se mueven las moléculas en el material, mayor es la energía cinética de las propias moléculas, y cuanto más calor poseen, menor es la temperatura, menos se mueven las moléculas en el material y más; Menos energía y calor tienen las moléculas. Entonces, la temperatura solo representa la energía y el calor y el frío percibidos de cada molécula en una sustancia, no el calor de una sustancia, porque el calor de una sustancia es la suma de la energía de las moléculas. Por ejemplo, dos bloques de hierro de diferentes pesos, uno que pesa 1 kg a 60°C y otro que pesa 20 kg a 30°C, tienen una temperatura más baja pero un calor más alto que el primero.
Calor
A mediados del siglo XVIII, los experimentos realizados por el profesor escocés J. Black y su asistente J. Watt descubrieron que el calor no sólo se puede utilizar en cantidades para expresar, sino que También se puede expresar por intensidad.
El termómetro fue producto de la época y se utilizaba para indicar la intensidad del calor. En cuanto a la indicación del calor, los científicos primero establecieron una unidad básica de calor como base para la medición, es decir, se acordó que la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua en 1 °F se utilizaría como unidad de calor. , llamada Unidad Térmica Británica, abreviada como BTU. (La unidad métrica de calor es kilocaloría, que es el calor necesario para elevar la temperatura de 1 kilogramo de agua en 1°C. La relación de conversión es 1btu = 252 calorías, 1kcal = =3,9BTU)
Sabemos que el agua debe fluir de mayor a menor, y el flujo de aire también fluirá de alta presión a baja presión. Esta es una tendencia natural, y el calor también fluirá de alta temperatura a baja temperatura (ver Figura 1), por lo que. Si quieres que el calor de un objeto fluya hacia otro objeto, dos objetos deben tener una diferencia de temperatura entre ellos. Si B tiene una temperatura menor que A, al entrar en contacto o mezclarse, el calor fluirá de A a B, A pierde calor y la temperatura disminuye, mientras que B gana calor y la temperatura aumenta hasta que las dos temperaturas son iguales. Para B, A es un "refrigerador"; para b, A es un "calentador".
El frigorífico no enfría los alimentos directamente, en realidad elimina el calor de los alimentos fuera de la caja, por lo que cuando hablamos de congelación, debemos hablar primero del calor. El calor es un tipo de energía que se puede transferir o transformar en otro tipo de energía, pero nunca desaparece ni se crea sin motivo alguno.
El calor debe fluir desde los objetos más altos (más calientes) hacia los objetos más bajos (más fríos). Este es el principio básico del uso del refrigerador.
Tres estados de la materia
Existen tres formas de la materia: sólida, líquida y gaseosa.
Los tres estados de la materia a menudo se cambian absorbiendo o liberando calor, por lo que utilizamos las reacciones endotérmicas y exotérmicas de los tres estados de la materia para lograr nuestros propósitos de "enfriamiento" y "calentamiento". En la aplicación de la refrigeración, utilizamos los cambios físicos entre líquidos y gases para lograr el efecto de "refrigeración", es decir, la absorción o liberación de calor cuando una sustancia química llamada "refrigerante" se condensa y se evapora en el sistema de refrigeración y se produce. Este es también uno de los principios básicos del uso del frigorífico.
Calor sensible y calor latente
Existen dos tipos de energía térmica: calor sensible y calor latente.
Entre los tres estados de la materia, si la temperatura de una sustancia aumenta o disminuye debido al aumento o disminución de calor, pero no cambia la forma de la sustancia, se llama calor sensible o calor sensible . Es decir, la cantidad de calor en un objeto que cambia su temperatura debido a la absorción o liberación de calor. Por ejemplo, el agua cambia de 0°C a 100°C, lo que se puede medir y palpar con un termómetro.
En los tres estados de la materia, si el aumento o disminución de calor solo cambia la forma de la sustancia, no provocará una reacción de aumento o disminución de temperatura. Este calor añadido o absorbido por una sustancia se llama calor latente o calor latente. Por ejemplo, el hielo a 0°C se transforma en agua a 0°C, y el agua a 100°C se transforma en vapor de agua a 100°C. La temperatura no cambia, pero el estado del material cambia por completo. Este calor requerido se llama calor latente.
La fusión de varios objetos tiene el mismo fenómeno, es decir, cuando es sólido, absorbe calor y se calienta hasta alcanzar el punto de fusión del objeto. El punto de fusión de cada objeto es diferente. Cuando alcanza su punto de fusión, el objeto empieza a absorber mucho calor, pero la temperatura se detiene. Simplemente comienza a cambiar de forma, de sólido a líquido. De manera similar, el líquido se evapora y se convierte en gas, y el proceso es el mismo.
Aplicaciones del calor latente
Cada sustancia tiene dos tipos de calor latente. El primero es el calor absorbido al fundir un sólido en un líquido, que se denomina "calor latente de fusión". Si el hielo se derrite en agua, absorbe calor (ver Figura 2A). El segundo es el calor absorbido por la evaporación del líquido en gas, que se denomina "calor latente de evaporación". Por ejemplo, el agua hierve y se evapora en vapor de agua (ver Figura 2B). Por el contrario, el calor liberado cuando un líquido se condensa en un sólido se llama "calor latente de condensación"; el calor liberado cuando un gas se condensa en un líquido se llama "calor latente de condensación". Por ejemplo, el calor latente de fusión del agua es de 80 calorías/g y el calor latente de evaporación es de 539 calorías/g.
En la aplicación de la ingeniería de refrigeración, la utilización del calor latente es la más importante. En términos generales, el "calor latente" es mucho mayor que el "calor sensible". El calor latente de vaporización absorbe más calor que el calor latente de fusión. La maquinaria de refrigeración utiliza el calor latente de evaporación y condensación del refrigerante para alcanzar la baja temperatura que necesitamos. En los refrigeradores modernos, este fenómeno también se utiliza para lograr el propósito de enfriamiento endotérmico.
La relación entre calor y temperatura
La temperatura a la que una sustancia cambia de forma depende de su presión. Cuanto mayor es la presión, mayor es la temperatura al cambiar de forma; a la inversa, cuanto menor es la presión, menor es la temperatura al cambiar de forma, por lo que la temperatura cambia en proporción directa a la presión al cambiar de forma. Por ejemplo, bajo presión atmosférica, la temperatura de evaporación (temperatura de ebullición) del agua es de 100°C. Si la presión aumenta, el agua hervirá por encima de los 100°C. Por el contrario, cuando la presión se reduce a presión atmosférica, la temperatura de evaporación será inferior a 100°C.
Si ponemos una sustancia a baja presión, si la presión hace que se evapore y absorba calor a bajas temperaturas y se convierta en gas, entonces el gas evaporado se comprimirá y aumentará la presión, de modo que Se evaporará a altas temperaturas, se condensa y libera calor para convertirse en líquido, y luego se evapora a baja presión y baja temperatura, para que pueda reciclarse, es decir, los trópicos de baja temperatura se elevan a altas temperaturas, es decir, el. Las zonas tropicales de baja temperatura se trasladarán a las zonas interiores y exteriores de alta temperatura para lograr el propósito de enfriar el interior. Por tanto, cuanto mayor sea el calor latente de evaporación, más significativo será el efecto de enfriamiento y más rápido será el enfriamiento. Por lo tanto, en la ingeniería de refrigeración todos utilizamos sustancias derivadas del calor de evaporación como refrigerantes circulantes.
Los científicos holandeses Van Marum y Van Troostwyk descubrieron que cuando un gas se comprime hasta convertirse en un líquido, también se libera el calor latente de evaporación absorbido por el líquido.
Descubrieron que cada objeto que hervía podía condensarse a la misma temperatura, una temperatura muy distinta sin ninguna capacidad amplia, como una línea divisoria. Es líquido en un lado de la línea límite y se vuelve gaseoso una vez que cruza esta línea límite de temperatura. Ya sea de lo caliente a lo frío o de lo frío a lo caliente, la línea divisoria separa completamente ambas formas.
Lo más importante es que la "presión" puede desplazar este límite de temperatura. Por ejemplo, el agua hierve y se convierte en vapor a 100°C y el vapor se condensa en agua a esta temperatura. Por encima de 100°C es gaseoso, por debajo de 100°C es líquido y 100°C es la línea divisoria entre los dos estados. Pero si se aplica presión al vapor, éste no se condensará a 100°C, sino a una temperatura superior a 100°C. La temperatura a la que se condensa el vapor se puede variar variando la presión aplicada.
El refrigerante amoniaco hierve y se evapora a -33 °C, y la temperatura de su vapor es sólo ligeramente superior a esta temperatura, por lo que el vapor de baja temperatura aún absorbe calor del aire interior. Esperamos que el vapor de amoníaco pueda liberar calor para que el aire interior lo absorba, por lo que la temperatura del vapor debe elevarse por encima de la temperatura del aire interior, es decir, la temperatura de condensación del vapor debe elevarse por encima de la temperatura del aire.
Esto sólo se soluciona mediante presión, que comprime el vapor, por lo que la temperatura también aumenta. Dado que la temperatura es sólo una medida de la intensidad del calor, una concentración de calor se manifiesta como un aumento de temperatura, pero su temperatura también puede aumentar sin añadir calor adicional. Es decir, el calor se puede transferir al exterior y licuar.
Hablar de tanto conocimiento relevante no es más que facilitar que las personas comprendan el proceso de refrigeración del refrigerador, porque los fenómenos mencionados anteriormente son todos elementos principales indispensables en las aplicaciones de refrigeración.
Sistema frigorífico
La figura 3 es el ciclo de refrigeración más simple y muestra cómo el refrigerante absorbe y libera calor para lograr el efecto de enfriamiento. Si observamos detenidamente el frigorífico de nuestra casa, veremos que no se diferencia del sistema que se muestra en la imagen.
La figura 4 es un frigorífico moderno. Supongamos que se ha quitado todo lo que hay en el refrigerador. El refrigerador vacío se ve así, excepto que las conexiones de las tuberías también se muestran en la imagen. La imagen contiene los siguientes componentes:
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El evaporador (ver Figura 4A) está soldado a partir de dos placas de metal con múltiples ranuras, y las ranuras se convierten en tubos de canal para refrigerante líquido. El refrigerante se evapora en estos tubos, absorbe el calor en la caja y se convierte en gas, que luego se dirige fuera del frigorífico.
En segundo lugar, el compresor
Cuando el vapor refrigerante se descarga del frigorífico, es necesario eliminar el calor contenido en él y devolverlo a su estado líquido original para su reutilización.
El refrigerante líquido puede hervir a temperaturas muy bajas bajo cero, mientras que la temperatura del vapor del refrigerante es sólo ligeramente superior a la del líquido y sigue siendo muy baja bajo cero, por lo que no puede hervir a temperatura ambiente normal (es decir, 15 ~ 37 ℃) enfriamiento. Debido a que el calor solo puede fluir de una temperatura alta a una temperatura baja, no puede fluir de una temperatura baja a una temperatura alta.
Por lo que es necesario utilizar un compresor para comprimir el vapor de modo que el volumen sea menor y se pueda aumentar la temperatura. Si se excede la temperatura del aire interior, se puede eliminar el calor. Otro efecto es que incluso si el evaporador crea baja presión y el condensador crea alta presión, el refrigerante sólo puede fluir si las presiones no son iguales.
En tercer lugar, el condensador
Cuando el compresor entrega aquí el refrigerante gaseoso de alta presión y alta temperatura, el condensador (consulte la Figura 4B) puede liberar calor de manera efectiva, lo que hace que el El refrigerante se condensa y vuelve al estado líquido.
Cuarto, filtro secador
Su función es filtrar la humedad y las impurezas del refrigerante.
Suele quedar una cantidad muy pequeña de agua en el sistema de refrigeración. Después de un uso prolongado, el aceite lubricante del sistema de refrigeración se descompondrá y producirá agua. Por tanto, este ajuste es necesario para evitar que el agua se congele en los tubos capilares y obstaculice la circulación del refrigerante, o que se condense en el evaporador y reduzca la eficiencia del sistema de refrigeración. Además, el agua reacciona con el refrigerante para generar ácido, que corroerá el metal y provocará fallas en el ciclo de refrigeración.
En esta estructura se instala en la entrada una red cortina en forma de copa para filtrar las impurezas del refrigerante, y está equipada con un desecante (generalmente de sílice, sulfato de calcio, óxido de calcio, etc.). ) Sello para absorber la humedad en el sistema.
Además de la parte anterior, hay otra parte que en realidad no muestra ninguna carga de trabajo sustancial, pero controla el flujo de refrigerante por todo el sistema.
Para que el compresor acumule presión en el condensador, debe encontrar un cierto grado de resistencia en el extremo de descarga. Al mismo tiempo, el evaporador debe mantener una presión baja para facilitar la ebullición y la evaporación. del refrigerante líquido. El evaporador debe tener baja presión en el lado de succión del compresor y el condensador debe tener alta presión en el lado de descarga. Hay una tubería entre la salida del condensador y la entrada del evaporador, que no se puede desbloquear; de lo contrario, las presiones alta y baja se equilibrarán inmediatamente y el compresor no puede establecer una diferencia de presión alta y baja, pero no se puede bloquear por completo, de lo contrario el refrigerante no puede circular. Por lo tanto, la tubería debe tener resistencia para permitir el límite entre alta y baja presión y también permitir el paso de la cantidad requerida de refrigerante en circulación. Los capilares tienen este efecto.
Verbo (abreviatura de verbo) capilar
El diámetro del capilar (ver Figura 4C) es muy pequeño, lo que puede generar la resistencia necesaria para que el compresor pueda aumentar la presión. necesario para la condensación. Por un lado, el refrigerante líquido puede pasar lentamente, provocando una caída de presión, lo que hace que el refrigerante se evapore fácilmente en el evaporador.
6. Control de temperatura
Cuando la temperatura del frigorífico es lo suficientemente baja, es necesario detener el compresor. Un termostato es un interruptor de temperatura que detecta la temperatura ambiente y abre o cierra contactos en un circuito para iniciar y detener el tiempo de funcionamiento del compresor para mantener el rango de temperatura deseado dentro del refrigerador. Todos los frigoríficos domésticos están controlados por este.
La estructura del termostato se muestra en la Figura 5. El tubo cerrado conectado por la caja de aire, el tubo capilar y el tubo sensor de temperatura está lleno de refrigerante. El cilindro sensor de temperatura se coloca en el evaporador (consulte la Figura 8). Cuando la temperatura del evaporador aumenta, el tubo sensor de temperatura absorbe calor, lo que hace que el gas refrigerante se expanda, por lo que la caja de aire se expande y empuja la "varilla de acción", lo que hace que los contactos plateados entren en contacto (se cierren). Por el contrario, cuando la temperatura del evaporador desciende a cierto nivel, el gas refrigerante se contrae y la caja de aire se contrae, lo que hace que los contactos plateados se abran. Colocar contactos plateados en serie en el cable de alimentación del motor del compresor permite que el compresor funcione y se detenga automáticamente en el momento adecuado, manteniendo constante la temperatura de congelación. La Figura 6 muestra la ubicación del termostato en el circuito frigorífico.
Siete. Enfriamiento
El refrigerante se encarga de absorber y liberar calor a medida que cambia de forma, por lo que es necesario seleccionar un refrigerante con buen rendimiento para que funcione satisfactoriamente. Los refrigerantes deben poder hervir a bajas temperaturas o cerca del punto de congelación del agua antes de poder usarlos para enfriar y conservar alimentos. También debe ser no tóxico ni explosivo, y puede mezclarse con aceite de refrigeración para lubricar el compresor.
El refrigerante freón se obtiene mediante la reordenación de moléculas de tetracloruro de carbono (CCI4). Puede usarse como agente extintor y agente de limpieza. Es un líquido químico común. Retire dos de los cuatro átomos de cloro (CI4) y agregue dos átomos de flúor (F2) para formar una nueva sustancia química (difluorometano) con la fórmula molecular CCI2F2, que es el clorofluoroalcano común 12 (R-12 o F-12).
Luego, los tres átomos de carbono, cloro y flúor de la molécula se combinaron de diferentes maneras y se inventaron muchos refrigerantes artificiales de clorofluorocarbono. Cada refrigerante tiene un punto de ebullición diferente y es adecuado para diversas situaciones. (ver Tabla 1).
Actualmente, los clorofluorocarbonos (CFC) son uno de los refrigerantes más adecuados y se utilizan ampliamente en sistemas de refrigeración de todos los tamaños.
El proceso del ciclo del sistema de refrigeración
Se han descrito los componentes principales del refrigerador. Ahora combinemos todos los componentes para ver el proceso de funcionamiento del refrigerador. . (Ver Figura 7)
Cuando el refrigerante líquido de baja presión y baja temperatura fluye a través del evaporador, debido a que su temperatura es menor que la temperatura dentro de la caja, hay una diferencia de temperatura, por lo que el calor de La comida en la caja es absorbida por el refrigerante. Después de absorber calor, el refrigerante se evapora a un estado gaseoso (calor latente de evaporación) y luego regresa al compresor, donde se comprime hasta convertirse en un refrigerante gaseoso de alta presión y alta temperatura y se envía al condensador. En este momento, la temperatura del refrigerante es mayor que la temperatura del aire fuera de la caja. Debido a esta diferencia de temperatura, el refrigerante libera el calor absorbido en la caja y es absorbido por el aire. El refrigerante libera calor y se condensa en estado líquido (calor latente de condensación) y luego pasa a través del tubo capilar. Debido a la resistencia capilar, la presión del refrigerante disminuye. De esta manera, el refrigerante se ve obligado a absorber parte de su propio calor durante el proceso capilar para aumentar su temperatura, y luego parte del refrigerante se evapora a un estado gaseoso (todo el refrigerante líquido solo necesita una pequeña cantidad de evaporación, que es llamada evaporación instantánea). El refrigerante líquido que sale del tubo capilar y entra al evaporador continúa circulando, evaporándose y absorbiendo calor, logrando así el propósito de refrigeración.
Combinación de tipos de refrigerador y congelador
Los refrigeradores domésticos combinan un congelador de baja temperatura con un refrigerador que está justo por encima del punto de congelación. La cámara superior almacena pescado, mientras que la cámara inferior almacena frutas, verduras y bebidas frescas. En ambas cámaras se utiliza un conjunto de compresores y condensadores.
El principio de funcionamiento se muestra en la Figura 8. El refrigerante primero se envía al congelador y la temperatura interior es de aproximadamente -25°C. El refrigerante líquido que no se ha evaporado y hervido en el congelador se envía a los tubos de la placa de enfriamiento para seguir evaporándose y absorbiendo calor, suficiente para mantener el frigorífico a una temperatura adecuada para almacenar frutas y verduras frescas, unos 5°C. .
En resumen, el refrigerante líquido primero llega al serpentín del congelador, luego pasa a través de la placa fría del refrigerador y finalmente es aspirado nuevamente al compresor.