冰箱工作原理[整理]

冰箱工作原理[整理] 冰箱工作原理 在美国，几乎每家每户的厨房中都配有冰箱。每隔15分钟 左右，您就会听到电机启动，它神奇地使所有物品保持低 温。如果没有冰箱，我们只能丢弃剩菜，而无法将它们留 到下顿吃。 冰箱是深刻改变了人类生活的现代奇迹之一。在人们发明 冰箱之前，保存肉类的唯一方法是腌制，而在夏季喝到冰 镇饮料更是一种奢望。 本文将说明冰箱如何实现这一奇迹。另外，我们还要了解 休闲车中常见的冷包装、电子冷却器和丙烷冰箱。 冰箱的作用 冰箱的基本作用是使食 物保持低温。低温有助于延长食品的保鲜时间。冷藏的基本原理是减少细菌(所有食品都含细菌)的活动，使细菌需要用更长的时间才能使食品变质。 比如，如果您把牛奶放在厨房的台面上，在室温下过两到三个小时后，牛奶会因细菌作用而变质。不过，如果降低牛奶的温度，可以保鲜一到两个星期。冰箱内的低温可减少细菌的活动，达到此保鲜效果。将牛奶冰冻可完全停止细菌活动，牛奶可保存几个月(直到冻灼等作用以非细菌方式使牛奶变质)。 冷藏和冰冻是如今最常用的两种食品保鲜方式。有关其他食品保鲜方法的更多信息，请参见食品保鲜的奥秘。 冰箱的部件 冰箱的基本原理很简单:冰箱利用液体蒸发吸收热量。您可 能注意到皮肤沾上水会感觉凉爽。水在蒸发时，会吸收热量， 使您感到清凉。擦拭酒精会感觉更凉爽，因为酒精的蒸发温 度较低。冰箱中使用的液体(即制冷剂)会在极低的温度蒸 发，使冰箱内部保持冰冻温度。如果您把冰箱的制冷剂放在 皮肤上(这绝对不是个好主意)，它在蒸发时会使皮肤冻伤。 冰箱工作原理 所有冰箱(或空调系统)都由五个基本部件组成: 压缩机 热交换管，冰箱外部呈弯曲或盘曲状的管道 安全阀 热交换管，冰箱内部呈弯曲或盘曲状的管道 制冷剂，冰箱内蒸发以制造低温的液体 很多工业冰箱使用纯氨作为制冷剂。纯氨会在-32摄氏度时蒸发。 冰箱的基本工作原理如下: 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。 这基本上解释了冰箱的工作原理，但似乎不能让人 满意。现在，让我们用几个真实示例阐述冰箱的工 作原理。 理解冷藏 要理解冰箱内部的工作原理，您需要进一步了解制冷剂。下面的两个实验有助于您理解冰箱 的工作原理。 实验 这些实验有助于您理解气体的特性以及它们在冷藏中的作用。 实验 1 您需要准备下列材料: 一壶水 一支至少能测量125摄氏度的温度计 炉子 在炉子上放一壶水，壶中插上温度计，然后点燃炉子。您将看到(如 果您地处海平面)水温逐渐上升至100摄氏度。此时，水开始沸腾， 但水温保持在100摄氏度。此温度是水在海平面的沸点。如果您居 住在山区，山上的大气压要低于海平面的大气压，水的沸点会较低， 可能介于88至93摄氏度之间。这也是很多食品的包装盒上印有“高 海拔烹饪说明”的原因。在高海拔地区，食品的烹饪时间要延长。 实验 2 您需要准备下列材料: 烤箱适用的玻璃碗 一支至少能测量235摄氏度的温度计 一个烤箱 在盛水容器中插好温度计，将容器放到烤箱里，打开烤箱，将温度 设为200摄氏度。 随着烤箱中的温度上升，水温再次攀升到100摄氏度，然后开始沸 腾。虽然整个环境温度为200摄氏度，但水温仍保持在100摄氏度。 如果您把水烧干(假设温度计能测量该温度)，则在水烧干后，温 度计测得的温度将骤升至200摄氏度。 如果您按下面的思路来思考第二个实验，就会得到非常有意思的结论:想象一下，某种生物能在200摄氏度的烤箱中舒适地生存。该生物认为200摄氏度是最舒适的温度(就像人类感觉21摄氏度最舒适)。如果该生物生活在200摄氏度的烤箱中，烤箱中的一杯水在100摄氏度沸腾烧干，那么它对水的感觉如何呢,它会认为沸水非常冷。毕竟沸水比该生物认为舒适的200摄氏度低100摄氏度。这两者的温差很大～ (这与人类对液态氮的感觉很相似。我们认为21摄氏度很舒适。液态氮的沸点是-195.56摄氏度。因此，如果您在厨房桌子上放一壶液态氮，它的温度会是-195.56摄氏度。液态氮会蒸发完，而您会感觉非常冷。) 丁烷打火机 如果您到小店买一只透明外壳 (让您能看见内部)的一次性丁 烷打火机，您会看到高压容器中 存储了液态丁烷。在正常大气压 下(101.36千帕)，丁烷的沸点 为-0.56 摄氏度。如果将丁烷加 压放在容器中，丁烷在室温下可 保持液态。如果您将一杯丁烷放 在厨房的台面上，丁烷会沸腾， 其温度为-0.56摄氏度。 现代冰箱使用再生循环，以重复利用同一制冷剂。想象一下 烤箱中的生物和那杯水，您就能理解制冷剂的工作原理。烤另外，丁烷的沸点也说明了丁烷箱中的生物按以下四个步骤可以创造再生循环: 打火机在寒冷的冬天不好用的 原因。如果户外温度为-12.22摄 氏度，丁烷远未达到沸点，因此1. 烤箱中的气温为200摄氏度。杯中的水逐渐蒸发，无法蒸发。在冬天，在口袋中捂水温保持在100摄氏度，但产生很多温度为200摄热打火机，就可以点着打火机。 氏度的蒸汽。我们想象一下，该生物用一个大袋子 收集这些蒸汽。 2. 当所有水蒸发完后，它把蒸汽加压到钢制容器中。在加压过程中，蒸汽温度升高到 427摄氏度，仍为蒸汽。现在，钢质容器对于生物而言非常“热”，因为容器中是 427摄氏度的蒸汽。 3. 钢质容器向烤箱中的空气散发多余的热量，最终降回200摄氏度。在此过程中，容 器中的高压蒸汽液化为高压水(就像打火机中的丁烷一样，参见侧栏)。 4. 此时，生物将钢质高压容器中的水倒入壶中，水立即开始沸腾，温度降至100摄氏 度。 现在，通过重复这四个步骤，该生物可以重复利用这些水不断地制冷。 下面我们将说明这四个步骤如何体现在冰箱上。 您家厨房的冰箱利用类似上文所述的循环。不过，在冰箱中，该循环是连续不断的。我们假定下例所用的制冷剂为纯氨，沸点为-32.78摄氏度。冰箱保持低温的原理如下: 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。 您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。 5. 压缩机抽吸冷氨气，不断重复该循环。 此外，如果您曾在炎热的夏天打开汽车空调，然后停车，您可能听到过引擎盖下发出嘶嘶的噪音。该噪音是高压冷冻液流经安全阀发出的声音。 纯氨气体的毒性很大，如果冰箱发生泄漏，会威胁人的生命安全，因此所有家用冰箱都不使用纯氨。您可能听说过CFC(氯氟化碳)制冷剂，它最初由杜邦在20世纪30年代研制成功，并作为氨的无毒替代品使用。CFC-12(二氯二氟甲烷)的沸点几乎与氨相同。不过，CFC-12对人体无毒，可以安全地用在厨房中。很多大型的工业冰箱仍然使用氨。 20世纪70年代，人们发现CFC会破坏臭氧层。因此，到20世纪90年代，所有新冰箱和空调都改用对臭氧层危害较小的制冷剂。 汽油冰箱和丙烷冰箱 如果您拥有休闲车或在没有电源的地方使用冰箱，您很可能使用汽油或丙烷供电的冰箱。这些冰箱非常有意思，因为它们没有活动部件，并且使用汽油或丙烷作为主要的能量来源。另外，它们利用燃烧丙烷产生的热量，使冰箱内部保持低温。 汽油冰箱使用氨作为冷冻剂，并利用水、氨和氢气产生氨的持续循环。该冰箱由五个主要部件组成: 发生器:产生氨气 离析器:将氨气与水分离开来 冷凝器:热氨气在这里冷却并液化，生成液态氨 蒸发器:液态氨在这里蒸发，使冰箱内部保持低温 吸收器:吸收水中的氨气 循环的工作原理如下: 1. 向发生器供热。热量来自燃烧的物体，如汽油、丙烷或煤油。 2. 发生器中是氨的水溶液。热量使溶液的温度升高到氨的沸点。 3. 沸腾的溶液流向离析器。在离析器中，水和氨气分离开来。 4. 氨气向上流向冷凝器。冷凝器由金属线圈和翅翼组成，允许氨气散热并冷凝为液体。 5. 液态氨流向蒸发器，在蒸发器中与氢气混合并蒸发，使冰箱内保持低温。 6. 氨气和氢气的混和气体流向吸收器。在吸收器中，离析器中收集的水和氨气、氢气 混合。 7. 氨气溶解于水，并释放氢气，氢气流回蒸发器。氨的水溶液流向发生器，重复该循 环。 此页非常详细地描述了该过程。 电冷却器 您可能见到过不使用冰块的新型冷却器，只需插到汽车的香烟打火机中即可。这些冷却器利用一种叫做珀耳帖效应(即热电效应)的过程，以电子形式制冷。 您可以用一节电池、两根铜丝和一根铋丝(或铁丝)制造珀耳帖效应。只需将铜丝连接到电池两极，然后在两根铜丝之间连接铋丝(或铁丝)。铋(/铁)和铜必须相互接触，正是该接点产生珀耳帖效应。 电流从铜丝流向铋丝的接点会发热;而电流从铋丝流向铜丝的接点会变冷。热接点位置的温度最多可比环境温度低4.5摄氏度左右。 要产生珀耳帖效应，热接点应位于冰箱外部，冷接点位于冰箱内部。通常情况下，您应制造包含很多接点的模块，以扩大该效应。有关珀耳帖效应的详细信息，请参见本文结尾的链接。 冷包装 提到冷藏和冷冻，不知道您是否用过“速冻包装”中一种类似装满液体的塑料袋的冷包装。如果您击打、摇晃它，它会变得非常冷。这是怎么回事, 冷包装内的液体是水。水中另有一个装有硝酸铵肥料的塑料袋或管道。当您击打冷包装时，管道会破裂，使水和肥料混合。该混合物产生吸热反应，即吸收热量。溶液的温度会下降至1.67摄氏度左右，并保持10至15分钟。 有关冷藏及相关主的更多信息，请查看下一页上的链接。