冰箱和空調(diào)的原理一模一樣
冰箱和空調(diào)在本質(zhì)上其實是同一種東西,看看它們“工作小組”的成員就知道——壓縮機、冷媒、蒸發(fā)器、冷凝器、一大堆管道。這個小組的工作任務(wù),就是搬運熱量。
對于空調(diào)來說,它是把室內(nèi)的熱量搬運到室外(所以它有一個空調(diào)外機,要放在室外)。對于冰箱來說,則是把冰箱內(nèi)的熱量搬運到房間里。無論是使用空調(diào)還是冰箱,我們都習(xí)慣于把它們的工作狀態(tài)稱為“制冷”。但其實這么說是不準(zhǔn)確的,物理學(xué)中并沒有“冷”這個概念,只有“熱量”。所謂制冷的過程,不過就是把這里的熱搬到了哪里——冰箱和空調(diào)都沒有消滅熱量的能力,只能搬運。
冰箱無法給房間制冷,空調(diào)搬運熱量的起點是房間里,終點是房間外。所以開啟空調(diào)一段時間,我們感覺房間里涼快了,因為房間里的熱量少了。
簡單地從設(shè)備角度回答一下,默認(rèn)這里講的都是
家用常溫冰箱/分體式空調(diào)
。其他類型的冰箱/空調(diào)原理上一樣但是具體系統(tǒng)和設(shè)備上面會略有不同。
直觀地講,冰箱的功能是把冷藏/冷凍室里的熱量搬運到冰箱外面(冰箱后面的“網(wǎng)格”是用來散熱的),制冷空調(diào)的功能是把室內(nèi)的熱量搬運到房子外面(室外機吹的熱風(fēng)),二者的功能很類似。熱力學(xué)第二定律決定了熱量只會自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體,因此冰箱和空調(diào)需要付出額外的代價(電能)將熱量從低溫搬運到高溫。因此
從熱力學(xué)原理角度講,冰箱和空調(diào)是一樣的,同屬于消耗功搬運熱量的反向卡諾循環(huán)
。
然而由于
工作溫度區(qū)間
和
搬運熱量的大小
不同,冰箱和空調(diào)系統(tǒng)在
壓縮機/制冷劑
,
膨脹機構(gòu)
,
換熱器設(shè)計
等方面還是有很大的不同。
壓縮機/制冷劑
:一般的家用冰箱需要能夠在室溫(25°C)下保持冷凍室-18°C的低溫;相比之下家用空調(diào)的運行溫度在室外40°C 和 室內(nèi)16°C 之間。由于冰箱的溫差(~45°C)大于空調(diào)(~25°C),因此冰箱一般會使用能提供
更高壓縮比和溫差的活塞式/壓縮機
,能源效率也比較低(COP~2,1千瓦時的電產(chǎn)生2千瓦時冷量);相比之下目前家用空調(diào)中最常用的是
渦旋式壓縮機
,能源效率也比冰箱高(COP~3-4,1千瓦時電產(chǎn)生3-4千瓦時冷量)??照{(diào)中常用的
R134a/R22/R410A制冷劑
在常溫下性能優(yōu)秀,但無法在冰箱所需要達(dá)到的低溫下有效的工作,因此冰箱中很多選用的是
低溫性能更好R290/R407C/R404A制冷劑
。
膨脹機構(gòu)
:在制冷循環(huán)中高溫高壓的制冷劑液體在冷凝結(jié)束后需要經(jīng)過膨脹機構(gòu)通過減壓降到很低的溫度來達(dá)到制冷的目標(biāo)。制冷系統(tǒng)的目標(biāo)制冷負(fù)荷特性會對膨脹機構(gòu)的選用產(chǎn)生很大影響。冰箱雖然制冷的溫度比空調(diào)要低,但是
制冷量往往遠(yuǎn)小于空調(diào)
,且
制冷的負(fù)荷比空調(diào)要穩(wěn)定
。因此冰箱往往采用更便宜的
毛細(xì)管
作為制冷劑高壓與低壓端之間的膨脹機構(gòu),而空調(diào)的膨脹機構(gòu)則需要應(yīng)對不同的制冷負(fù)荷和大得多的制冷劑流量,因而常常使用專門的
熱力或電子膨脹閥
。
換熱器設(shè)計
:
(1)無論是冰箱還是空調(diào),制冷系統(tǒng)都只能在一個小尺寸上面制造冷量,這些
冷量需要被流通到整個冷卻空間中
。冰箱的制冷量比較小,換熱器的尺寸一般也很小。冰箱的蒸發(fā)器一般在頂層的冷凍室內(nèi),大一些的冰箱會在冷凍室里面配風(fēng)扇增強冷氣的對流,小一些的冰箱直接依靠冷氣密度較大會下沉的原理讓冷氣
自發(fā)
流遍冷凍室和下方的冷藏室(這也是大多數(shù)冷藏室在冷凍室下面的原因之一)。冰箱背后的“網(wǎng)格”其實是用來散熱的冷凝器,顯然絕大多數(shù)冰箱并沒有專門的風(fēng)扇來增強冷凝器的散熱。空調(diào)相對而言制冷量大很多,因而需要更有效地將冷量輸入室內(nèi)/熱量排出室外。空調(diào)的室內(nèi)室外機都是配有
足夠大的風(fēng)扇
來強化傳熱的。為了提升室內(nèi)冷卻的效果,分體式空調(diào)的室內(nèi)機往往裝在高處,吹出來的冷風(fēng)兼有風(fēng)速和下沉的效果。
(2)作為面對空氣的制冷系統(tǒng),冰箱與空調(diào)在產(chǎn)生冷效應(yīng)的同時都無法避免的會受空氣中
水蒸氣的影響
,但由于二者冷卻溫度的不同,水蒸氣對二者的影響也有所差別。冰箱要達(dá)到冷凍的-18°C,蒸發(fā)器表面的溫度往往需要低到-20°C以下。在這個溫度下水蒸氣會
凝結(jié)成霜
附著在蒸發(fā)器表面,
影響換熱
。所以冰箱在一段時間后大都需要運行除霜,也就是反轉(zhuǎn)循環(huán)讓熱的制冷劑流到蒸發(fā)器里面,融化表面的冰和霜,然后再正常運行。相比之下,制冷空調(diào)的蒸發(fā)溫度一般在5°C以上,不存在結(jié)冰結(jié)霜的問題。但5°C一般也低于室內(nèi)空氣中水蒸氣的飽和溫度,所以水蒸氣會在蒸發(fā)器上結(jié)露,這些冷凝水會自己滴落,一般對蒸發(fā)器性能影響不大,同時空調(diào)室內(nèi)機會有一條專門的管線用來將蒸發(fā)器上的冷凝水導(dǎo)出室外。在更大規(guī)模的空調(diào)系統(tǒng)(比如中央空調(diào))中,這種蒸發(fā)器冷凝空氣中水蒸氣的現(xiàn)象也被用來將室內(nèi)的濕氣搬運出室外,達(dá)到除濕的效果。
總之,冰箱和空調(diào)同為消耗功將熱量從低溫搬運到高溫的逆卡諾循環(huán),遵從相同的熱力學(xué)原理。但同時由于制冷溫度和制冷量的明顯差異,冰箱往往制冷量較小能效比略低,需要低溫性能好設(shè)備和設(shè)計,而空調(diào)的目標(biāo)溫差較小而制冷量較大,其能效比一般也比較高。