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实验室制冷的定义、应用及分类

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发表时间:2016-12-11 13:46作者:沉汇来源:上海沉汇仪器有限公司网址:http://www.chen-hui.com

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定义:

  制冷即致冷,又称冷冻,将物体温度降低到或维持在自然环境温度以下。实现制冷的途径有两种,一是天然冷却,一是人工制冷。天然冷却利用天然冰或深井水冷却物体,但其制冷量(即从被冷却物体取走的热量)和可能达到的制冷温度往往不能满足生产需要。天然冷却是一传热过程。人工制冷是利用制冷设备加入能量,使热量从低温物体向高温物体转移的一种属于热力学过程的单元操作。

原理:

  单级蒸汽压缩制冷系统,是由制冷压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四个基本部件组成。它们之间用管道依次连接,形成一个密闭的系统,制冷剂在系统中不断地循环流动,发生状态变化,与外界进行热量交换。

液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后,汽化成低温低压的蒸汽、被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷却介质(水或空气)放热,冷凝为高压液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化,达到循环制冷的目的。这样,制冷剂在系统中经过压缩、冷凝、节流、蒸发四个基本过程完成一个制冷循环。

  在制冷系统中,蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件,这当中蒸发器是输送冷量的设备。制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。压缩机是心脏,起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备,将蒸发器中吸收的热量连同压缩机做功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量,并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。实际制冷系统中,除上述四大件之外,常常有一些辅助设备,如电磁阀、分配器、干燥器、集热器、易熔塞、压力控制器等部件组成,它们是为了提高运行的经济性,可靠性和安全性而设置的。

部件组成:

  制冷系统由制冷剂和四大机件,即压缩机,冷凝器,膨胀阀,蒸发器组成。

  压缩机是制冷循环的动力,它由电动机拖动而不停地旋转,它除了及时抽出蒸发器内蒸气,维持低温低压外,还通过压缩作用提高制冷剂蒸气的压力和温度,创造将制冷剂蒸气的热量向外界环境介质转移的条件。即将低温低压制冷剂蒸气压缩至高温高压状态,以便能用常温的空气或水作冷却介质来冷凝制冷剂蒸气。[3]

  冷凝器是一个热交换设备,作用是利用环境冷却介质(空气或水),将来自压缩机的高温高压制冷蒸气的热量带走,使高温高压制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体。值得一提的是,冷凝器在把制冷剂蒸气变为制冷剂液体的过程中,压力是不变的,仍为高压。

  高压常温的制冷剂液体直接送入低温垢蒸发器、根据饱和压力与饱和温度——对应原理,降低制冷剂液体的压力,从而降低制冷剂液体的温度。将高压常温的制冷剂液体通过降压装置——节流元件,得到低温低压制冷剂,再送入蒸发器内吸热蒸发。在日常生活中的冰箱、空调常用毛细管作为节流元件。

  蒸发器也是一个热交换设备。节流后的低温低压制冷剂液体在其内蒸发(沸腾)变为蒸气,吸收被冷却物质的热量,使物质温度下降,达到冷冻、冷藏食品的目的。在空调器中,冷却周围的空气,达到对空气降温、除湿的作用。蒸发器内制冷剂的蒸发温度越低,被冷却物的温度也越低。在冰箱中一般制冷剂的蒸发温度调整在-26℃~-20℃,在空调器中调整在5℃~8℃。

部件构成:

  空调机根据冷凝形式可分为:水冷式和空冷式两种,根据使用目的可分为单冷式和制冷制暖式两种,不论是哪一种型式的构成,都是由以下的主要部件组合而成的。

  制冷系统主要部件有压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀(或毛细管、过冷却控制阀)、四通阀、复式阀、单向阀、电磁阀、压力开关、熔塞、输出压力调节阀、压力控制器、贮液罐、热交换器、集热器、过滤器、干燥器、自动开闭器、截止阀、注液塞以及其它部件组成。

  电气系统主要部件有电机(压缩机、风机等用)、操作开关、电磁接触器、连锁继电器、过电流继电器、热动过电流继电器、温度调节器、湿度调节器、温度开关(除霜、防止结冻等用)。压缩机曲轴箱加热器,断水继电器,电脑板及其它部件组成。

控制系统由多个控制器件组成,它们是:

制冷剂控制器:膨胀阀、毛细管等。

制冷剂回路控制器:四通阀、单向阀、复式阀、电磁阀。

制冷剂压力控制器:压力开闭器、输出压力调节阀、压力控制器。

电机保护器:过电流继电器、热动过电流继电器、温度继电器。温度调节器:

温度位式调节器、温度比例调节器。湿度调节器:湿度位式调节器。

除霜控制器:除霜温度开关、除霜时间继电器、各种温度开关。

冷却水控制:断水继电器、水量调节阀、水泵等。

报警控制:超温报警、超湿报警、欠压报警及火警报警、烟雾报警等。

其它控制:室内风机调速控制器、室外风机调速控制器等。

制冷剂:

  制冷剂的种类较多,现就氟里昂12和22作简要介绍:

  氟里昂12(CF2Cl2)代号R12 氟里昂12是一种无色、无臭、透明、几乎无毒性的制冷剂,但空气中含量超过80%时会引起人的窒息。氟里昂12不会燃烧也不会爆炸,当与明火接触或温度达到400℃以上时,能分解出对人体有害的氟化氢、氯化氢和光气(COCl2)。 R12是应用较广泛的中温制冷剂,适用于中小型制冷系统,如电冰箱、冰柜等。 R12能溶解多种有机物,所以不能使用一般的橡皮垫片(圈),通常使用氯丁二烯人造橡胶或丁睛橡胶片或密封圈。

  氟里昂22(CHF2Cl)代号R22 R22不燃烧也不爆炸,其毒性比R12稍大,水的溶解度虽比R12大,但仍可能使制冷系统发生“冰塞”现象。 R22能部分地与润滑油互相溶解,其溶解度随着润滑油的种类及温度而改变,故采用R22的制冷系统必须有回油措施。

R22在标准大气压力下的对应蒸发温度为-40.8℃,常温下冷凝压力不超过15.68×105 Pa,单位容积制冷量与比R12大60%以上。在空调设备中,大都选用R22制冷剂。

R23作为广泛使用的超低温制冷剂,由于HFC-23 良好的综合性能,使其成为一种非常有效和安全的CFC-13(R13、R-13、Freon 13、氟利昂-13)和R-503的替代品,主要应用于环境试验箱/设备(冷热冲击试验机)、冻干机/冷冻干燥机、超低温冰箱或冷柜、血库冰箱、生化试验箱等深冷设备中(包括科研制冷、医用制冷等),多见用于这些复叠式制冷系统的低温级。三氟甲烷同时还可用作气体灭火剂,是哈龙1301的理想替代品,具有清洁、低毒、灭火效果好等特点。

R134a作为使用最广泛的中低温环保制冷剂,由于HFC-134a良好的综合性能,使其成为一种非常有效和安全的CFC-12的替代品,主要应用于在使用R12制冷剂的多数领域,包括:冰箱、冷柜、饮水机、汽车空调、中央空调、除湿机、冷库、商业制冷、冰水机、冰淇淋机、冷冻冷凝机组等制冷设备中,同时还可应用于气雾推进剂、医用气雾剂、杀虫药抛射剂、聚合物(塑料)物理发泡剂,以及镁合金保护气体等。

R141b是一种高纯度液体,在塑料泡沫领域中具有广泛的应用。由于其所具有的低气相导热系数等优良性质,同时与CFC-11相比,HCFC-141b对大气臭氧层的破坏是相当于CFC-11的十分之一,因而被选定为全卤代的氟氯碳化合物的一种理想替代物。HCFC-141b可作清洗剂和发泡剂,替代CFC-11和CFC-113

R142作为制冷剂,发泡剂、生产偏氟乙烯、温度控制器介质及航空推进剂的中间体,还用作化工原料。

R290 用作感温工质;优级和一级R290 可用作制冷剂替代R22、R502,与原系统和润滑油兼容,用于中央空调、热泵空调、家用空调和其它小型制冷设备,也可以用于金属氧割气。

R404a是一种对臭氧层不起破坏作用的混合制冷剂。它是应用在商用制冷系统领域的R-502与R-22的长期替代品。R-     404a广泛适用于超市冷冻柜、冷库、陈列柜、运输冷冻、制冰机等领域。

R406A混合制冷剂由 HCFC-22,HCFC-142b 和R-600a 混合而成,在常温下是无色气体,在自身压力下是无色透明液体,是R500,R12的替代品,在环保、节能及制冷容积等方面均优于R12,可以直接替代R12,不过耗电量会增加18%。

R407c是一种对臭氧层不起破坏作用的混合制冷剂。由于它的性能与HCFC-22非常接近,它被应用于制冷系统领域的HCFC-22的长期替代,使用于各种空调系统和非离心式制冷系统。,R-407c广泛适用于家用空调,中小型商用家调,客车空调,火车空调等。

R409A属于HCFC类制冷剂由制冷剂R22, 制冷剂R124 和制冷剂R142b混合而成,在常温下为无色气体,在自身压力下为无色透明液体,是R12的替代品,用于固定容积式空调及制冷系统如轻便式冰箱、饮料机、自动售卖机及超市制冷系统。在多数整体式及封闭联结式系统中无需更换润滑油。

R410A:是一种新型环保制冷剂,不破坏臭氧层,工作压力为普通R22空调的1.6倍左右,制冷(暖)效率更高。提高空调性能,不破坏臭氧层。R410A新冷媒由两种准共沸的混合物而成,主要有氢,氟和碳元素组成(表示为hfc),具有稳定,无毒,性能优越等特点。同时由于不含氯元素,故不会与臭氧发生反应,既不会破坏臭氧层。另外,采用新冷媒的空调在性能方面也会又一定的提高。R410A是目前为止国际公认的用来替代R22最合适的的冷媒,并在欧美,日本等国家得到普及。

R417A混合制冷剂由 HFC-143、HFC-125和R600混合而成,在常温下呈无色气体,在自身压力下呈无色透明液体, R417A 能与现有的冷冻油互溶,适合典型的 R22 直接膨胀(DX)系统使用。它与 R22 的操作压力和效能十分接近,是代替 R22 的长远解决方案,而不需要对设备和系统进行改动,适用于各种使用 R22 的空调和冷冻机组。

R433b的热工性能与R22相近,所以对于R22的制冷系统无须变更,可直接充装到R22制冷系统中,达到同样的制冷效果,并与各类润滑油有良好的相容性。

R436a 的热工作性能与R134相近,所以对R134的制冷系统无须变更,与R134a的润滑油兼容性良好,可直接充至R134a 制冷系统中。

R502是一种低温制冷工质,具有冷冻容量高、致冷速度快的优异制冷性能。主要用途:可作为食品陈列、食品贮藏、制冷、冰淇淋、冰箱、低温冰箱以及代温冷冻压缩机用致冷剂。由R125 /制冷剂R143制冷剂混合而成,是一种不破坏臭氧层的环保制冷剂。多用于中 / 低温商用制冷系统。是R-502制冷剂的长期替代品(HFC类物质),ODP值为零,不含任何破坏臭氧层的物质。由于R507制冷剂的制冷量及效率与R502非常接近,并且具有优异的传热性能和低毒性,因此R507比其他任何的R-502的替代物更适合中低温冷冻领域应用。

R507和R404A一样是用于替代R502的环保制冷剂,但是R507通常能比R404A达到更低的温度。R507适用于中低温的新型商用制冷设备(超市冷冻冷藏柜、冷库、陈列展示柜、运输)、制冰设备、交通运输制冷设备、船用制冷设备或更新设备,适用于所有R502可正常运作的环境。主要用作超低温致冷剂,与F22组成的制冷系统用于-80~-120℃的超低温制冷装置。也用作泡沫塑料的发泡剂,作制冷剂替代R12。

R1150主要用于低温制冷设备中(用于充液量较少的低温制冷设备中),R1150(乙烯)也是低温配合冷媒的重要组分;R1150与原系统和润滑油兼容。

半导体法:

  工作原理是基于帕尔帖原理,该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的,即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时,在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量,而另一个接头处则吸收热量,且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的,改变电流方向时,放热和吸热的接头也随之改变,吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比,且与两种导体的性质及热端的温度有关,即:Qab=Iπab πab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数,单位为[V], πab为正值时,表示吸热,反之为放热,由于吸放热是可逆的,所以πab=-πab 帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度,其数值可以由赛贝克系数αab[V.K-1]和接头处的绝对温度T[K]得出πab=αabT与塞贝克效应相,帕尔帖系也具有加和性,即: Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I 因此绝对帕尔帖系数有πab=πa-πb 金属材料的帕尔帖效应比较微弱,而半导体材料则要强得多,因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。

  优势:半导体制冷功率大,试用范围广,广泛应用于车载冰箱,航空航天,电信基站等领域。

  缺点:能效比低,冷端热端散热要求高,寿命短,易烧坏芯片,隔热要求高等。


实验室制冷处理方案:

冷却水循环装置(也叫:冷却水循环器、冷水机)

制冷循环水浴槽(也叫:水浴槽)

环境模拟箱(也叫:恒温恒湿箱)

高低温试验箱(也叫:温度老化试验箱

制冷培养箱(也叫:生化培养箱)

制冷振荡器(也叫:振荡培养箱)

制冷金属浴(也叫干浴器)

冷藏箱

冷冻冰箱(也叫冷冻箱、低温保存箱)

血液冷藏箱

药品冷藏箱

血浆低温保存箱(也叫:等离子低温保存箱)