0.4　人工制冷的方法

在制冷技術(shù)中，人工制冷方法很多，目前廣泛使用的制冷方法有以下幾種。

（1）相變制冷

物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生改變稱(chēng)為相變。相變過(guò)程中，由于物質(zhì)分子重新排列和分子熱運(yùn)動(dòng)速度的改變，會(huì)吸收或放出熱量，這種熱量稱(chēng)為潛熱。一般固體融化為液體、固體升華為氣體、液體汽化為氣體都要產(chǎn)生吸熱效應(yīng)。

所謂相變制冷就是利用物質(zhì)在一定的低溫下相變吸熱來(lái)制冷。有制冷效應(yīng)的相變過(guò)程有熔解、汽化和升華，其中廣泛應(yīng)用的是液體汽化制冷，它常見(jiàn)的應(yīng)用形式有四種：蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和蒸汽噴射式制冷。在空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)中，蒸氣壓縮式制冷和吸收式制冷應(yīng)用最為廣泛。

1） 蒸氣壓縮式制冷

在普通制冷溫度范圍內(nèi)，蒸氣壓縮式制冷是應(yīng)用最為廣泛的制冷系統(tǒng)，它屬于液體汽化相變制冷，以消耗一定的電能或機(jī)械能為代價(jià)實(shí)現(xiàn)熱量由低溫物體向高溫物體的轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)流程圖如圖0-1所示，蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥4個(gè)基本部件構(gòu)成，通過(guò)制冷劑管道將它們連接為一個(gè)系統(tǒng)。

其工作過(guò)程為：低溫低壓的制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻物體的熱量（制備冷量）汽化為低溫低壓的制冷劑蒸氣，被壓縮機(jī)吸入、壓縮為高溫高壓的制冷劑蒸氣，進(jìn)入到冷凝器，將熱量釋放給冷卻介質(zhì)水或空氣后，高溫高壓的制冷劑蒸氣冷凝為高溫高壓的制冷劑液體，再進(jìn)入膨脹閥節(jié)流降壓為低溫低壓的制冷劑液體，之后又進(jìn)入到蒸發(fā)器吸收被冷卻物體的熱量實(shí)現(xiàn)制冷，如此循環(huán)往復(fù)。

2） 吸收式制冷

在普通的制冷溫度范圍內(nèi)，吸收式制冷的應(yīng)用也比較廣泛。吸收式制冷也是利用制冷劑液體在低溫下吸熱汽化來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷，與蒸氣壓縮式不同的是消耗熱能而非機(jī)械能。吸收式制冷的工作與原理如圖0-2所示，系統(tǒng)主要由四個(gè)熱交換設(shè)備組成，即發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器組成，它們組成兩個(gè)循環(huán)：制冷劑循環(huán)和吸收劑循環(huán)。

其工作過(guò)程為：圖0-2左半部分所示的為制冷劑循環(huán)，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑吸收了被冷卻物體的熱量變成制冷劑蒸氣，被吸收器內(nèi)的吸收劑吸收后，由溶液泵輸送至發(fā)生器，在發(fā)生器內(nèi)吸收外界的熱量，制冷劑從制冷劑-吸收劑溶液中分離出來(lái)進(jìn)入到冷凝器，在冷凝器中向環(huán)境介質(zhì)放熱，冷凝為高壓常溫液體后，經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流成低溫低壓的氣-液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收被冷卻物體的熱量，汽化成低溫低壓的制冷劑蒸氣，如此循環(huán)往復(fù)。圖0-2所示的右半部分為吸收劑循環(huán)（圖中虛線(xiàn)部分），屬正循環(huán)，主要有吸收器、發(fā)生器和溶液泵組成。吸收器中的液體吸收劑不斷吸收蒸發(fā)器中產(chǎn)生的低壓制冷劑蒸氣，以達(dá)到維持蒸發(fā)器內(nèi)低壓的目的。吸收劑吸收制冷劑蒸氣后形成的制冷劑-吸收劑溶液，經(jīng)溶液泵升壓后進(jìn)入發(fā)生器。在發(fā)生器中，該溶液吸收外界供給的熱量后被加熱、沸騰，其中低沸點(diǎn)的制冷劑汽化形成高壓氣態(tài)制冷劑，與吸收劑分離進(jìn)入冷凝器，濃縮后的吸收劑溶液經(jīng)降壓后返回吸收器，再次吸收來(lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓的制冷劑蒸氣。整個(gè)吸收劑循環(huán)相當(dāng)于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中的制冷壓縮機(jī)。

3） 蒸汽噴射式制冷

蒸汽噴射式制冷和吸收式制冷相同，都是通過(guò)消耗一定的熱能、利用液體汽化時(shí)吸收熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)圖如圖0-3所示，系統(tǒng)主要由噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、鍋爐及泵幾部分組成，其中噴射器由噴嘴、混合室和擴(kuò)壓器三部分組成。

工作過(guò)程：用鍋爐產(chǎn)生高溫高壓的工作蒸汽，將其送入噴嘴，膨脹并高速流動(dòng)（流速可達(dá)1000m/s以上），于是在噴嘴出口處，造成很低的壓力，由于混合室和蒸發(fā)器相連，所以蒸發(fā)器中的壓力也會(huì)很低，低溫低壓的部分水吸熱汽化，將未汽化的水溫度降低，這部分低溫水用來(lái)制冷，蒸發(fā)器中產(chǎn)生的制冷劑水蒸氣和工作蒸汽在噴嘴出口處混合，一起進(jìn)入擴(kuò)壓器，在擴(kuò)壓器中，流速降低壓力升高后進(jìn)入冷凝器，被外部的冷卻水冷卻而變成液態(tài)冷凝水再經(jīng)冷凝器分兩路流出，一路經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)制冷，另一路經(jīng)泵升壓后回鍋爐，重新生產(chǎn)工作蒸汽。

蒸汽噴射式制冷的特點(diǎn)：可以利用余熱、廢熱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)，但它對(duì)工作蒸汽的要求較高，噴射器（包括噴嘴、混合室和擴(kuò)壓器）的流動(dòng)損失大，效率比較低。

4） 吸附式制冷

吸附式制冷和吸收式制冷相同，都是通過(guò)消耗一定的熱能、利用液體汽化時(shí)吸收熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷，其系統(tǒng)圖如圖0-4所示。吸附式制冷系統(tǒng)由吸附器、蒸發(fā)器、冷凝器以及膨脹閥等幾部分組成。

工作過(guò)程：首先是利用固體吸附劑對(duì)某種制冷劑有吸附作用，吸附能力與吸附溫度有關(guān)。固體吸附劑受熱，吸附床內(nèi)壓力不斷上升，上升到冷凝壓力開(kāi)始解析出制冷劑，并在冷凝器里冷凝為液體，節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器。同時(shí)，當(dāng)固體吸附劑冷卻后，吸附床內(nèi)壓力下降，下降到低于蒸發(fā)壓力時(shí)開(kāi)始吸附制冷劑蒸氣，蒸發(fā)器中的制冷劑吸熱汽化產(chǎn)生冷量，實(shí)現(xiàn)制冷過(guò)程。

從工作過(guò)程可以看出，由加熱、解吸、冷凝與冷卻、吸附、蒸發(fā)交替進(jìn)行，它是一種間歇式制冷。要實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷輸出，就必須采用兩臺(tái)或多臺(tái)吸附器，通過(guò)多臺(tái)吸附器加熱/冷卻運(yùn)行狀態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供冷。

目前，比較成熟的工質(zhì)對(duì)有：活性炭-甲醇、沸石-水、活性炭-氨、硅膠-水、金屬氫化物-氫、氯化鈣-氨以及氯化鍶-氨等，目前應(yīng)該用最廣泛的是活性炭-甲醇。

吸附式制冷的特點(diǎn)：吸附式制冷可以以太陽(yáng)能、工業(yè)余熱等低品位能源作為驅(qū)動(dòng)力，采用非氟氯烴類(lèi)物質(zhì)為制冷劑，系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件少，有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是系統(tǒng)循環(huán)周期太長(zhǎng)、制冷量相對(duì)較小、COP有待進(jìn)一步提高。

（2）熱電制冷

熱電制冷的機(jī)理完全不同于蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷。熱電制冷利用的是溫差電效應(yīng)（珀?duì)柼?yīng)）的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷的。

1834年法國(guó)物理學(xué)家珀?duì)柼阢~絲的兩頭各接一根鉍絲，在將兩根鉍絲分別接到直流電源的正、負(fù)極上，通電后，發(fā)現(xiàn)一個(gè)接頭變熱，另一個(gè)接頭變冷，這說(shuō)明兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過(guò)時(shí)，兩個(gè)接頭處分別發(fā)生了吸、放熱現(xiàn)象，這就是珀?duì)柼?yīng)。它就是熱電制冷的依據(jù)。

珀?duì)柼?yīng)的大小主要取決于兩種材料的熱電性。純金屬的導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性好，其金屬電偶回路產(chǎn)生的珀?duì)柼?yīng)也很小，制冷效率不到1%。半導(dǎo)體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定了它產(chǎn)生的溫差電效應(yīng)要比其他金屬更加顯著，所以熱電制冷都采用半導(dǎo)體材料，故熱電制冷也稱(chēng)為半導(dǎo)體制冷。其原理圖如圖0-5所示，它由金屬片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和導(dǎo)線(xiàn)將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體連接成一個(gè)回路，回路由低壓直流電源供電。當(dāng)電流經(jīng)金屬片Ⅰ進(jìn)入N型半導(dǎo)體時(shí)，在連接處就會(huì)放出熱量，形成熱端；當(dāng)電流由N型半導(dǎo)體進(jìn)入金屬片Ⅲ時(shí)，連接處就會(huì)吸收熱量，形成冷端；當(dāng)電流由金屬片進(jìn)入到P型半導(dǎo)體時(shí)，在與金屬片Ⅱ的連接處會(huì)放出熱量，形成熱端。

熱電制冷是靠P型半導(dǎo)體中的空穴和N型半導(dǎo)體中的電子在運(yùn)動(dòng)中直接傳遞能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不需要制冷劑來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。熱電制冷沒(méi)有壓縮機(jī)、沒(méi)有機(jī)械裝置，工作時(shí)無(wú)噪聲、無(wú)污染，設(shè)備尺寸小、重量輕、啟動(dòng)快、使用靈活；但是熱電制冷用的半導(dǎo)體材料價(jià)格高、耗電多、效率低，因此不適合在大規(guī)模的用冷場(chǎng)合。

（3）氣體膨脹制冷

氣體膨脹制冷是人工制冷方法中發(fā)明最早的方法之一，是利用高壓氣體的絕熱膨脹來(lái)達(dá)到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過(guò)程來(lái)制冷，其原理如圖0-6所示。氣體膨脹制冷系統(tǒng)由制冷換熱器、壓縮機(jī)、冷卻器以及膨脹機(jī)四部分組成。

工作過(guò)程：低溫低壓的空氣或制冷劑在制冷換熱器中低壓吸熱升溫后進(jìn)入壓縮機(jī)，被絕熱壓縮升溫升壓，然后進(jìn)入冷卻器冷卻到常溫（將熱量釋放給環(huán)境介質(zhì)水或空氣）后進(jìn)入膨脹機(jī)，在膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹，降溫降壓后進(jìn)入制冷換熱器內(nèi)繼續(xù)吸收被冷卻物體的熱量（實(shí)現(xiàn)制冷），溫度升高后又被吸入到壓縮機(jī)進(jìn)行新的循環(huán)。

常用的制冷工質(zhì)為空氣、二氧化碳、氮?dú)獾取?/p>

（4）渦流管制冷

渦流管制冷與蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷的制冷機(jī)理完全不同。它是一種借助渦流管的作用使高速氣流產(chǎn)生漩渦分離出冷、熱兩股氣流，利用冷氣流而獲得制冷的方法。渦流管主要由噴嘴、渦流室、冷端管、熱端管、熱端控制閥以及壓縮氣體等組成，其工作原理如圖0-7所示。壓縮氣體進(jìn)入渦流管后，在噴嘴中膨脹減壓增速，從切線(xiàn)方向射向渦流室，在渦流室中高速旋轉(zhuǎn)，形成自由渦流，經(jīng)過(guò)自由渦流層與層之間的動(dòng)能和熱量交換，產(chǎn)生能量分離效應(yīng)，分離成溫度不同的兩部分氣流。中心部分的氣流溫度較低，外層部分的氣流溫度較高。高溫流體經(jīng)過(guò)熱端控制閥的邊緣部分流出，低溫流體碰撞熱端控制閥中心部位后返流至渦流室冷孔板中心孔流出，可以同時(shí)獲得制冷和制熱兩種效應(yīng)。通過(guò)調(diào)節(jié)熱端控制閥的開(kāi)度可以調(diào)節(jié)冷、熱氣流的比例，可以得到最佳制冷效應(yīng)或最佳制熱效應(yīng)。

渦流管制冷無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、啟動(dòng)快、輕巧、方便攜帶，不需要用電、制冷劑等，但是渦流管制冷效率較低、噪聲較大，適用于有高壓氣源或可以廉價(jià)獲得高壓氣體的場(chǎng)合。