0.4　人工制冷的方法

在制冷技术中，人工制冷方法很多，目前广泛使用的制冷方法有以下几种。

（1）相变制冷

物质有三态：固态、液态、气态。物质的状态发生改变称为相变。相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称为潜热。一般固体融化为液体、固体升华为气体、液体汽化为气体都要产生吸热效应。

所谓相变制冷就是利用物质在一定的低温下相变吸热来制冷。有制冷效应的相变过程有熔解、汽化和升华，其中广泛应用的是液体汽化制冷，它常见的应用形式有四种：蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和蒸汽喷射式制冷。在空气调节用制冷技术中，蒸气压缩式制冷和吸收式制冷应用最为广泛。

1） 蒸气压缩式制冷

在普通制冷温度范围内，蒸气压缩式制冷是应用最为广泛的制冷系统，它属于液体汽化相变制冷，以消耗一定的电能或机械能为代价实现热量由低温物体向高温物体的转移。系统流程图如图0-1所示，蒸气压缩式制冷系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀4个基本部件构成，通过制冷剂管道将它们连接为一个系统。

其工作过程为：低温低压的制冷剂液体在蒸发器内吸收被冷却物体的热量（制备冷量）汽化为低温低压的制冷剂蒸气，被压缩机吸入、压缩为高温高压的制冷剂蒸气，进入到冷凝器，将热量释放给冷却介质水或空气后，高温高压的制冷剂蒸气冷凝为高温高压的制冷剂液体，再进入膨胀阀节流降压为低温低压的制冷剂液体，之后又进入到蒸发器吸收被冷却物体的热量实现制冷，如此循环往复。

2） 吸收式制冷

在普通的制冷温度范围内，吸收式制冷的应用也比较广泛。吸收式制冷也是利用制冷剂液体在低温下吸热汽化来实现制冷，与蒸气压缩式不同的是消耗热能而非机械能。吸收式制冷的工作与原理如图0-2所示，系统主要由四个热交换设备组成，即发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器组成，它们组成两个循环：制冷剂循环和吸收剂循环。

其工作过程为：图0-2左半部分所示的为制冷剂循环，蒸发器内的制冷剂吸收了被冷却物体的热量变成制冷剂蒸气，被吸收器内的吸收剂吸收后，由溶液泵输送至发生器，在发生器内吸收外界的热量，制冷剂从制冷剂-吸收剂溶液中分离出来进入到冷凝器，在冷凝器中向环境介质放热，冷凝为高压常温液体后，经节流装置节流成低温低压的气-液混合物进入蒸发器，在蒸发器中吸收被冷却物体的热量，汽化成低温低压的制冷剂蒸气，如此循环往复。图0-2所示的右半部分为吸收剂循环（图中虚线部分），属正循环，主要有吸收器、发生器和溶液泵组成。吸收器中的液体吸收剂不断吸收蒸发器中产生的低压制冷剂蒸气，以达到维持蒸发器内低压的目的。吸收剂吸收制冷剂蒸气后形成的制冷剂-吸收剂溶液，经溶液泵升压后进入发生器。在发生器中，该溶液吸收外界供给的热量后被加热、沸腾，其中低沸点的制冷剂汽化形成高压气态制冷剂，与吸收剂分离进入冷凝器，浓缩后的吸收剂溶液经降压后返回吸收器，再次吸收来自蒸发器的低温低压的制冷剂蒸气。整个吸收剂循环相当于蒸气压缩式制冷循环中的制冷压缩机。

3） 蒸汽喷射式制冷

蒸汽喷射式制冷和吸收式制冷相同，都是通过消耗一定的热能、利用液体汽化时吸收热量来实现制冷。蒸汽喷射式制冷系统图如图0-3所示，系统主要由喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀、锅炉及泵几部分组成，其中喷射器由喷嘴、混合室和扩压器三部分组成。

工作过程：用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴，膨胀并高速流动（流速可达1000m/s以上），于是在喷嘴出口处，造成很低的压力，由于混合室和蒸发器相连，所以蒸发器中的压力也会很低，低温低压的部分水吸热汽化，将未汽化的水温度降低，这部分低温水用来制冷，蒸发器中产生的制冷剂水蒸气和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入扩压器，在扩压器中，流速降低压力升高后进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液态冷凝水再经冷凝器分两路流出，一路经节流降压后进蒸发器，继续蒸发制冷，另一路经泵升压后回锅炉，重新生产工作蒸汽。

蒸汽喷射式制冷的特点：可以利用余热、废热，结构简单，加工方便，没有运动部件，使用寿命长，但它对工作蒸汽的要求较高，喷射器（包括喷嘴、混合室和扩压器）的流动损失大，效率比较低。

4） 吸附式制冷

吸附式制冷和吸收式制冷相同，都是通过消耗一定的热能、利用液体汽化时吸收热量来实现制冷，其系统图如图0-4所示。吸附式制冷系统由吸附器、蒸发器、冷凝器以及膨胀阀等几部分组成。

工作过程：首先是利用固体吸附剂对某种制冷剂有吸附作用，吸附能力与吸附温度有关。固体吸附剂受热，吸附床内压力不断上升，上升到冷凝压力开始解析出制冷剂，并在冷凝器里冷凝为液体，节流降压后进入蒸发器。同时，当固体吸附剂冷却后，吸附床内压力下降，下降到低于蒸发压力时开始吸附制冷剂蒸气，蒸发器中的制冷剂吸热汽化产生冷量，实现制冷过程。

从工作过程可以看出，由加热、解吸、冷凝与冷却、吸附、蒸发交替进行，它是一种间歇式制冷。要实现连续制冷输出，就必须采用两台或多台吸附器，通过多台吸附器加热/冷却运行状态的切换，实现连续供冷。

目前，比较成熟的工质对有：活性炭-甲醇、沸石-水、活性炭-氨、硅胶-水、金属氢化物-氢、氯化钙-氨以及氯化锶-氨等，目前应该用最广泛的是活性炭-甲醇。

吸附式制冷的特点：吸附式制冷可以以太阳能、工业余热等低品位能源作为驱动力，采用非氟氯烃类物质为制冷剂，系统中运动部件少，有节能、环保、结构简单、无噪声、运行稳定等优点，但是系统循环周期太长、制冷量相对较小、COP有待进一步提高。

（2）热电制冷

热电制冷的机理完全不同于蒸气压缩式制冷、吸收式制冷。热电制冷利用的是温差电效应（珀尔帖效应）的原理来实现制冷的。

1834年法国物理学家珀尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷，这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸、放热现象，这就是珀尔帖效应。它就是热电制冷的依据。

珀尔帖效应的大小主要取决于两种材料的热电性。纯金属的导电性好、导热性好，其金属电偶回路产生的珀尔帖效应也很小，制冷效率不到1%。半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差电效应要比其他金属更加显著，所以热电制冷都采用半导体材料，故热电制冷也称为半导体制冷。其原理图如图0-5所示，它由金属片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和导线将P型半导体和N型半导体连接成一个回路，回路由低压直流电源供电。当电流经金属片Ⅰ进入N型半导体时，在连接处就会放出热量，形成热端；当电流由N型半导体进入金属片Ⅲ时，连接处就会吸收热量，形成冷端；当电流由金属片进入到P型半导体时，在与金属片Ⅱ的连接处会放出热量，形成热端。

热电制冷是靠P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子在运动中直接传递能量来实现的，不需要制冷剂来实现能量的转移。热电制冷没有压缩机、没有机械装置，工作时无噪声、无污染，设备尺寸小、重量轻、启动快、使用灵活；但是热电制冷用的半导体材料价格高、耗电多、效率低，因此不适合在大规模的用冷场合。

（3）气体膨胀制冷

气体膨胀制冷是人工制冷方法中发明最早的方法之一，是利用高压气体的绝热膨胀来达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷，其原理如图0-6所示。气体膨胀制冷系统由制冷换热器、压缩机、冷却器以及膨胀机四部分组成。

工作过程：低温低压的空气或制冷剂在制冷换热器中低压吸热升温后进入压缩机，被绝热压缩升温升压，然后进入冷却器冷却到常温（将热量释放给环境介质水或空气）后进入膨胀机，在膨胀机内进行绝热膨胀，降温降压后进入制冷换热器内继续吸收被冷却物体的热量（实现制冷），温度升高后又被吸入到压缩机进行新的循环。

常用的制冷工质为空气、二氧化碳、氮气等。

（4）涡流管制冷

涡流管制冷与蒸气压缩式制冷、吸收式制冷的制冷机理完全不同。它是一种借助涡流管的作用使高速气流产生漩涡分离出冷、热两股气流，利用冷气流而获得制冷的方法。涡流管主要由喷嘴、涡流室、冷端管、热端管、热端控制阀以及压缩气体等组成，其工作原理如图0-7所示。压缩气体进入涡流管后，在喷嘴中膨胀减压增速，从切线方向射向涡流室，在涡流室中高速旋转，形成自由涡流，经过自由涡流层与层之间的动能和热量交换，产生能量分离效应，分离成温度不同的两部分气流。中心部分的气流温度较低，外层部分的气流温度较高。高温流体经过热端控制阀的边缘部分流出，低温流体碰撞热端控制阀中心部位后返流至涡流室冷孔板中心孔流出，可以同时获得制冷和制热两种效应。通过调节热端控制阀的开度可以调节冷、热气流的比例，可以得到最佳制冷效应或最佳制热效应。

涡流管制冷无运动部件、启动快、轻巧、方便携带，不需要用电、制冷剂等，但是涡流管制冷效率较低、噪声较大，适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。