[科普中國]-制冷循環(huán)

概述

是通過制冷工質(zhì)（也稱制冷劑、雪種）將熱量從低溫物體（如冷庫等）移向高溫物體（如大氣環(huán)境）的循環(huán)過程，從而將物體冷卻到低于環(huán)境溫度，并維持此低溫，這一過程是利用制冷裝置來實(shí)現(xiàn)的。由熱力學(xué)第二定律可知，熱量從低溫物體移向高溫物體不可能自動、無補(bǔ)償?shù)剡M(jìn)行，因此必須提供機(jī)械能（或熱能等），以確保包括低溫冷源、高溫?zé)嵩?、功源（或向循環(huán)供能的源）在內(nèi)的孤立系統(tǒng)的熵不減小。

制冷循環(huán)的重要參數(shù)是制冷系數(shù)，工程上也稱之為制冷裝置的工作性能系數(shù)，用符號COP表示。在一定的環(huán)境溫度下，冷庫溫度越低，制冷系數(shù)就越小。（因此為取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，沒有必要把冷庫的溫度定得超乎尋常的低。這也是一切實(shí)際制冷循環(huán)遵循的原則。）

制冷循環(huán)包括壓縮式制冷循環(huán)、吸收式制冷循環(huán)、吸附式制冷循環(huán)、蒸氣噴射制冷循環(huán)及半導(dǎo)體制冷等。壓縮式制冷循環(huán)又可分為壓縮氣體制冷循環(huán)和壓縮蒸氣制冷循環(huán)。目前世界上運(yùn)行的制冷裝置絕大部分是壓縮氣體制冷循環(huán)。以往，制冷循環(huán)應(yīng)用的制冷劑多半為商品名為氟利昂的氯氟烴物質(zhì)CFC、含氫氯氟烴HCFC和氨等。但由于日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，CFC、HCFC正逐漸被對環(huán)境友善的新型制冷劑替代。1

工程應(yīng)用壓縮空氣制冷循環(huán)由于空氣定溫加熱和定溫排熱不易實(shí)現(xiàn)，故不能按逆向卡諾循環(huán)運(yùn)行。在壓縮空氣制冷循環(huán)中，用兩個定壓過程來代替逆向卡諾循環(huán)的兩個定溫過程，故可視為逆向布雷頓循環(huán)。工程應(yīng)用中，壓縮機(jī)可以是活塞式的或是葉輪式的。

從冷庫出來的空氣進(jìn)入壓氣機(jī)后被絕熱壓縮，溫度升到環(huán)境溫度以上；然后進(jìn)入冷卻器，在定壓下將熱量傳給冷卻水，溫度等同于環(huán)境溫度；再導(dǎo)入膨脹機(jī)絕熱膨脹，溫度進(jìn)一步降到冷庫溫度以下；最后進(jìn)入冷庫，定壓吸熱（吸收的熱量稱為制冷量），完成循環(huán)。2

回?zé)崾綁嚎s空氣制冷循環(huán)從冷庫出來的空氣首先進(jìn)入回?zé)崞?，升溫到環(huán)境溫度；接著進(jìn)入葉輪式壓氣機(jī)壓縮升溫；然后進(jìn)入冷卻器實(shí)現(xiàn)定壓放熱降溫，理論上可以重新降到環(huán)境溫度（此時工質(zhì)處于高壓狀態(tài)）；隨后進(jìn)入回?zé)崞鬟M(jìn)一步定壓降溫到冷庫溫度，再進(jìn)入葉輪式膨脹機(jī)實(shí)現(xiàn)定熵膨脹過程，更進(jìn)一步地降壓降溫，最后進(jìn)入冷庫定壓吸熱，完成循環(huán)。

此種循環(huán)和上面的壓縮空氣制冷循環(huán)共同的缺點(diǎn)有二：其一，不能實(shí)現(xiàn)定溫吸、排熱過程，使循環(huán)偏離了逆向卡諾循環(huán)而降低了經(jīng)濟(jì)性；其二，空氣的比熱容較小，單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量也較小，這個缺點(diǎn)在回?zé)崾街锌梢愿纳?，但仍不能根本消除?

壓縮蒸氣制冷循環(huán)壓縮蒸氣的逆向卡諾制冷循環(huán)理論上可以實(shí)現(xiàn)，但是會出現(xiàn)干度過低的狀態(tài)，不利于兩相物質(zhì)壓縮。為了避免不利因素、增大制冷效率及簡化設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中常采用節(jié)流閥（或稱膨脹閥）替代膨脹機(jī)。

制冷工質(zhì)從冷庫定壓氣化吸熱后（此時工質(zhì)通常為干飽和蒸氣或接近干飽和蒸氣），再進(jìn)入壓縮機(jī)在絕熱狀態(tài)下壓縮，溫度超過環(huán)境溫度，然后進(jìn)入冷凝器向環(huán)境介質(zhì)等壓散熱；在冷凝器內(nèi)，過熱的制冷劑蒸氣先等壓降溫到對應(yīng)于當(dāng)前壓力的飽和溫度，然后繼續(xù)等壓（同時也是等溫）冷凝成飽和液狀態(tài)，進(jìn)入節(jié)流閥，在節(jié)流閥處絕熱節(jié)流降溫、降壓至對應(yīng)于循環(huán)起始壓力的濕飽和蒸氣狀態(tài)，再進(jìn)入冷庫氣化吸熱，完成循環(huán)。

壓縮蒸氣制冷循環(huán)采用低沸點(diǎn)物質(zhì)作制冷劑，利用在濕蒸氣區(qū)定壓即定溫的特性，在低溫下定壓氣化吸熱制冷，可以克服上述壓縮空氣、回?zé)釅嚎s空氣循環(huán)的部分缺點(diǎn)。2

吸收式制冷循環(huán)吸收式制冷循環(huán)利用制冷劑在溶液中不同溫度下具有不同溶解度的特性，使制冷劑在較低的溫度和壓力下被吸收劑（即溶劑）吸收，同時又使它在較高的溫度和壓力下從溶液中蒸發(fā)，完成循環(huán)實(shí)現(xiàn)制冷目的。

以溴化鋰為吸收劑，水做制冷劑的吸收式制冷循環(huán)為例：從冷凝器流出的飽和水經(jīng)節(jié)流閥降壓降溫，形成干度很小的濕飽和蒸氣。進(jìn)入蒸發(fā)器從冷庫吸熱，定壓汽化，成為干度很大的濕飽和蒸氣或干飽和蒸氣，送入吸收器。與此同時，蒸汽發(fā)生器中因水蒸發(fā)而濃度升高的溴化鋰溶液經(jīng)減壓閥后也流入吸收器，吸收從蒸發(fā)器來的飽和水蒸氣，生成稀溴化鋰溶液，吸收過程中放出的熱量由冷卻水帶走。稀溴化鋰溶液由溶液泵加壓送入蒸汽發(fā)生器并被加熱。由于溫度升高，水在溴化鋰溶液中的溶解度降低，蒸汽逸出液面形成與溶液平衡的較高壓力和溫度的水蒸氣。水蒸氣之后進(jìn)入冷凝器，放熱凝結(jié)成飽和水，完成循環(huán)。

此種制冷循環(huán)耗功很小，因?yàn)檠h(huán)中升壓是通過溶液泵壓縮液體完成的；其次是加熱濃溶液的外熱源溫度不需很高，甚至可利用余熱、地?zé)岷吞柲埽^為經(jīng)濟(jì)環(huán)保。1

氣流引射式制冷循環(huán)此種循環(huán)在實(shí)際應(yīng)用中利用噴射器或引射器代替壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)對制冷用蒸氣的壓縮，以消耗較高壓力的蒸氣來實(shí)現(xiàn)制冷。制冷溫度在3~10度范圍內(nèi)時，可采用水蒸氣作為制冷劑。循環(huán)中有兩路水蒸汽循環(huán)，一路是工作蒸汽循環(huán)，一路是逆向循環(huán)（此路循環(huán)起制冷作用）。

鍋爐中產(chǎn)生的水蒸氣在噴管內(nèi)絕熱膨脹到很低的壓力，因而造成混合室內(nèi)壓力較低，于是將作為制冷工質(zhì)的蒸汽吸入。兩路蒸汽混合后進(jìn)入擴(kuò)壓管，利用蒸汽在經(jīng)過噴管時得到的動能將混合汽壓縮，使壓力增加到其飽和溫度比冷凝器中的冷卻水溫度稍高的值。此后，蒸汽進(jìn)入冷凝器，凝結(jié)成液態(tài)。由冷凝器出來的凝結(jié)水一部分由水泵升壓送入鍋爐，完成工作蒸汽循環(huán)。其余的流經(jīng)減壓節(jié)流閥，降壓降溫后進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化制冷，完成逆向循環(huán)。

這種循環(huán)除水泵消耗少量電力或機(jī)械功外，不需要動力機(jī)和壓縮機(jī)，代之以構(gòu)造簡單體積小的引射式壓縮器，在有蒸汽的場合有采用價值，但是經(jīng)濟(jì)性較差，且所能達(dá)到的最低溫度不宜低于5度，故僅適用于空調(diào)和冷藏，不可用作冷凍。1

特殊的制冷循環(huán)：熱電循環(huán)當(dāng)直流電通過兩種不同導(dǎo)體組成的回路時，節(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象，這就是珀爾貼效應(yīng)，其本質(zhì)是導(dǎo)體中的自由電子（載流子）從一種材料向另一種材料遷移通過節(jié)點(diǎn)時，因每種材料載流子的勢能不同而與外界交換能量，以滿足能量守恒。

實(shí)用的熱電制冷裝置是用半導(dǎo)體電偶組成的。在半導(dǎo)體材料中，n型材料有多余電子；p型材料則電子不足。若將一只p型和一只n型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成電偶，接上直流電后，接頭處就會產(chǎn)生溫差，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移；若將一些半導(dǎo)體熱電偶在電路中串聯(lián)，就可構(gòu)成一個常見的制冷熱電堆。若電流方向是n流向p，則降溫吸熱，為冷端，反之則為熱端。

此種制冷循環(huán)不需制冷劑，無運(yùn)動部件、無噪聲、無振動、無磨損、易于小型化，使用直流電工作，較為穩(wěn)定，且維護(hù)方便，壽命較長。但是它成本較高，效率較低，制造復(fù)雜和必須用直流電等缺點(diǎn)，限制了它的推廣和應(yīng)用。1