Part.01 制冷的相關知識

a、制冷的概念

制冷：用人工的方法在一定時間和一定空間内将某物體或流體冷卻，使其溫度降到環境溫度以下，并維持這個低溫的過程。

實現制冷的途徑有兩種：

（1）天然冷卻

利用天然冰或深井水冷卻物體，但其制冷量和可能達到的制冷溫度往往不能滿足生産需要。

（2）人工制冷

利用制冷設備加入熱量，使熱量從低溫物體向高溫物體轉移的過程。

b、制冷的分類

按照制冷所得到的低溫範圍，制冷技術應用範圍劃分為以下4個領域：

表1 制冷技術劃分

c、制冷的基本原理

由于熱量隻能自動地從高溫物體傳給低溫物體，因此實現制冷必須包括消耗能量的補償過程。

制冷機的基本原理：利用某種工質的狀态變化，從較低溫度的熱源吸取一定的熱量QC，通過一個消耗功W的補償過程，向較高溫度的熱源放出熱量QH,在這一過程中，由能量守恒得QH=QC W。

圖1制冷基本工作原理

Part.02

制冷系統的制冷方法及工作原理

物質相變制冷

物質有三種集态：氣态、液态、固态。物質集态的改變稱為相變。相變過程中，由于物質分子重新排列和分子熱運動速度的改變，會吸收或放出熱量，這種熱量稱為潛熱。物質發生從質密态到質稀态的相變時，将吸收潛熱；反之，當它發生由質稀态向質密态的相變時，放出潛熱。相變制冷就是利用前者的吸熱效應而實現的。利用液體相變的是液體蒸發制冷；利用固體相變的是固體融化或升華冷卻。

液體蒸發制冷以流體作制冷劑，通過一定的機器設備構成制冷循環，可以對被冷卻對象實現連續制冷。它是制冷技術中使用的主要方法。

固體相變冷卻則是以一定數量的固體物質作制冷劑，作用于被冷卻對象，實現冷卻降溫。一旦固體全部相變，冷卻過程即告終止。

蒸氣壓縮式制冷

01

單級蒸氣壓縮式制冷理想循環

圖2蒸氣壓縮式制冷循環原理圖

單級蒸氣壓縮式制冷系統由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器四個基本部件組成。

˂1˃蒸發器中産生的低壓制冷劑蒸氣被壓縮機吸入，經壓縮後以高壓氣體排出。

˂2˃壓縮機排出的高壓氣态制冷劑進入冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結成高壓液體。

˂3˃高壓液體流經膨脹閥時節流，變成低壓低溫的氣液兩相混合物，進入蒸發器。

˂4˃液态制冷劑在蒸發器中蒸發制冷，産生的低壓氣再次被壓縮機吸入，如此周而複始，不斷循環。

蒸氣壓縮式制冷系統中，用壓縮機抽出低壓氣并将其提高壓力後排出。氣體壓縮過程需要消耗能量，由輸入壓縮機的機械能或電能提供。

02

雙級蒸氣壓縮式制冷循環

˂1˃一次節流中間完全冷卻循環

圖3一次節流中間完全冷卻循環原理圖

壓縮過程分兩階段進行：

來自蒸發器的低溫制冷劑蒸氣（壓力為P0）先進入低壓級壓縮機，在其中壓縮到中間壓力Pm。

經過中間冷卻器冷卻（分為兩種情況——中間完全冷卻為飽和蒸氣和中間不完全冷卻為過熱蒸氣）。

再進入高壓級壓縮機，将其壓縮為冷凝壓力PK，排入冷凝器中。

圖4 氟泵供液的一級節流中間完全冷卻制冷循環

流程圖

˂2˃一次節流中間不完全冷卻循環

其工作過程與一次節流中間完全冷卻循環的主要區别在于，低壓級壓縮機的排氣不進入中間冷卻器，而是與來自中間冷卻器的飽和蒸氣在管路中混合，然後進入高壓級壓縮機，因此，高壓級壓縮機吸入的是中間壓力下的過熱蒸氣。

圖5一次節流中間不完全冷卻循環原理圖

˂3˃兩次節流中間完全冷卻循環

圖6兩次節流中間完全冷卻循環圖

˂4˃二次節流中間不完全冷卻雙級蒸氣壓縮式制冷循環

圖7兩次節流中間不完全冷卻循環圖

中間冷卻程度的選擇取決于制冷劑的性質。對于壓縮過程溫升不太大的制冷劑，如氟利昂類制冷劑往往希望壓縮機吸氣具有一定的過熱，宜采用中間不完全冷卻。對于壓縮過程溫升較大的制冷劑，例如氨，則不希望壓縮機吸氣過熱，應采用中間完全冷卻。

03

複疊式制冷

當制冷循環的溫差大到一定程度時，無法用一種制冷劑有效地制冷。解決的辦法是：将總的制冷循環溫差分割成2個或多個區段，每個區段用性質相宜的制冷劑循環，即：用高/中沸點的制冷劑循環承擔高溫區段的制冷，用低沸點的制冷劑循環承擔低溫區段的制冷，将它們疊加起來，達到最終要求的制冷溫度，這就是複疊式制冷。

圖8複疊式制冷系統與循環原理圖

圖9兩個單級系統組成的複疊式制冷機

圖10 三個單級壓縮循環組成的複疊式制冷機

Part.04

其它制冷方法

蒸氣吸收式制冷

01

圖11蒸氣吸收式制冷循環原理圖

整個系統包括兩個回路：制冷劑回路和溶液回路。

系統中使用制冷劑和吸收劑作為工作流體，稱為吸收式制冷的工質對。吸收劑對制冷劑氣體有很強的吸收能力，吸收劑吸收了制冷劑氣體後形成溶液，溶液經加熱後又能釋放出制冷劑氣體。因此，可以用溶液回路取代壓縮機的作用，構成蒸氣吸收式制冷循環。

制冷劑回路由冷凝器、膨脹閥、蒸發器組成。高壓制冷劑氣體在冷凝器中冷凝，産生的高壓制冷劑液體經節流後到蒸發器蒸發制冷。溶液回路由發生器 、吸收器、溶液節流裝置、溶液熱交換器和溶液泵組成。在吸收器中，吸收劑吸收來自蒸發器的低壓制冷劑蒸氣，形成富含制冷劑的溶液，将該溶液用泵送到發生器，經加熱使溶液中的制冷劑重新以高壓氣态發生出來，送入冷凝器。另一方面，發生後的溶液重新恢複到原來成分，經冷卻、節流後成為具有吸收能力的吸收液，進入吸收器，吸收來自蒸發器的低壓制冷劑蒸氣。吸收過程中伴随釋放吸收熱，為了保證吸收的順利進行，需要用冷卻的方法帶走吸收熱，以免吸收液溫度升高。

表2吸收式制冷與蒸氣壓縮式制冷的比較

蒸氣噴射式制冷

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蒸氣噴射式制冷的基本系統組成部件包括噴射器、冷凝器、蒸發器、節流閥和泵。噴射器由噴管、混合室和擴壓室三部分組成。噴射器的混合室與蒸發器相連，擴壓室出口與冷凝器相連。

圖12蒸氣噴射式制冷循環原理圖

工作過程為：用鍋爐産生高溫高壓工作蒸氣，工作蒸氣進入噴管，在噴管中膨脹并以高速（可達1000m/s以上）流動，于是在噴管出口處造成很低的壓力，使蒸發器中的水在低溫下蒸發。由于水汽化時需從未汽化的水中吸收潛熱，因而使汽化的水溫度降低。這部分低溫水便可用于空氣調節或其他生産工藝過程。蒸發器中産生的冷劑水蒸氣與工作蒸氣在噴管出口處混合，一起進入擴壓室；在擴壓室中流動的蒸氣流速逐漸降低，壓力逐漸升高，以較高壓力進入冷凝器，被外部冷卻水冷卻變成液态水。從冷凝器流出的液态水分兩路：一路經節流降壓後送回蒸發器，繼續蒸發制冷；另一路用泵提高壓力送回鍋爐，重新加熱産生工作蒸氣。

蒸氣噴射式制冷劑具有如下特點：補償能的形式是熱能，可以不用電能；結構簡單；加工方便；沒有運動部件；使用壽命長；因而具有一定的使用價值；例如用于制取空調所需的冷水。但這種制冷機所需的工作蒸氣壓力高，噴射器的不可逆損失大，效率較低。因此，在空調冷水機組中采用溴化锂吸收式制冷機比用蒸氣噴射式制冷機具有明顯優勢。

吸 附 制 冷

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吸附制冷系統也是以熱能為動力的能量轉換系統。其原理是：一定的固體吸附劑對某種制冷劑氣體具有吸附作用，而且吸附能力随吸附劑溫度的改變而不同。利用這種性質，固體吸附劑受熱解吸出制冷劑，在制冷劑壓力達到冷凝壓力時開始解吸—冷凝過程，制冷劑被冷凝為液體；反之當吸附劑受到冷卻時，當吸附床壓力低于蒸發壓力時即能開始吸附蒸氣，制冷劑液體蒸發，實現吸附—制冷過程。

所以，吸附制冷的工作介質是吸附劑—制冷劑工質對。工質對有多種，按吸附機理分類：物理吸附式制冷、化學吸附式制冷。

圖13蒸氣吸附式制冷原理圖

由于吸附式制冷是由加熱—解吸—冷凝與冷卻—吸附—蒸發制冷兩個過程交替進行，因而它是一種間隙式制冷方式。

電、磁、聲制冷

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熱電制冷

熱電制冷又稱為溫差電制冷或半導體制冷，是利用熱電效應（即帕爾貼效應）的一種制冷方法。

圖14熱電制冷原理圖

當直流電源接通，上面接頭的電流方向是N-P，溫度降低，并且吸熱，形成冷端；下面接頭的電流方向是P-N，溫度上升，并且放熱，形成熱端。把若幹對熱電偶連接起來就構成了常用的熱電堆，借助各種傳熱器件，使熱電堆的熱端不斷散熱，并保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱，産生低溫，這就是半導體制冷的工作原理。太陽能半導體制冷系統就是利用半導體的熱電制冷效應，由太陽能電池直接供給所需的直流電，達到制冷制熱的效果。

磁制冷

基于磁熱效應的磁制冷是傳統的蒸氣循環制冷技術的一種有希望的替代方法。固體磁性物質在受磁場作用磁化時，系統的磁有序度加強（磁熵減小），對外放出熱量；再将其去磁，則磁有序度下降（磁熵增大），又要從外界吸收熱量。這種磁性離子系統在磁場施加與除去過程中所出現的熱現象稱為磁熱效應。

聲制冷

聲制冷是利用熱聲效應的一種制冷方法。熱聲效應是指可壓縮流體的聲震蕩與固體介質之間由于熱相互作用而産生的時均能量效應。聲能是一種振蕩形式的能量，聲波在空氣中傳播時會産生壓力的波動和位移的波動，還會引起溫度的波動。當聲波所引起的壓力、位移、溫度波動作用到固體邊界時，就會發生明顯的聲波能量與熱能的想換轉換，這就是熱聲效應。如果能夠實現熱能與聲能的相互轉化并與外界熱源的熱量交換，即可制成聲發動機和聲制冷機。

圖15聲制冷機的基本組成

氣 體 渦 流 制 冷

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渦流冷卻效應的實質是利用人工方法産生旋渦使氣體分為冷、熱兩部分。利用分離出來的冷氣流即可制冷。

圖16 渦流管結構及工作過程示意圖

1—進氣管 2—噴嘴 3—渦流室 4—孔闆

5—冷端管子 6—熱端管子 7—控制閥

氣 體 膨 脹 制 冷

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氣體膨脹制冷是人工制冷方法中發明最早的方法之一。與液體汽化制冷相比，空氣膨脹制冷是一種沒有相變的制冷方法，所采用的工質主要是空氣，也可以是CO2，O2，N2，He等其它理想氣體。目前，在氣體液化裝置及低溫制冷機中，主要采用的膨脹制冷方法有壓縮氣體絕熱節流，等熵膨脹和等溫膨脹。前兩種方法造成氣體降溫，有時稱為内冷法，後一種方法使氣體在等溫下吸熱。

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