制冷系统的多种制冷方式及工作原理

Part.01 制冷的相关知识

a、制冷的概念

制冷：用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并维持这个低温的过程。

实现制冷的途径有两种：

（1）天然冷却

利用天然冰或深井水冷却物体，但其制冷量和可能达到的制冷温度往往不能满足生产需要。

（2）人工制冷

利用制冷设备加入热量，使热量从低温物体向高温物体转移的过程。

b、制冷的分类

按照制冷所得到的低温范围，制冷技术应用范围划分为以下4个领域：

表1 制冷技术划分

c、制冷的基本原理

由于热量只能自动地从高温物体传给低温物体，因此实现制冷必须包括消耗能量的补偿过程。

制冷机的基本原理：利用某种工质的状态变化，从较低温度的热源吸取一定的热量QC，通过一个消耗功W的补偿过程，向较高温度的热源放出热量QH,在这一过程中，由能量守恒得QH=QC+W。

图1制冷基本工作原理

Part.02

制冷系统的制冷方法及工作原理

物质相变制冷

物质有三种集态：气态、液态、固态。物质集态的改变称为相变。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。物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热；反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热。相变制冷就是利用前者的吸热效应而实现的。利用液体相变的是液体蒸发制冷；利用固体相变的是固体融化或升华冷却。

液体蒸发制冷以流体作制冷剂，通过一定的机器设备构成制冷循环，可以对被冷却对象实现连续制冷。它是制冷技术中使用的主要方法。

固体相变冷却则是以一定数量的固体物质作制冷剂，作用于被冷却对象，实现冷却降温。一旦固体全部相变，冷却过程即告终止。

蒸气压缩式制冷

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单级蒸气压缩式制冷理想循环

图2蒸气压缩式制冷循环原理图

单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四个基本部件组成。

˂1˃蒸发器中产生的低压制冷剂蒸气被压缩机吸入，经压缩后以高压气体排出。

˂2˃压缩机排出的高压气态制冷剂进入冷凝器，被常温的冷却水或空气冷却，凝结成高压液体。

˂3˃高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气液两相混合物，进入蒸发器。

˂4˃液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，产生的低压气再次被压缩机吸入，如此周而复始，不断循环。

蒸气压缩式制冷系统中，用压缩机抽出低压气并将其提高压力后排出。气体压缩过程需要消耗能量，由输入压缩机的机械能或电能提供。

02

双级蒸气压缩式制冷循环

˂1˃一次节流中间完全冷却循环

图3一次节流中间完全冷却循环原理图

压缩过程分两阶段进行：

来自蒸发器的低温制冷剂蒸气（压力为P0）先进入低压级压缩机，在其中压缩到中间压力Pm。

经过中间冷却器冷却（分为两种情况——中间完全冷却为饱和蒸气和中间不完全冷却为过热蒸气）。

再进入高压级压缩机，将其压缩为冷凝压力PK，排入冷凝器中。

图4 氟泵供液的一级节流中间完全冷却制冷循环

流程图

˂2˃一次节流中间不完全冷却循环

其工作过程与一次节流中间完全冷却循环的主要区别在于，低压级压缩机的排气不进入中间冷却器，而是与来自中间冷却器的饱和蒸气在管路中混合，然后进入高压级压缩机，因此，高压级压缩机吸入的是中间压力下的过热蒸气。

图5一次节流中间不完全冷却循环原理图

˂3˃两次节流中间完全冷却循环

图6两次节流中间完全冷却循环图

˂4˃二次节流中间不完全冷却双级蒸气压缩式制冷循环

图7两次节流中间不完全冷却循环图

中间冷却程度的选择取决于制冷剂的性质。对于压缩过程温升不太大的制冷剂，如氟利昂类制冷剂往往希望压缩机吸气具有一定的过热，宜采用中间不完全冷却。对于压缩过程温升较大的制冷剂，例如氨，则不希望压缩机吸气过热，应采用中间完全冷却。

03

复叠式制冷

当制冷循环的温差大到一定程度时，无法用一种制冷剂有效地制冷。解决的办法是：将总的制冷循环温差分割成2个或多个区段，每个区段用性质相宜的制冷剂循环，即：用高/中沸点的制冷剂循环承担高温区段的制冷，用低沸点的制冷剂循环承担低温区段的制冷，将它们叠加起来，达到最终要求的制冷温度，这就是复叠式制冷。

图8复叠式制冷系统与循环原理图

图9两个单级系统组成的复叠式制冷机

图10 三个单级压缩循环组成的复叠式制冷机

Part.04

其它制冷方法

蒸气吸收式制冷

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图11蒸气吸收式制冷循环原理图

整个系统包括两个回路：制冷剂回路和溶液回路。

系统中使用制冷剂和吸收剂作为工作流体，称为吸收式制冷的工质对。吸收剂对制冷剂气体有很强的吸收能力，吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液，溶液经加热后又能释放出制冷剂气体。因此，可以用溶液回路取代压缩机的作用，构成蒸气吸收式制冷循环。

制冷剂回路由冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成。高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝，产生的高压制冷剂液体经节流后到蒸发器蒸发制冷。溶液回路由发生器 、吸收器、溶液节流装置、溶液热交换器和溶液泵组成。在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气，形成富含制冷剂的溶液，将该溶液用泵送到发生器，经加热使溶液中的制冷剂重新以高压气态发生出来，送入冷凝器。另一方面，发生后的溶液重新恢复到原来成分，经冷却、节流后成为具有吸收能力的吸收液，进入吸收器，吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气。吸收过程中伴随释放吸收热，为了保证吸收的顺利进行，需要用冷却的方法带走吸收热，以免吸收液温度升高。

表2吸收式制冷与蒸气压缩式制冷的比较

蒸气喷射式制冷

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蒸气喷射式制冷的基本系统组成部件包括喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀和泵。喷射器由喷管、混合室和扩压室三部分组成。喷射器的混合室与蒸发器相连，扩压室出口与冷凝器相连。

图12蒸气喷射式制冷循环原理图

工作过程为：用锅炉产生高温高压工作蒸气，工作蒸气进入喷管，在喷管中膨胀并以高速（可达1000m/s以上）流动，于是在喷管出口处造成很低的压力，使蒸发器中的水在低温下蒸发。由于水汽化时需从未汽化的水中吸收潜热，因而使汽化的水温度降低。这部分低温水便可用于空气调节或其他生产工艺过程。蒸发器中产生的冷剂水蒸气与工作蒸气在喷管出口处混合，一起进入扩压室；在扩压室中流动的蒸气流速逐渐降低，压力逐渐升高，以较高压力进入冷凝器，被外部冷却水冷却变成液态水。从冷凝器流出的液态水分两路：一路经节流降压后送回蒸发器，继续蒸发制冷；另一路用泵提高压力送回锅炉，重新加热产生工作蒸气。

蒸气喷射式制冷剂具有如下特点：补偿能的形式是热能，可以不用电能；结构简单；加工方便；没有运动部件；使用寿命长；因而具有一定的使用价值；例如用于制取空调所需的冷水。但这种制冷机所需的工作蒸气压力高，喷射器的不可逆损失大，效率较低。因此，在空调冷水机组中采用溴化锂吸收式制冷机比用蒸气喷射式制冷机具有明显优势。

吸 附 制 冷

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吸附制冷系统也是以热能为动力的能量转换系统。其原理是：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，而且吸附能力随吸附剂温度的改变而不同。利用这种性质，固体吸附剂受热解吸出制冷剂，在制冷剂压力达到冷凝压力时开始解吸—冷凝过程，制冷剂被冷凝为液体；反之当吸附剂受到冷却时，当吸附床压力低于蒸发压力时即能开始吸附蒸气，制冷剂液体蒸发，实现吸附—制冷过程。

所以，吸附制冷的工作介质是吸附剂—制冷剂工质对。工质对有多种，按吸附机理分类：物理吸附式制冷、化学吸附式制冷。

图13蒸气吸附式制冷原理图

由于吸附式制冷是由加热—解吸—冷凝与冷却—吸附—蒸发制冷两个过程交替进行，因而它是一种间隙式制冷方式。

电、磁、声制冷

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热电制冷

热电制冷又称为温差电制冷或半导体制冷，是利用热电效应（即帕尔贴效应）的一种制冷方法。

图14热电制冷原理图

当直流电源接通，上面接头的电流方向是N-P，温度降低，并且吸热，形成冷端；下面接头的电流方向是P-N，温度上升，并且放热，形成热端。把若干对热电偶连接起来就构成了常用的热电堆，借助各种传热器件，使热电堆的热端不断散热，并保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热，产生低温，这就是半导体制冷的工作原理。太阳能半导体制冷系统就是利用半导体的热电制冷效应，由太阳能电池直接供给所需的直流电，达到制冷制热的效果。

磁制冷

基于磁热效应的磁制冷是传统的蒸气循环制冷技术的一种有希望的替代方法。固体磁性物质在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。

声制冷

声制冷是利用热声效应的一种制冷方法。热声效应是指可压缩流体的声震荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的时均能量效应。声能是一种振荡形式的能量，声波在空气中传播时会产生压力的波动和位移的波动，还会引起温度的波动。当声波所引起的压力、位移、温度波动作用到固体边界时，就会发生明显的声波能量与热能的想换转换，这就是热声效应。如果能够实现热能与声能的相互转化并与外界热源的热量交换，即可制成声发动机和声制冷机。

图15声制冷机的基本组成

气 体 涡 流 制 冷

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涡流冷却效应的实质是利用人工方法产生旋涡使气体分为冷、热两部分。利用分离出来的冷气流即可制冷。

图16 涡流管结构及工作过程示意图

1—进气管 2—喷嘴 3—涡流室 4—孔板

5—冷端管子 6—热端管子 7—控制阀

气 体 膨 胀 制 冷

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气体膨胀制冷是人工制冷方法中发明最早的方法之一。与液体汽化制冷相比，空气膨胀制冷是一种没有相变的制冷方法，所采用的工质主要是空气，也可以是CO2，O2，N2，He等其它理想气体。目前，在气体液化装置及低温制冷机中，主要采用的膨胀制冷方法有压缩气体绝热节流，等熵膨胀和等温膨胀。前两种方法造成气体降温，有时称为内冷法，后一种方法使气体在等温下吸热。