不同制冷方式的比較

不同制冷方式的比較畢恩興牛宏亮（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西，西安710014）摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、半導(dǎo)體制冷、熱聲制冷、磁制冷等制冷方式的基本原理及研究進(jìn)展，圍繞環(huán)保、節(jié)能、安全三大主題討論了各種制冷方式的應(yīng)用前景及局限性。關(guān)鍵詞：制冷環(huán)保節(jié)能安全ComparisonofDifferentRefriationBiEnxingNiuHhongliang（Xi’anRailwayVocational&TechnicalInstitute）Abstract:ThepaperintroducestheprinciplesandtheR&Dofsteamcompressrefrigeration,absorptionrefrigeration，adsorptionrefrigeration，semiconductorrefrigeration，magneticrefrigeration，Thermoacousticrefrigeration,discusstheapplicationforegroundandthelimitaboutvariousrefrigerationinenvironmentprotection,energyconservation,andsafety.Keywords:refrigeration,environmentprotection,energyconservation,safety1刖言在現(xiàn)代社會(huì)，制冷技術(shù)已經(jīng)幾乎滲透到各個(gè)生產(chǎn)技術(shù)、科學(xué)研究領(lǐng)域，并在改善人類的生活質(zhì)量方面發(fā)揮巨大作用。生活中，制冷廣泛用于食品冷加工、冷貯藏、冷藏運(yùn)輸，適應(yīng)性空氣調(diào)節(jié)，體育運(yùn)動(dòng)中制造人工冰場(chǎng)等；工業(yè)生產(chǎn)中，為生產(chǎn)環(huán)境提供必要的恒溫、恒濕環(huán)境，對(duì)材料進(jìn)行低溫處理，利用低溫進(jìn)行零件間的過(guò)盈配合等；農(nóng)牧業(yè)中，對(duì)農(nóng)作物的種子進(jìn)行低溫處理等；建筑工程中，利用制冷實(shí)現(xiàn)凍土開(kāi)采土方；現(xiàn)代醫(yī)學(xué)也離不開(kāi)制冷，深低溫冷凍骨髓和外周血干細(xì)胞、手術(shù)中的低溫麻醉等；制冷技術(shù)還在尖端科學(xué)領(lǐng)域如微電子技術(shù)、新型材料、宇宙開(kāi)發(fā)、生物技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)中起著舉足輕重的作用?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步是伴隨著制冷技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。不同的制冷方式在不同領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，但同時(shí)在環(huán)保、節(jié)能、安全等方面也遇到了許多難題，人們?cè)谘芯块_(kāi)發(fā)制冷技術(shù)的過(guò)程中，正在想辦法克服各種困難，讓制冷技術(shù)更好地造福人類。2蒸汽壓縮式制冷2.1基本原理蒸汽壓縮式制冷是由不同直徑的管路組成的一個(gè)閉合回路系統(tǒng)，制冷劑在其中流動(dòng)，并產(chǎn)生液態(tài)一一氣態(tài)一一液態(tài)的重復(fù)變化，依靠氣體的壓縮和膨脹使制冷工質(zhì)（制冷劑）發(fā)生相的改變，利用制冷劑氣化時(shí)吸熱、冷凝液化時(shí)放熱，達(dá)到制冷的目的。制冷系統(tǒng)的主要部件有壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管或膨脹閥、蒸發(fā)器等。2應(yīng)用領(lǐng)域由于蒸汽壓縮式制冷在高溫區(qū)的制冷（制熱）效率高（3.2以上），技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中。現(xiàn)在使用的電冰柜、家用電冰箱、廚房冰箱、家用空調(diào)器、列車空調(diào)器、中央空調(diào)器、冷庫(kù)、冷藏運(yùn)輸車等幾乎都是這種制冷方式。3局限性蒸汽壓縮式制冷需要的制冷劑，對(duì)大氣臭氧層破壞嚴(yán)重，還產(chǎn)生溫室效應(yīng)，國(guó)際社會(huì)為了保護(hù)我們賴以生存的地球環(huán)境，已開(kāi)始全面禁止CFC12制冷劑、逐步禁止HCFC22制冷劑的生產(chǎn)和使用。另外結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有較大的運(yùn)行噪聲，在低溫區(qū)制冷效率很低，制冷區(qū)域的環(huán)境溫度有一定的波動(dòng)，這些也限制了這種制冷方式在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。4研究進(jìn)展在替代制冷工質(zhì)方面，CFC12的替代物，主要有HFC134a和HC600a。但是HC600a安全性較差，且該物質(zhì)的氣體對(duì)地球表面產(chǎn)生霧的能力很大，不利于環(huán)保和安全；HFC134a的溫室效應(yīng)指數(shù)稍高，需要專用壓縮機(jī)，且生產(chǎn)成本偏高。HCFC22的替代物，主要有R407C、R410A和HFC134a等。但是R407C、R410A和HFC134a都需要專用壓縮機(jī)，替代物與潤(rùn)滑油和材料的相容性較差，生產(chǎn)成本偏高，且效率較低。目前正在研究用CO2作為制冷劑的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，但在壓縮機(jī)、換熱器等關(guān)鍵部件、制冷效率及系統(tǒng)優(yōu)化等方面還有許多技術(shù)問(wèn)題有待解決。3吸收式制冷3.1基本原理吸收式制冷循環(huán)是外界熱源向發(fā)生器內(nèi)加入熱量，產(chǎn)生壓力較高的制冷劑蒸汽，然后在冷凝器中冷凝液化成液體，再經(jīng)降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，以吸收低溫?zé)嵩吹臒崃浚_(dá)到制冷的目的。其主要部件發(fā)生器（如果需要，還應(yīng)配備精餾部分）、蒸發(fā)器、節(jié)流閥等。2應(yīng)用領(lǐng)域由于漠化鋰吸收式制冷主要利用低品位熱能（廢熱）進(jìn)行制冷，在環(huán)保和節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)顯著，世界許多國(guó)家都在研究應(yīng)用這種制冷方法。采用高效傳熱管和微機(jī)控制的漠化鋰吸收式制冷機(jī)、直燃型雙效漠化鋰吸收式制冷機(jī)組、蒸汽與熱水并用余熱型漠化鋰吸收式制冷機(jī)組、熱水型二級(jí)漠化鋰吸收式制冷機(jī)組等在大型建筑和工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。3局限性漠化鋰吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)組龐大、制冷效率較低、運(yùn)行噪聲較大、制冷范圍較小，加上漠化鋰對(duì)金屬有較強(qiáng)的腐蝕作用，因此，其應(yīng)用范圍相對(duì)較小。4研究進(jìn)展由于該制冷技術(shù)在環(huán)保和節(jié)能方面的顯著優(yōu)勢(shì)，使該項(xiàng)技術(shù)也成為制冷界的科技人員研究的熱點(diǎn)之一，目前主要集中在以下幾個(gè)方面：（一）吸收式制冷（制熱）循環(huán)的研究，（二）新工質(zhì)對(duì)的研究，（三）傳熱與傳質(zhì)的研究，（四）智能化控制方式的研究。4固體吸附式制冷4.1基本原理固體吸附式制冷系統(tǒng)主要有吸附床（發(fā)生器）、冷凝器、單向閥和蒸發(fā)器四部分組成。當(dāng)吸附床被加熱時(shí)，已被吸附劑吸附的吸附質(zhì)（制冷工質(zhì)）從吸附劑表面脫出（脫附），系統(tǒng)內(nèi)分壓力逐漸升高，當(dāng)分壓力達(dá)到環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，脫附出來(lái)的吸附質(zhì)開(kāi)始液化，進(jìn)入蒸發(fā)器。液化時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷凝器由冷卻介質(zhì)（水或空氣）帶走。停止加熱時(shí)，吸附床上的吸附劑開(kāi)始吸附由蒸發(fā)器送來(lái)的吸附質(zhì)蒸汽，并造成系統(tǒng)中的真空狀態(tài)，使液體吸附質(zhì)在蒸發(fā)器中不斷氣化，吸收被冷卻空間的熱量，從而達(dá)到制冷的目的。2應(yīng)用領(lǐng)域由于固體吸附式制冷系統(tǒng)可以利用廢熱、太陽(yáng)能等熱源，在保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、降低成本方面有很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、抗震性好等優(yōu)點(diǎn)，使其在船舶制冷、太陽(yáng)能冰箱、汽車空調(diào)、宇航低溫制冷等領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用。3局限性由于固體吸附式制冷的COP不高、制冷功率不大、制冷范圍較小、設(shè)備尺寸較大、設(shè)備成本較大，在較大程度上限制了它的應(yīng)用。4研究進(jìn)展固體吸附式制冷系統(tǒng)的研究主要在以下五個(gè)方面：（一）尋找理想的吸附工質(zhì)對(duì)，已研究的吸附工質(zhì)對(duì)有活性炭一甲醇工質(zhì)對(duì)、沸石一水工質(zhì)對(duì)、硅膠一水工質(zhì)對(duì)、氯化鈣一氨工質(zhì)對(duì)、氯化鍶一氨工質(zhì)對(duì)、氯化鈣一甲醇工質(zhì)對(duì)等。（二）吸附床的強(qiáng)化傳熱，主要研究改善吸附介質(zhì)和改進(jìn)吸附床結(jié)構(gòu)。（三）使用先進(jìn)的循環(huán)方式，主要有連續(xù)回?zé)崾?、熱波式、雙流熱波式、雙效或三效復(fù)疊式等。（四）太陽(yáng)能固體吸附式制冷技術(shù)。（五）余熱吸附式制冷技術(shù)。5半導(dǎo)體制冷5.1基本原理半導(dǎo)體制冷也叫熱電制冷，其基本元件是電偶，由金屬電極連接倆個(gè)電偶臂組成，一個(gè)臂用P型（空穴型）半導(dǎo)體材料制作，另一個(gè)臂用N型（電子型）半導(dǎo)體材料制作。電偶倆端加上直流電壓后，外電場(chǎng)迫使載荷體在回路中按一定的方向運(yùn)動(dòng)，金屬電橋的一側(cè)變冷，另一側(cè)變熱；當(dāng)改變電流的方向時(shí)，得到相反的效應(yīng)，從而達(dá)到制冷（制熱）的目的。2應(yīng)用領(lǐng)域其主要應(yīng)用有：（一）在電子技術(shù)中對(duì)電子線路中的元器件（如光電倍增管、紅外探測(cè)器、光敏器件、功率器件等）進(jìn)行冷卻，能有效改善其參數(shù)穩(wěn)定性、改善信噪比，提高放大及測(cè)量裝置的靈敏度和準(zhǔn)確度。（二）在工業(yè)上電子冷凍車削、電子冷凍銑削、電子冷凍磨削、電子冷凍鑄造、液膜冰液等，解決了器件加工的表面燒傷、應(yīng)力消除等問(wèn)題。（三）在醫(yī)學(xué)方面半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于PCR儀、呼吸機(jī)氣泵等。3局限性由于半導(dǎo)體制冷效率較低、能耗大、制冷范圍相對(duì)較小，在需要的制冷量較大的場(chǎng)合應(yīng)用受到一定限制。4研究進(jìn)展圍繞提高制冷效率，（一）在尋找高效的半導(dǎo)體制冷材料，主要有研制功能性非均質(zhì)材料、方鉆礦、帶量子空穴的超晶格、超導(dǎo)材料等。（二）改善半導(dǎo)體致冷器的結(jié)構(gòu)工藝，主要有：“無(wú)限級(jí)聯(lián)”溫差電對(duì)技術(shù)、錐狀電臂的應(yīng)用技術(shù)、熱端吸熱器的改進(jìn)等方面進(jìn)行了大量研究，取得遼一定進(jìn)展。6熱聲制冷61基本原理熱聲制冷是利用熱聲之間相互轉(zhuǎn)化的原理，根據(jù)空氣在受壓后升溫，膨脹后降溫的原理利用金屬風(fēng)箱不停地給聲波周圍的空氣加壓，制冷機(jī)產(chǎn)生的熱量被輸送到機(jī)器外部，而收到制冷效果的空間則溫度顯著下降，以達(dá)到制冷的目的。熱聲制冷系統(tǒng)主要由熱聲驅(qū)動(dòng)器、高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩春蛢上嘟橘|(zhì)組成。2應(yīng)用領(lǐng)域及局限性由于熱聲制冷制冷效率較低、輸出功率小、制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)尚不成熟，目前主要還在樣機(jī)研制和試驗(yàn)階段。只有極個(gè)別用于海軍軍艦上冷卻雷達(dá)電子系統(tǒng)。4研究進(jìn)展熱聲驅(qū)動(dòng)脈管制冷機(jī)、駐波型熱聲壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)單級(jí)雙向進(jìn)氣脈管制冷機(jī)、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)、高頻的微型驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)等都在研制當(dāng)中。聲波制冷技術(shù)的意義幾乎可以與激光技術(shù)相提并論。但是，采用聲波制冷的冰箱可能在制冷效率上還達(dá)不到氟制冷劑的效果，這意味著科研機(jī)構(gòu)必須為此投入更多的研發(fā)資金，但任何一項(xiàng)技術(shù)在其問(wèn)世之初都不可能盡善盡美?？梢钥隙ǖ氖牵磥?lái)聲波制冷的冰箱一定會(huì)走入尋常百姓家。7磁制冷7.1基本原理磁制冷是利用磁性材料的磁熱效應(yīng)制冷，利用外磁場(chǎng)的變化引起磁性材料自身磁熵的改變（磁相變），同時(shí)伴隨著材料的吸熱和放熱過(guò)程進(jìn)行制冷。對(duì)于鐵磁性材料來(lái)說(shuō)，磁熱效應(yīng)在居里溫度附近最為顯著，當(dāng)由外磁場(chǎng)作用（等溫磁化）時(shí)，該材料的磁熵值降低并放出熱量；反之，當(dāng)除去外磁場(chǎng)（絕熱退磁）時(shí)，材料的磁熵值升高并吸收熱量。磁制冷是采用磁性物質(zhì)作為制冷工質(zhì)進(jìn)行制冷，制冷系統(tǒng)主要由熱開(kāi)關(guān)、超導(dǎo)磁體、蓄冷器、換熱器等組成。2應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用在航空、航天、軍事、醫(yī)療、生物技術(shù)、科學(xué)研究等領(lǐng)域的低溫和超低溫（1K以下）制冷方面，例如用于衛(wèi)星、宇宙飛船、等航天器的參數(shù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，氦的液化制冷系統(tǒng)中，核去磁冷卻技術(shù)中，醫(yī)療上用磁制冷低溫技術(shù)冷凍精子等，特別是在超低溫區(qū)制冷是別的制冷方式無(wú)法比擬的。3局限性由于中溫區(qū)和高溫區(qū)的磁制冷介質(zhì)尚處在研究階段，技術(shù)尚不成熟、制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、價(jià)格昂貴，中溫（20K?80K）和高溫（80K以上）制冷的推廣應(yīng)用尚有待時(shí)日。4研究進(jìn)展具有較大磁效應(yīng)的納米磁性材料、由常溫超導(dǎo)體制成的能產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的電磁體、高效率的蓄冷技術(shù)和換熱技術(shù)、使用合理的制冷循環(huán)等課題正在研究之中。8不同制冷方式的比較1蒸汽壓縮式制冷與其他制冷方式的比較蒸汽壓縮式制冷在高溫制冷領(lǐng)域，制冷效率最高，應(yīng)用最為廣泛，，居制冷行業(yè)的主導(dǎo)地位，目前在高溫制冷領(lǐng)域占90%以上的市場(chǎng)份額。但是，這種制冷方式所使用的“氟里昂”制冷劑，造成大氣中臭氧層空洞、溫室效應(yīng)等，嚴(yán)重破壞了地球的環(huán)境，在人們的環(huán)保、節(jié)能意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)的今天，這是它致命的缺點(diǎn)，如果再研究不出符合環(huán)保、節(jié)能、安全要求的綠色制冷劑，人們將忍痛割愛(ài)，毫不猶豫地用其他制冷方式代替這種制冷方式，因?yàn)槲覀冎挥幸粋€(gè)地球。2半導(dǎo)體制冷與其他制冷方式的比較半導(dǎo)體制冷器，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，可以制造得非常小巧，且無(wú)污染、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲、價(jià)格便宜，在小功率制冷（在制冷量小于20瓦，溫差不超過(guò)50r時(shí)，其制冷效率高于蒸汽壓縮式制冷）及特殊要求的制冷場(chǎng)合是別的制冷方式無(wú)法比擬的。但他的制冷效率很低，在大功率制冷領(lǐng)域目前不便推廣應(yīng)用。在研究出高效率的半導(dǎo)體制冷材料后，其應(yīng)用范圍會(huì)很廣。3磁制冷與其他制冷方式的比較在低溫和超低溫（極低溫）制冷領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在航空、航天及科學(xué)研究等高新技術(shù)領(lǐng)域的作用是其他制冷方式無(wú)法代替的。當(dāng)研究出常溫下的超導(dǎo)體和常溫下的高效熱磁材料后，這種環(huán)保、節(jié)能、安全的制冷方式將會(huì)得到普及，它將會(huì)改變?nèi)藗兊纳睢?.4固體吸附式制冷/吸收式制冷與其他制冷方式的比較在利用廢熱和太陽(yáng)能利用方面優(yōu)勢(shì)顯著，尤其是固體吸附式制冷器，在航空、航天、宇宙開(kāi)發(fā)中，利用太陽(yáng)能作為能源，可以長(zhǎng)時(shí)間在太空中工作。在全球能源匱乏的今天，這種環(huán)保、節(jié)能的制冷方式也是值得研究的課題。8.5熱聲制冷與蒸汽壓縮式制冷的比較熱聲制冷是21世紀(jì)以來(lái)發(fā)展的一種新的制冷技術(shù)，與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，熱聲制冷機(jī)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：無(wú)需使用污染環(huán)境的制冷劑，而是使用惰性氣體或其混合物作為工質(zhì)，因此不會(huì)導(dǎo)致使用的CFCS或HFCS臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)而危害環(huán)境；其基本機(jī)構(gòu)是非常簡(jiǎn)單和可靠，無(wú)需貴重材料，成本上具有很大的優(yōu)勢(shì)；它們無(wú)需振蕩的活塞和油密封或潤(rùn)滑，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)使得其壽命大大延長(zhǎng)。熱聲制冷技術(shù)幾乎克服了傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)，可成為下一代制冷新技術(shù)的發(fā)展方向。9結(jié)論除了以上介紹的幾種制冷方式外，還有蒸汽噴射式制冷、氣體膨脹制冷等制冷方式，同時(shí)人們還在研究自然冷能儲(chǔ)藏利用技術(shù)，這些制