不同制冷方式的比较

不同制冷方式的比较毕恩兴牛宏亮（西安铁路职业技术学院，陕西，西安 710014）摘要：本文简要介绍了蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、半导体制冷、热声制冷、磁制冷等制冷方式的基本原理及研究进展，围绕环保、节能、安全三大主题讨论了各种制冷方式的应用前景及局限性。

关键词：制冷环保节能安全Comparison of Different RefriationBi Enxing Niu Hhongliang(Xi’an Railway Vocational & Technical Institute)Abstract: The paper introduces the principles and the R&D of steam compress refrigeration, absorption refrigeration，adsorption refrigeration，semiconductor refrigeration，magnetic refrigeration，Thermoacoustic refrigeration, discuss the application foreground and the limit about various refrigeration in environment protection, energy conservation, and safety. Keywords: refrigeration, environment protection, energy conservation, safety1 前言在现代社会，制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥巨大作用。

生活中，制冷广泛用于食品冷加工、冷贮藏、冷藏运输，适应性空气调节，体育运动中制造人工冰场等；工业生产中，为生产环境提供必要的恒温、恒湿环境，对材料进行低温处理，利用低温进行零件间的过盈配合等；农牧业中，对农作物的种子进行低温处理等；建筑工程中，利用制冷实现冻土开采土方；现代医学也离不开制冷，深低温冷冻骨髓和外周血干细胞、手术中的低温麻醉等；制冷技术还在尖端科学领域如微电子技术、新型材料、宇宙开发、生物技术的研究和开发中起着举足轻重的作用。

可以说，现代技术进步是伴随着制冷技术发展起来的。

不同的制冷方式在不同领域发挥着巨大的作用，但同时在环保、节能、安全等方面也遇到了许多难题，人们在研究开发制冷技术的过程中，正在想办法克服各种困难，让制冷技术更好地造福人类。

2 蒸汽压缩式制冷2.1 基本原理蒸汽压缩式制冷是由不同直径的管路组成的一个闭合回路系统，制冷剂在其中流动，并产生液态——气态——液态的重复变化，依靠气体的压缩和膨胀使制冷工质（制冷剂）发生相的改变，利用制冷剂气化时吸热、冷凝液化时放热，达到制冷的目的。

制冷系统的主要部件有压缩机、冷凝器、毛细管或膨胀阀、蒸发器等。

2．2应用领域由于蒸汽压缩式制冷在高温区的制冷（制热）效率高（3.2以上），技术成熟，广泛应用于工农业生产及日常生活中。

现在使用的电冰柜、家用电冰箱、厨房冰箱、家用空调器、列车空调器、中央空调器、冷库、冷藏运输车等几乎都是这种制冷方式。

2．3局限性蒸汽压缩式制冷需要的制冷剂，对大气臭氧层破坏严重，还产生温室效应，国际社会为了保护我们赖以生存的地球环境，已开始全面禁止CFC12制冷剂、逐步禁止HCFC22制冷剂的生产和使用。

另外结构比较复杂，有较大的运行噪声，在低温区制冷效率很低，制冷区域的环境温度有一定的波动，这些也限制了这种制冷方式在某些领域的应用。

2．4研究进展在替代制冷工质方面，CFC12的替代物，主要有HFC134a和HC600a。

但是HC600a安全性较差，且该物质的气体对地球表面产生雾的能力很大，不利于环保和安全；HFC134a的温室效应指数稍高，需要专用压缩机，且生产成本偏高。

HCFC22的替代物，主要有R407C、R 410A和HFC134a等。

但是R407C、R410A和HFC134a都需要专用压缩机，替代物与润滑油和材料的相容性较差，生产成本偏高，且效率较低。

目前正在研究用CO2 作为制冷剂的蒸汽压缩式制冷系统，但在压缩机、换热器等关键部件、制冷效率及系统优化等方面还有许多技术问题有待解决。

3吸收式制冷3.1 基本原理吸收式制冷循环是外界热源向发生器内加入热量，产生压力较高的制冷剂蒸汽，然后在冷凝器中冷凝液化成液体，再经降压后进入蒸发器内蒸发，以吸收低温热源的热量，达到制冷的目的。

其主要部件发生器（如果需要，还应配备精馏部分）、蒸发器、节流阀等。

3．2应用领域由于溴化锂吸收式制冷主要利用低品位热能（废热）进行制冷，在环保和节能方面的优势显著，世界许多国家都在研究应用这种制冷方法。

采用高效传热管和微机控制的溴化锂吸收式制冷机、直燃型双效溴化锂吸收式制冷机组、蒸汽与热水并用余热型溴化锂吸收式制冷机组、热水型二级溴化锂吸收式制冷机组等在大型建筑和工业领域大规模推广应用。

3．3局限性溴化锂吸收式制冷系统结构复杂、机组庞大、制冷效率较低、运行噪声较大、制冷范围较小，加上溴化锂对金属有较强的腐蚀作用，因此，其应用范围相对较小。

3．4研究进展由于该制冷技术在环保和节能方面的显著优势，使该项技术也成为制冷界的科技人员研究的热点之一，目前主要集中在以下几个方面：（一）吸收式制冷（制热）循环的研究，（二）新工质对的研究，（三）传热与传质的研究，（四）智能化控制方式的研究。

4固体吸附式制冷4.1 基本原理固体吸附式制冷系统主要有吸附床（发生器）、冷凝器、单向阀和蒸发器四部分组成。

当吸附床被加热时，已被吸附剂吸附的吸附质（制冷工质）从吸附剂表面脱出（脱附），系统内分压力逐渐升高，当分压力达到环境温度对应的饱和压力时，脱附出来的吸附质开始液化，进入蒸发器。

液化时产生的热量通过冷凝器由冷却介质（水或空气）带走。

停止加热时，吸附床上的吸附剂开始吸附由蒸发器送来的吸附质蒸汽，并造成系统中的真空状态，使液体吸附质在蒸发器中不断气化，吸收被冷却空间的热量，从而达到制冷的目的。

4．2应用领域由于固体吸附式制冷系统可以利用废热、太阳能等热源，在保护环境、节约能源、降低成本方面有很大优势，同时无运动部件、无噪声、抗震性好等优点，使其在船舶制冷、太阳能冰箱、汽车空调、宇航低温制冷等领域得到了较多的应用。

4．3局限性由于固体吸附式制冷的COP不高、制冷功率不大、制冷范围较小、设备尺寸较大、设备成本较大，在较大程度上限制了它的应用。

4．4研究进展固体吸附式制冷系统的研究主要在以下五个方面：（一）寻找理想的吸附工质对，已研究的吸附工质对有活性炭—甲醇工质对、沸石—水工质对、硅胶—水工质对、氯化钙—氨工质对、氯化锶—氨工质对、氯化钙—甲醇工质对等。

（二）吸附床的强化传热，主要研究改善吸附介质和改进吸附床结构。

（三）使用先进的循环方式，主要有连续回热式、热波式、双流热波式、双效或三效复叠式等。

（四）太阳能固体吸附式制冷技术。

（五）余热吸附式制冷技术。

5半导体制冷5.1 基本原理半导体制冷也叫热电制冷，其基本元件是电偶，由金属电极连接俩个电偶臂组成，一个臂用P型（空穴型）半导体材料制作，另一个臂用N型（电子型）半导体材料制作。

电偶俩端加上直流电压后，外电场迫使载荷体在回路中按一定的方向运动，金属电桥的一侧变冷，另一侧变热；当改变电流的方向时，得到相反的效应，从而达到制冷（制热）的目的。

5．2应用领域其主要应用有：（一）在电子技术中对电子线路中的元器件（如光电倍增管、红外探测器、光敏器件、功率器件等）进行冷却，能有效改善其参数稳定性、改善信噪比，提高放大及测量装置的灵敏度和准确度。

（二）在工业上电子冷冻车削、电子冷冻铣削、电子冷冻磨削、电子冷冻铸造、液膜冰液等，解决了器件加工的表面烧伤、应力消除等问题。

（三）在医学方面半导体制冷应用于PCR仪、呼吸机气泵等。

5．3局限性由于半导体制冷效率较低、能耗大、制冷范围相对较小，在需要的制冷量较大的场合应用受到一定限制。

5．4研究进展围绕提高制冷效率，（一）在寻找高效的半导体制冷材料，主要有研制功能性非均质材料、方钴矿、带量子空穴的超晶格、超导材料等。

（二）改善半导体致冷器的结构工艺，主要有：“无限级联”温差电对技术、锥状电臂的应用技术、热端吸热器的改进等方面进行了大量研究，取得辽一定进展。

6热声制冷61 基本原理热声制冷是利用热声之间相互转化的原理，根据空气在受压后升温，膨胀后降温的原理利用金属风箱不停地给声波周围的空气加压，制冷机产生的热量被输送到机器外部，而收到制冷效果的空间则温度显著下降，以达到制冷的目的。

热声制冷系统主要由热声驱动器、高温热源、低温热源和两相介质组成。

6．2应用领域及局限性由于热声制冷制冷效率较低、输出功率小、制冷系统结构复杂、技术尚不成熟，目前主要还在样机研制和试验阶段。

只有极个别用于海军军舰上冷却雷达电子系统。

6．4研究进展热声驱动脉管制冷机、驻波型热声压缩机驱动单级双向进气脉管制冷机、太阳能驱动的热声制冷机、高频的微型驱动的热声制冷机等都在研制当中。

声波制冷技术的意义几乎可以与激光技术相提并论。

但是，采用声波制冷的冰箱可能在制冷效率上还达不到氟制冷剂的效果，这意味着科研机构必须为此投入更多的研发资金，但任何一项技术在其问世之初都不可能尽善尽美。

可以肯定的是，未来声波制冷的冰箱一定会走入寻常百姓家。

7磁制冷7.1 基本原理磁制冷是利用磁性材料的磁热效应制冷，利用外磁场的变化引起磁性材料自身磁熵的改变（磁相变），同时伴随着材料的吸热和放热过程进行制冷。

对于铁磁性材料来说，磁热效应在居里温度附近最为显著，当由外磁场作用（等温磁化）时，该材料的磁熵值降低并放出热量；反之，当除去外磁场（绝热退磁）时，材料的磁熵值升高并吸收热量。

磁制冷是采用磁性物质作为制冷工质进行制冷，制冷系统主要由热开关、超导磁体、蓄冷器、换热器等组成。

7．2应用领域主要应用在航空、航天、军事、医疗、生物技术、科学研究等领域的低温和超低温（1 K以下）制冷方面，例如用于卫星、宇宙飞船、等航天器的参数监测和数据处理系统中，氦的液化制冷系统中，核去磁冷却技术中，医疗上用磁制冷低温技术冷冻精子等，特别是在超低温区制冷是别的制冷方式无法比拟的。

7．3局限性由于中温区和高温区的磁制冷介质尚处在研究阶段，技术尚不成熟、制冷系统结构复杂、技术含量高、价格昂贵，中温（20K～80K）和高温（80K以上）制冷的推广应用尚有待时日。

7．4研究进展具有较大磁效应的纳米磁性材料、由常温超导体制成的能产生强磁场的电磁体、高效率的蓄冷技术和换热技术、使用合理的制冷循环等课题正在研究之中。