6种常见制冷方式的原理、特点及应用

    制冷是通过人工方法获取低于环境温度的冷量 , 用于冷却物体或空间的过程 [1] 。工农业生产和人类生活都离不开制冷技术 , 其应用范围涵盖了食品加工与保鲜、舒适性空调、超导技术、航天航空等各个领域 [2] 。随着节能减排政策的推进 , 以及消费需求的升级转型 , 高效节能、环境友好、智能精准的制冷技术成为行业发展的必然趋势 [3] 。本文以六种代表性的制冷方式为研究对象 , 介绍其工作原理、结构组成与运行特点 , 并探讨其主要应用场景 , 旨在为制冷行业的技术进步提供有益参考。

 

一、 蒸汽压缩式制冷      

         

(一)工作原理     
蒸汽压缩式制冷是目前应用最广泛的一种制冷方式,其工作原理是利用制冷剂在蒸发器中蒸发吸热、在冷凝器中冷凝放热的相变过程来实现制冷[4]。系统主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四大部件组成,制冷剂在系统中经历"压缩-冷凝-节流-蒸发"四个状态变化[5]。
  (二)结构特点     
蒸汽压缩式制冷系统的核心部件是压缩机,常见的压缩机型式有活塞式、涡旋式、螺杆式等。冷凝器和蒸发器采用壳管式或套管式换热器,节流装置一般采用毛细管或电子膨胀阀。系统管路应做好保温,避免冷量损失[6]。
  (三)主要优缺点     
蒸汽压缩式制冷的优点是结构简单、效率较高、制冷量大,且调节方便、启停迅速。但其缺点是耗电量大,载冷剂对环境有一定影响,压缩机噪音较大[7]。
  (四)应用场景     
蒸汽压缩式制冷广泛应用于家用电冰箱、空调设备、超市冷柜、冷库冷藏等领域[8]。随着变频技术、电子膨胀阀等新技术的应用,蒸汽压缩机的能效水平和控制精度不断提升。

二、 吸收式制冷      

         

(一)工作原理     
吸收式制冷是以热能为驱动力,利用工质气液两相间的吸收和解吸过程来实现制冷[9]。常见的工质对有氨水和溴化锂水,其中以溴化锂吸收式制冷应用最为广泛。制冷剂水在低压蒸发器中蒸发吸热制冷,蒸发后的水蒸气被高浓度溴化锂溶液吸收,溶液再经过再生器加热,水蒸气被分离出来并在冷凝器中冷凝,溶液则回到吸收器循环使用[10]。
  (二)结构特点     
吸收式制冷机主要由蒸发器、吸收器、再生器、冷凝器、溶液热交换器等部件组成。蒸发器和冷凝器多采用壳管式换热器,吸收器和再生器为填料塔式[11]。溶液泵负责输送溶液,再生器中设置烧嘴或蒸汽盘管以提供热源。
  (三)主要优缺点     
吸收式制冷的优点是以热能为驱动力,可充分利用工业余热、太阳能、地热等低品位热源,运行费用低。且无需压缩机,噪音小,维护简单[12]。其缺点是设备庞大笨重,启动和调节相对缓慢,制冷温度较高,一般在5~10℃以上[13]。
  (四)应用场景     
吸收式制冷机组主要用于工业冷水、中央空调、食品冷藏等领域。近年来,太阳能溴化锂吸收式制冷、地源热泵与吸收式制冷耦合等新型应用不断涌现[14]。

 

三、 喷射式制冷      

         

(一)工作原理     
喷射式制冷利用高压蒸汽通过喷嘴喷射,在喷嘴出口处形成高速低压射流,引射蒸发器中的低压蒸汽,混合蒸汽在冷凝器中冷凝放热,再经过泵加压后进入蒸发器吸热蒸发制冷[15]。
  (二)结构特点     
喷射式制冷系统的核心部件是蒸汽喷射器,由蒸汽喷嘴、吸入室、扩压室、扩散管等组成。蒸发器和冷凝器通常采用列管式换热器。系统还需要设置闪蒸罐、循环泵等辅助设备[16]。
  (三)主要优缺点     
喷射式制冷的优点是结构简单紧凑,运动部件少,噪音低,维护工作量小。且可利用低品位热源驱动,运行成本较低[17]。其缺点是能效系数较低,单位冷量所需蒸汽量大,适用于小型设备[18]。  

 

 

四、吸附式制冷      

         

(一)工作原理     
吸附式制冷利用多孔固体吸附剂(如硅胶、活性炭、沸石等)对制冷剂的可逆吸附/脱附作用实现制冷[19]。当吸附剂吸附制冷剂蒸气时,蒸发器内的液态制冷剂蒸发吸热产生制冷效应;当吸附剂再生加热时,脱附的制冷剂蒸气被冷凝放热,完成一个制冷循环[20]。
  (二)结构特点     
吸附式制冷机的核心部件是吸附床,内装颗粒状或成型块状吸附剂。系统通常设置两个吸附床,交替进行吸附和再生,保证连续制冷。蒸发器和冷凝器采用壳管式或套管式换热器[21]。水通常作为制冷剂,与吸附剂组成工质对。
  (三)主要优缺点     
吸附式制冷的优点是可利用低温热源(如70~90℃)驱动,运行成本低,噪音小,无运动部件,维护简单[22]。其缺点是制冷量小,能效系数较低(一般<0.6),设备体积较大,对吸附剂性能要求高[23]。
  (四)应用场景     
吸附式制冷可应用于农产品储藏、仓库冷藏、餐饮冷柜等小型制冷领域,尤其适合于采用太阳能、工业余热等廉价热源的场合[24]。近年来,新型吸附工质的开发与应用成为研究热点。

 

五、热电制冷      

         

(一)工作原理     
热电制冷利用半导体的帕尔贴效应实现制冷,当两种不同导电材料构成回路并通以直流电时,在两导体的连接点处会出现吸热或放热效应[25]。串联多个P型和N型半导体并施加直流电压,就可获得连续的制冷量[26]。
  (二)结构特点     
热电制冷器的核心部件是由P型和N型热电偶组成的热电模块,两端分别与吸热端和放热端连接。系统还包括换热器、风扇、直流电源等辅助设备[27]。热电模块小巧轻便,可根据制冷量需求进行组合。
  (三)主要优缺点     
热电制冷的优点是体积小、重量轻、无噪音、无需制冷剂、启动快、温度调节精准,可实现-20~70℃的温度范围[28]。其缺点是能效系数较低(一般<1.0),制冷量小,单台设备的制冷量通常在几百瓦以下,成本较高[29]。
  (四)应用场景     
热电制冷广泛应用于医疗器械、精密仪器、航天航空、汽车控制、个人护理等领域[30]。典型产品有小型冰箱、饮水机、皮肤治疗仪等。随着高性能热电材料的发展,热电制冷的应用范围将进一步扩大。

 

六、磁制冷      

     

(一)工作原理     
磁制冷利用磁卡效应实现制冷,即顺磁性物质在外加磁场下绝热磁化时升温,绝热去磁时降温[31]。通过调控外加磁场并与低温热源/高温热源进行热交换,可获得连续的制冷效应[32]。
  (二)结构特点     
磁制冷机的核心部件是磁制冷工质和磁场发生装置。磁制冷工质主要有稀土金属及其合金、卡诺合金、Mn系合金等[33]。磁场发生装置可采用永磁体或超导电磁体。系统还包括用于热交换的流体回路、驱动装置等[34]。
  (三)主要优缺点     
磁制冷的优点是理论能效高,制冷温跨范围广(可从室温至20K),对环境友好,噪音低,可实现精准调温[35]。其缺点是设备成本高,目前仍处于实验室研究和样机开发阶段,尚未大规模商业化应用[36]。
  (四)应用场景     
磁制冷在超导技术、量子计算、航天探测等领域具有广阔的应用前景[37]。随着材料、制造等技术的发展,有望在家用电冰箱、中央空调等领域实现突破[38]。

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