常见制冷方式的原理、技术特点及应用

(一)工作原理    

蒸气压缩制冷是目前应用最广泛的制冷方式,其基本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,通过循环实现制冷目的。

蒸气压缩制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四大部件组成。低温低压的气态制冷剂由压缩机吸入并被压缩成高温高压气体,然后在冷凝器中与冷却介质换热冷凝为高压液体,再经节流装置节流降压,进入蒸发器吸收被冷却空间的热量蒸发为低温低压气体,重新进入压缩机,完成一个制冷循环。

(二)结构组成      

1.压缩机

压缩机是蒸气压缩制冷系统的心脏,其作用是将回到压缩机的低温低压制冷剂蒸气压缩成高温高压的蒸气。常用的压缩机类型有活塞式、涡旋式、螺杆式等。其中,活塞式结构简单,价格低廉,广泛用于家用电冰箱、空调等;涡旋式体积小,噪音低,效率高,多用于分体式空调;螺杆式适用于大排量工况,主要用于中央空调、冷库等。

2.冷凝器

冷凝器是制冷剂蒸气冷凝并放热的场所。按冷却方式可分为风冷式、水冷式和蒸发式三种。风冷冷凝器利用空气作为冷却介质,便于安装维护,但换热系数低,体积大;水冷冷凝器采用冷却水,换热效率高,体积小,但需考虑水源和水处理问题;蒸发式冷凝器兼具风冷和水冷的优点,换热系数高达150~200W/(㎡?K),但结构复杂,造价高。

3.节流装置

节流装置是连接冷凝器与蒸发器的纽带,起到降低制冷剂压力、调节制冷剂流量的作用。常见的节流装置有毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀。毛细管结构简单,价格低廉,但调节性差,易堵塞;热力膨胀阀能根据蒸发器出口过热度自动调节开度,调节性能好,但价格较贵;电子膨胀阀采用电子控制,调节精度高,但成本高,可靠性差。

4.蒸发器

蒸发器是制冷剂吸收热量、实现制冷的关键部件。常用的蒸发器有光管式、翅片管式、板翅式和喷淋式等。光管式传热系数低,霜层易堵塞,逐渐被淘汰;翅片管式换热面积大,传热强化显著,广泛应用于空调机组;板翅式采用多通道平行流道,分布均匀,传热效率高;喷淋式利用液滴与空气直接换热,结构紧凑,但易结垢。

(三)运行特点

1.制冷效率高。

蒸气压缩制冷的理论循环基于逆卡诺循环构建，在制冷技术中具有理论最高效率，其COP值通常为2-5，部分优化机型可达7以上（如磁悬浮机组COP可突破9）

2.输入功率大。

蒸气压缩制冷需要以压缩机为动力,耗电量大。以家用空调为例,其能效比一般为3.5,意味着产生1kW冷量就要消耗0.3kW电能,在夏季用电高峰时段,电网负荷骤增。

3.工质选择广。

蒸气压缩制冷工质正从传统氟利昂转向丙烷、异丁烷等天然工质及CO?、水等新型环保工质（如跨临界CO?热泵、水蒸气压缩机），其ODP和GWP极低，是未来制冷剂的发展方向。

4.适用范围广。

蒸气压缩制冷的应用范围非常广泛,从家用冰箱、空调,到汽车、高铁、飞机,再到建筑、冷链,乃至化工、冶金等工业领域,几乎覆盖了所有的制冷场合。

(一)工作原理     

吸收式制冷基于二元工质（如溴化锂-水）的相变与浓度差实现制冷循环，核心部件包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器及溶液热交换器。以溴化锂-水系统为例：发生器通过热源加热使溶液中的水蒸发为制冷剂蒸汽，冷凝器将蒸汽冷凝为液态，蒸发器内液态制冷剂吸热汽化产生冷量，吸收器则通过浓溶液吸收蒸汽恢复稀溶液，溶液热交换器实现浓稀溶液热量回收以提升能效

工作时,发生器加热溴化锂溶液,使其中的水蒸发成水蒸气,再经冷凝器冷凝成高压冷凝水,然后经节流阀节流为低温低压水,进入蒸发器与制冷水换热蒸发,吸收制冷水的热量,而后进入吸收器与发生器来的高浓度溴化锂溶液发生吸收放热反应,重新生成低浓度溴化锂溶液进入发生器,完成一个循环。

由于吸收式制冷以热能为驱动力,而非电驱动,因此也称为热驱动制冷。吸收式制冷机的性能系数COP一般为0.7~1.2,虽然低于压缩式制冷,但由于其直接利用废热、余热,避免了"电-热"转换环节,因此在高温热源充沛的场合,仍具有良好的节能效果。

(二)结构组成    

1.发生器

发生器是吸收式制冷机的核心部件,其作用是加热溴化锂溶液,使其中的水蒸发出来形成高压水蒸气。发生器多采用管壳式结构,高温热源引入壳程加热换热管内的溴化锂溶液。根据加热方式,可分为直燃式、蒸汽式、烟气式和热水式等。

2.冷凝器

冷凝器用于冷凝发生器产生的水蒸气。大型设备常采用蒸发式冷凝器,中小型设备多采用水冷或风冷式。冷凝器的换热系数直接影响发生器的蒸发温度和效率,提高冷凝器效率可显著提高COP。

3.蒸发器

蒸发器利用低温低压的冷凝水蒸发吸热,是制冷剂直接冷却被冷介质的场所。常用的蒸发器有壳管式、降膜式、喷淋式等,采用高效填料和多级蒸发可提升传热性能。

4.吸收器

吸收器是水蒸气被高浓度溴化锂溶液吸收并放热的场所。吸收放热量越大,发生器所需的加热量就越少。因此,提高吸收器传热效率是提升吸收式制冷机COP的关键。新型吸收器多采用板式结构,配以纳米流体强化传热,显热传递系数可提高30%以上。

5.溶液热交换器

溶液热交换器利用高温浓溶液对低温稀溶液进行预热,既减轻了发生器的加热负荷,又提高了循环工质的温度,避免了吸收器局部结晶,是提高COP的有效措施。板式换热器凭借其紧凑高效的特点,在溶液热交换领域应用广泛。

(三)运行特点     

1.热驱动。

吸收式制冷以热能为驱动力,可直接利用工业余热、废热,如烟气、蒸汽等,具有显著的节能效果,但对热源的温度和稳定性要求较高。

2.循环工质环保。

以水作为制冷剂、溴化锂溶液作为吸收剂,均为环保型工质,ODP和GWP几乎为零,对大气臭氧层和温室效应影响很小。

3.噪声低。

吸收式制冷无压缩机等高速旋转设备,其噪声主要来自溶液泵,噪声值一般低于50dB(A),远低于压缩机的噪声水平。

4.运行可靠。

由于无压缩机等精密移动部件,吸收式制冷机组可连续工作,运行稳定可靠,使用寿命可达15年以上。

5.空间占用大。

吸收式制冷机的单位制冷量体积大,是压缩式的2~3倍。且安装时需要预留冷却塔等辅助设备空间,占地面积大。

(四)应用实例      

1.余热制冷。

吸收式制冷在工业余热利用领域优势明显。以钢铁行业为例,高炉煤气、转炉煤气温度高达1600℃,采用双效溴化锂制冷机回收,可获得120℃蒸汽驱动制冷,COP可达1.3~1.4,夏季可替代50%以上的电制冷。

2.冷热电三联供。

吸收式制冷与内燃机、燃气轮机等热电联产系统耦合,可实现冷、热、电的梯级利用。机组尾气驱动溴化锂吸收式制冷机制冷,余热制取生活热水,发电机发电,综合能源利用率可达70%以上。

3.太阳能空调。

太阳能热水直接驱动溴化锂吸收式制冷,既利用了可再生能源,又显著削减了空调用电高峰。

(一)工作原理      

吸附式制冷利用多孔固体吸附剂(如硅胶、分子筛等)对制冷剂的可逆吸脱附作用实现制冷。如图3所示,典型的硅胶-水吸附式制冷机主要包括吸附床、冷凝器和蒸发器。

工作时,蒸发器内的低温水蒸气被吸附床吸附并放热,使水蒸气不断蒸发,带走热量进入吸附床;吸附饱和后,对吸附床进行加热再生,使吸附床中的水蒸气解吸附并经冷凝器冷凝成水,再回到蒸发器,完成制冷循环。整个过程中,吸附床在吸附和再生两种状态间交替切换,因此也称为固体吸附间歇式制冷。

吸附式制冷与吸收式制冷的原理相似,也是一种热驱动制冷方式,但以多孔固体作为吸附剂,无化学反应溶液,无需溶液泵,结构更加简单紧凑。常用的吸附工质对有:硅胶-水、分子筛-水、活性炭-甲醇等。

(二)结构组成     

1.吸附床

吸附床是安装吸附剂并与制冷剂进行吸附/解吸的换热器。常采用壳管式结构,吸附剂填装在壳程,热水在管程流动加热;也有采用micro-channel adsorber的,通过减小换热通道尺寸,强化传热传质过程。新型吸附床采用金属有机骨架(MOF)等高效吸附材料,比表面积高达7000m2/g,孔隙率达90%,在提高吸附量的同时,显著降低了循环周期。

2.冷凝器

冷凝器冷凝由吸附床解吸附的高温水蒸气。小型机组常采用自然冷却的翅片管式风冷冷凝器,中大型机组则采用闭式或开式蒸发冷凝器,冷凝温度低至30℃以下,有利于提高机组的制冷量。

3.蒸发器

蒸发器利用低温低压环境下水的汽化潜热制取冷量,多采用壳管式。蒸发器内需维持低于周围环境温度的饱和状态,因此对密封性和保温性要求很高,尤其在真空状态下,一旦漏气会迅速恶化制冷效果。

(三)运行特点     

1.间歇运行。

吸附床在吸附和再生两种状态下交替运行,因此制冷量输出呈间歇式。采用两组及以上吸附床可实现连续制冷。提高循环频率,缩短吸附时间,可显著提升制冷量。

2.环保节能。

常用吸附工质均为纯天然物质,无污染、无腐蚀、无结垢,制冷剂一般也采用水,真正实现了"零排放"。吸附式制冷的COP约为0.4~0.7,虽不及吸收式,但可直接利用低品位余热(如60℃左右的热水),节能效果显著。

3.启动快。

常温下即可启动运行,一般5~15min内即可投入使用,远快于吸收式机组。且机组可根据负荷变化迅速调节,适应性强。

4.机组体积大。

由于吸附剂的吸附量较低(一般硅胶在5%以下),需要大量吸附剂才能获得所需制冷量,导致机组体积偏大。但采用高效MOF吸附材料,可使单位体积制冷量提升2~3倍。