制冷技術的發展與應用

張國文

（赤峰學院 后勤管理處，內蒙古 赤峰 024000）

1 引言

制冷技術隨著人們需要而產生并發展起來，所謂制冷，即在某一個固定的時間，對于固定區域或物體，人為的使其溫度低于周圍環境，并使其保持在這一溫度并加以利用.早在十八世紀后期就有一位化學老師利用乙醚揮發時吸熱這一原理使水結冰，繼而提出了新的概念——潛熱，標志著現代制冷技術的開始.隨著社會的進步和科技的發展，制冷技術在工業、農業、國防等領域也有了廣泛的應用.

2 現代制冷的組成及原理

在工農業生產及日常生活中的制冷多采用氣體壓縮式制冷.氣體壓縮制冷一般都要經過以下幾個過程：壓縮、冷卻、節流膨脹等.通過這種方式最后得到低溫液體，我們把這一類制冷機稱之為壓縮式制冷.

在氣體經過壓縮、冷卻最后回到室溫時再通過節流膨脹讓氣體液化的制冷機，即為蒸汽壓縮式制冷機.現在廣泛用于冷庫、冰箱、空調等.如圖1所示：當氣體的制冷工質進入壓縮機以后會轉化成高溫、高壓的蒸汽；壓縮蒸汽進入冷凝器中冷卻（通常冷卻方法有兩種：一種是水冷，另一種是空氣冷卻），蒸汽溫度降到室溫后釋放出汽化熱而逐漸變為液態，直到全部液化；然后將高壓并且處于室溫下的液體進入節流閥或毛細管進行焦耳一湯姆遜膨脹讓其溫度下降，經過節流后的產物中會有部分的液體轉變成蒸汽存在.低溫液體和相同溫度的蒸汽一起進入到蒸發器中，經過吸熱，液體全部蒸發為蒸汽，然后溫度逐漸升高到接近室溫，最后蒸汽全部進入壓縮機并開始下一輪的循環.

常用的制冷劑有水，氨，C02，R12，R22，R134，R404，R407C，R410和 R600等.

圖1 壓縮式制冷原理圖

3 制冷技術的分類和發展

3.1 制冷技術的分類

因為制冷方式的不同制冷技術也會被詳細的分為氣體制冷技術、相變制冷技術、磁制冷技術、電熱制冷技術以及輻射式制冷技術.

氣體制冷技術有兩種：氣體渦流制冷和氣體膨脹制冷.所謂的氣體渦流制冷，即是人為的制造渦流現象使冷熱兩部分水達到分開的目的，進而使用分離出來的冷水達到制冷的效果.氣體膨脹制冷即是在沒有熱交換的情況下，較大壓強的氣體在膨脹的過程中氣體會達到低溫，當壓強較低時氣體收縮復熱來制冷.

相變制冷技術利用物質在質密集態到質稀集態相變的時候會吸收熱量這一原理，應用這一原理制冷的方法就是相變制冷技術.這項技術在日常生活中應用廣泛.例如建筑室內和交通工具的空氣冷卻等等.

聲制冷技術：這種技術的原理是在聲波在固體物質邊緣有壓力、位移、溫度作用的時候，會有聲波能量和熱能之間發生轉換，這樣就可以將熱轉化成聲波能量來制冷.這類制冷可達到較低的溫度但不適合大面積的制冷，因此一般用在制冷要求高但制冷面積較小的電子器件上.

上面所說的幾種制冷方式都需要工作介質，并且要求介質是流體性質的.這樣就會有很多因為流體介質而出現的缺點，像流體介質泄漏導致污染等等.下面介紹幾種不需要介質的制冷方式.

磁制冷技術：這種制冷技術是利用順磁體在沒有熱交換的情況下溫度會降低.利用溫度降低的磁體吸收熱量達到制冷效果.

熱電制冷技術：即半導體制冷，是利用帕爾帖效應的一種制冷方法，它不需要流體介質，沒有活動部件，一般用在車載冰箱、高科技電子產品上等.

3.2 制冷技術的發展歷程

現代的制冷技術，是18世紀后期發展起來的.在此之前，人們很早就已懂得制冷的利用.我們的祖先很早就懂得用冰塊藏食物、避暑等等.

在十八世紀六十年代用乙醚蒸發使水結冰被人們發現，這一現象引出了新的概念——潛熱.繼而冰量熱器的誕生，標志著現代制冷技術的開始.

隨著第一臺壓縮式制冷機的問世，代表著制冷時代已進入壓縮式制冷.進入這一領域，人們開始研究更好的、更適合的制冷方法.但因為思維的局限性以及科學水平的落后而進展緩慢，制冷技術直到人們發現了氣體膨脹會降低周圍環境的溫度，制冷技術進入了氣體膨脹制冷時代.基于這些制冷的出現，在十九世紀五十年代空氣制冷機誕生.

隨著科學水平的提高，人們對生活環境的要求越來越高，流體式制冷機己不能滿足人們的要求了.因此人們在制冷技術研究方向偏重于無介質的綠色環保方向.

現如今制冷這門科學發展的比較成熟，已經深入到人們的日常生活中，如冷藏食物、調節生活環境的溫度、運輸等.工業生產中，可以為生產創造有利的溫度；農牧業中，用于對農作物的種子進行低溫處理等；建筑工程中，利用制冷實現凍土開采土方；現代醫學也離不開制冷，如醫學中的低溫冷凍骨髓和外周血干細胞、中低溫麻醉等，很多醫藥需低溫保存.尖端的電子設備散熱也需要先進的制冷系統.

4 綠色制冷技術的研究和發展

氣體壓縮式制冷是古老而又最常見的制冷技術，廣泛的應用在我們日常生活中.家用的電冰箱、空調機、冷庫大多數采用的是這種制冷技術.它的應用范圍廣、效率高、能夠達到較好的制冷效果.但是其是以流體介質作為制冷劑，在給人們帶來方便的同時，也會對生態環境帶來一定的影響.比如氟利昂這種介質對大氣的破壞就非常嚴重.它污染空氣、破壞臭氧層、增加紫外線強度及產生溫室效應等等.因此尋找綠色新型的制冷材料迫在眉睫.就目前來看新的制冷材料主要集中在節約能源和環保兩方面，制冷技術也相應的向這兩方面發展.其中最有代表意義的制冷方法是半導體制冷和太陽能制冷.

4.1 半導體制冷的原理

半導體制冷器的基本原理是利用金屬與半導體組成環路時的帕爾貼效應，帕爾貼效應是在1834年J.A.C帕爾貼最早發現的.帕爾貼原理是用兩種不同的導體A和B組成完整的回路，并且加載直流電源.在兩種不同的導體接觸點除了電路的焦耳熱以外還會有其它形式的熱能被釋放出來，而在另一接觸點則會吸收熱量.而且這一特點不僅正向可用，逆向也是成立的.改變吸放熱方向只需改變電源正負極，吸放能量與電流成正比且與導體材料有關.

4.1.1 半導體制冷基本原理

如圖2所示，其原理是兩種不同的半導體在通過直流電時，直流電通過兩不同半導體的接觸點時會產生放熱和吸熱的現象.放熱端即可制熱，吸熱端即可制冷.調換正負極，那么制冷制熱效果也隨之調換.

圖2 半導體制冷原理圖

半導體制冷有很多優點，其中制冷功率大就是比較突出的一個.它廣泛應用于小型冰箱、航空航天的電子器件上.但也有不足，它的能效比較低、對散熱的要求較高、使用時間短等，限制了其應用范圍.

半導體制冷與現行的壓縮式制冷或吸收式制冷方式相比，有如下優點：

(1)它不僅沒有壓縮機也沒有介質管道等機械制冷環節.沒有機械傳動部件，在結構上就相對簡單、相應的磨損也不會存在.更值得稱贊的是沒有噪聲、體積小巧，便于攜帶，操作簡單對工作環境要求低.(2)它無任何化學制冷劑，不會釋放任何其他有害物質，因此無環境污染，清潔衛生.(3)它是固體化電子器件，熱電堆可以任意排布、大小形狀皆可根據需要改變，占有空間小，可小型化，微型化，致冷加熱可互易.(4)通過改變工作電流的大小來調節制冷速度和制冷溫度，控制靈活；調節電壓或電流時，易于實現高精度的溫控，即使頻繁通斷電，也不影響工作質量和使用壽命.半導體制冷有其自己的特點，因此在常規制冷方式無法滿足的條件下可以廣泛應用.半導體冰箱與常用的制冷方式相比其最大的優勢是有較小的體積，方便攜帶，無管道回路系統，能夠接受較強烈的震動.半導體空調雖然成本價格無法與空調相比，但在特殊場合可應用，比如需要制冷效果比較穩定的場所.醫學方面，利用半導體技術制造的醫療器械有結構緊湊、使用便捷等優點.

4.1.2 半導體制冷的缺點

因為半導體材料、電源的差異以及熱端散熱的問題，與壓縮式制冷相比較，存在著制冷效率低等問題.

4.2 太陽能制冷

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔、可再生的綠色能源.近年來一直是科學家們研究的熱點.在綠色清潔能源使用中，利用太陽能制冷也是個很好的發展方向.一方面可以避免流體制冷劑對環境的破壞，另一方面利用了環保能源，節省了不可再生能源.其次利用太陽能制冷可以減少對常規能源的消耗，運行成本可以忽略不計，非常節能.這非常符合現代人們節約能源的理念，與此同時還能間接地減輕溫室效應.此外相對于普通的壓縮式制冷無工件運行產生的大噪音，系統運行安靜.系統運行的空間接近于真空，因此不會存在高壓爆炸，運行空間比較穩定，安全可靠.

太陽能吸收式制冷的工作原理是利用太陽能集熱板來加熱水，然后用熱水加熱發生器中的制冷劑溶液，進入冷凝器變為冷凝蒸汽，然后使制冷劑經過冷卻、冷凝和節流降壓后進入蒸發器中由液體變為氣態并吸收熱量實現制冷效果，接著制冷劑蒸汽被吸收器中的吸收溶液吸收，再由泵加大壓強將含有制冷劑的溶液送入發生器蒸發完成整個循環.下圖3為太陽能吸收式制冷系統收集與轉換的環節示意圖.

圖3 太陽能吸收式制冷轉化圖

5 總結

隨著社會科技的發展，能源問題和環境問題逐漸成為當今世界的兩大重要問題.半導體制冷技術克服了普通制冷破壞環境的問題，為人們的生活環境做出了貢獻.而太陽能制冷則可以解決環保和能源兩大問題.雖然太陽能制冷技術目前還不夠成熟，有待于人們進一步的研究開發，但是由于環保和節能的兩大特點，決定著其有較好的發展前景.當前，各種新型制冷技術發展迅速，盡管還沒能得到廣泛的推廣應用，但其優越性已得到了肯定，小范圍的應用已比較普遍.可以預見，新型制冷技術的研究發展必將極大地推動工農業生產的發展.

〔1〕秦允豪.熱學[M].北京：高等教育出版社，2004.164-230.

〔2〕汪志誠．熱力學統計物理[M]北京：高等教育出版社，2008.1-360.