制冷技術的研究進展

趙福艷 張丁川 路貴香

（河北農業大學，河北 保定 071001）

制冷就是通過降溫使被冷卻對象的溫度降低并保持在環境溫度以下。制冷技術的應用領域非常廣泛，農業、核工業、航天工程、住宅等各個領域都隨處可見制冷的影子。由于我國目前大多采用蒸汽壓縮式技術加之廣泛的應用，其所帶來的環境污染和能源損耗問題越發突出，所以研發節能環保的新型制冷技術式具有重要意義。

1 以電能為主要驅動能源的制冷技術

以電能為主要驅動能源的蒸汽壓縮式制冷是目前大多數用冷場所使用最為廣泛的制冷技術。它的制冷原理主要是利用液體汽化制冷來達到制取冷量的目的。來自蒸發器的低溫低壓的氣態制冷劑工質（氟利昂類或其他制冷劑）進入由電能驅動的壓縮機中被壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，然后進入冷凝器，在冷凝器中氣態制冷劑被冷卻水冷卻凝結成液態制冷劑，制冷劑液體通過節流閥（膨脹閥）后進入蒸發器，制冷劑液體吸熱汽化成為氣體，被冷卻對象的溫度降低從而實現制冷。

這種制冷技術主要存在著兩個問題：一是制冷劑工質的選擇，由于氟利昂類制冷劑在使用的過程中會對臭氧層造成破環，雖然目前世界各國都在積極尋找COP（性能系數）高且環境友好的新型制冷劑并已經發現了幾種對環境友好的制冷劑例如R134a，但在實際工程中應用的仍比較少，目前市面上大多數的制冷劑仍是R22；二是驅動能源，目前大多數制冷設備的驅動能源主要以電能為主，全球經濟彭博新能源(BNEF)的研究顯示2018年中國的空調用電量占全球空調總用量的34%。同時國際能源署也表示，空調用電的增長是“當今能源辯論中關鍵的盲點之一”。到2050年，它將成為繼工業之后的電力需求增長來源，除非采用節能技術，否則將對全球氣候造成嚴重后果。

2 以熱能為主要驅動能源的制冷技術

2.1 吸收式制冷

吸收式制冷目前在日本、中國和韓國得到了比較普遍的應用，隨著我國西氣東輸的實施和天然氣的引進，吸收式制冷在制冷中發揮著越來越重要的作用，同時吸收式制冷還可以利用工業余熱來作為驅動能源，在夏季燃氣低谷、用電高峰和缺電地區發揮著必不可少的作用。它的原理主要是以兩種沸點相差較大的物質組成的二元溶液為工質對，其中沸點低的溶液為制冷劑，沸點高的溶液為吸收劑，從吸收器中流出的一定濃度的溶液經溶液熱交換器加熱后進入發生器，在發生器中被高溫熱源（蒸汽、太陽能、工業余熱等）加熱，溶液濃度升高，在此過程中揮發出來的吸收劑進入冷凝器，在冷凝器中冷卻凝結成為液體經節流裝置節流后進入蒸發器，同時發生器中濃度較高的溶液經溶液熱交換器和節流裝置后進入蒸發器，這兩部分液體在蒸發器中混合吸熱汽化成為氣體，達到制取冷量的目的。雖然吸收式制冷擁有不需要消耗電能且能充分利用余熱的優點，但缺點依然存在。主要的問題就是工質對，目前常用的工質對為溴化鋰-水、氨-水，但在溴化鋰-水系統中的溴化鋰易腐蝕、結晶且會產生不凝性氣體，系統難以長期運行，而氨-水系統中氨容易發生爆炸，存在危險隱患，目前，科學家想要通過在現有的工質對中加添加劑以改善制冷機的性能。但對于不同的添加劑的增強機制未得出統一解釋[1]，需要進行一步研究。

2.2 吸附式制冷

吸附式制冷是以熱能為驅動能源。現以太陽能為驅動熱源的沸石-水系統為例來說明其制冷原理，在白天，吸附床吸收太陽能溫度升高，沸石溫度升高，產生解吸作用，水蒸氣從沸石中蒸發出來，系統內水蒸氣的壓力升高，當壓力升高到環境溫度的所對應的炮和壓力時，系統內的水蒸氣在冷凝器中冷卻凝成成為液體水，儲存在蒸發器中；傍晚，環境溫度降低，吸附床的溫度也隨之降低，產生吸附作用，隨著沸石的吸附，越來越多的水蒸氣從蒸發器中蒸發出來以滿足沸石的吸附，如此循環往復來實現制冷。目前以太陽能為熱源的吸附式制冷機雖然已成功地應用在一些小型建筑的空調上，但在賓館等大型制冷場所難以應用，所以吸附式制冷主要存在制冷效率低的問題。其中吸附劑的傳熱系數是影響制冷效率的重要因素[2]，所以目前各國都在積極研發復合/混合型吸附劑。因此吸附式制冷在短時間內還難以在市場上廣泛應用。

3 新型制冷技術

3.1 磁制冷

磁致冷技術與蒸汽壓縮式、吸收式制冷相比是一種固態制冷技術。即利用順磁性物質的磁熱效應。磁介質的熵由磁熵和熱熵兩部分組成，在絕熱變化時，系統的熵為0。故當磁介質發生磁化時，介質的磁熵減小，熱熵增加，對外放出熱量；當磁介質所在的外加磁場變小時，介質的磁熵增加，熱熵減小，從外界吸熱，以此來制取冷量。該技術具有零ODP（全球變暖潛能值）、低振動、低噪聲的優點[3]，具有良好的發展前景。目前室溫制冷劑技術進步顯著，實用化程度提高，國內外在磁制冷機的研發上都已經取得了不錯的進展。國內方面，截止到2013年中國包頭稀土研究院[4]已經研發了四代13臺磁制冷機，目前其正在與海爾集團開展合作。回顧今年來磁制冷技術的發展歷程，從最初制冷效率的幾十瓦、幾百瓦到現在的幾千瓦，這些成就的取得使得磁制冷在各領域的應用成為可能。雖然目前磁制冷技術還存在制作成本高、制冷效率較低等問題，但隨著技術的不斷提高，相信在不久的將來磁制冷必將在制冷領域發揮著重要的作用。

3.2 熱電制冷

熱電制冷以溫差電現象為基礎，利用珀爾貼效應來制冷。即在由兩種不同的金屬圍成的閉合回路中，通以直流電時會造成一個節點熱，另一個節點冷的現象，金屬從冷端吸熱，向熱端放熱。該技術的制冷效果主要取決與兩種不同金屬的熱電勢，由于半導體材料的珀爾貼效應和制冷效率較其他純金屬高，故熱電制冷都采用半導體。熱電制冷也是一種固態制冷方式，具有結構簡單、體積小、可靠性高、噪音低、具有可逆性等優點，因此在小型空調器、低溫醫療用具、精密電子儀器的制作上發揮著重要作用。目前研發熱電致冷機的關鍵就在于熱電材料的選擇，以優值系數Z=α2/kρ（α為溫差電動勢，ρ為電阻率，k為熱導率）為評價指標。要想獲得較高的制冷效率就必須使優值系數達到13x10-3K-1[5]。

3.3 熱聲制冷

熱聲制冷是利用熱聲效應的制冷技術。熱聲效應[6]是熱量和有序聲振蕩之間的相互轉換。從能量轉換的方向可分為熱聲發動機（以熱產聲）和熱聲制冷機（以聲產熱）。與傳統的制冷技術相比，熱聲由于自身具有的清潔、噪聲低、使用壽命長等優點在普冷和低溫制冷領域具有巨大的潛力。目前熱聲制冷技術進展顯著，已在軍事領域有所應用，同時胡鵬[7]等研發了復合結構PZT 聲驅動器并且達到了最大溫降12.3℃和最大溫差31℃，達到目前已報道的同類機器的最佳性能。

4 結語

由于環境問題日益嚴重以及蒙特利爾條約對制冷劑氟利昂的限制，節能與環保必將成為未來制冷技術必備的特點。由此預測未來制冷技術的發展方向應該主要有兩個方面：一是積極推行以太陽能、聲能等清潔能源為驅動能源的新型制冷技術如熱聲制冷、磁制冷等；二是混合制冷技術，例如蒸汽壓縮式制冷與吸收式制冷的混合，這樣可以很好的彌補蒸汽壓縮式制冷節能不節電和吸收式制冷節電不節能的缺點，達到既節電又節能的目的。