制冷技术的发展与应用

张国文

（赤峰学院 后勤管理处，内蒙古 赤峰 024000）

1 引言

制冷技术随着人们需要而产生并发展起来，所谓制冷，即在某一个固定的时间，对于固定区域或物体，人为的使其温度低于周围环境，并使其保持在这一温度并加以利用.早在十八世纪后期就有一位化学老师利用乙醚挥发时吸热这一原理使水结冰，继而提出了新的概念——潜热，标志着现代制冷技术的开始.随着社会的进步和科技的发展，制冷技术在工业、农业、国防等领域也有了广泛的应用.

2 现代制冷的组成及原理

在工农业生产及日常生活中的制冷多采用气体压缩式制冷.气体压缩制冷一般都要经过以下几个过程：压缩、冷却、节流膨胀等.通过这种方式最后得到低温液体，我们把这一类制冷机称之为压缩式制冷.

在气体经过压缩、冷却最后回到室温时再通过节流膨胀让气体液化的制冷机，即为蒸汽压缩式制冷机.现在广泛用于冷库、冰箱、空调等.如图1所示：当气体的制冷工质进入压缩机以后会转化成高温、高压的蒸汽；压缩蒸汽进入冷凝器中冷却（通常冷却方法有两种：一种是水冷，另一种是空气冷却），蒸汽温度降到室温后释放出汽化热而逐渐变为液态，直到全部液化；然后将高压并且处于室温下的液体进入节流阀或毛细管进行焦耳一汤姆逊膨胀让其温度下降，经过节流后的产物中会有部分的液体转变成蒸汽存在.低温液体和相同温度的蒸汽一起进入到蒸发器中，经过吸热，液体全部蒸发为蒸汽，然后温度逐渐升高到接近室温，最后蒸汽全部进入压缩机并开始下一轮的循环.

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

图1 压缩式制冷原理图

3 制冷技术的分类和发展

3.1 制冷技术的分类

因为制冷方式的不同制冷技术也会被详细的分为气体制冷技术、相变制冷技术、磁制冷技术、电热制冷技术以及辐射式制冷技术.

气体制冷技术有两种：气体涡流制冷和气体膨胀制冷.所谓的气体涡流制冷，即是人为的制造涡流现象使冷热两部分水达到分开的目的，进而使用分离出来的冷水达到制冷的效果.气体膨胀制冷即是在没有热交换的情况下，较大压强的气体在膨胀的过程中气体会达到低温，当压强较低时气体收缩复热来制冷.

相变制冷技术利用物质在质密集态到质稀集态相变的时候会吸收热量这一原理，应用这一原理制冷的方法就是相变制冷技术.这项技术在日常生活中应用广泛.例如建筑室内和交通工具的空气冷却等等.

声制冷技术：这种技术的原理是在声波在固体物质边缘有压力、位移、温度作用的时候，会有声波能量和热能之间发生转换，这样就可以将热转化成声波能量来制冷.这类制冷可达到较低的温度但不适合大面积的制冷，因此一般用在制冷要求高但制冷面积较小的电子器件上.

上面所说的几种制冷方式都需要工作介质，并且要求介质是流体性质的.这样就会有很多因为流体介质而出现的缺点，像流体介质泄漏导致污染等等.下面介绍几种不需要介质的制冷方式.

磁制冷技术：这种制冷技术是利用顺磁体在没有热交换的情况下温度会降低.利用温度降低的磁体吸收热量达到制冷效果.

热电制冷技术：即半导体制冷，是利用帕尔帖效应的一种制冷方法，它不需要流体介质，没有活动部件，一般用在车载冰箱、高科技电子产品上等.

3.2 制冷技术的发展历程

现代的制冷技术，是18世纪后期发展起来的.在此之前，人们很早就已懂得制冷的利用.我们的祖先很早就懂得用冰块藏食物、避暑等等.

在十八世纪六十年代用乙醚蒸发使水结冰被人们发现，这一现象引出了新的概念——潜热.继而冰量热器的诞生，标志着现代制冷技术的开始.

随着第一台压缩式制冷机的问世，代表着制冷时代已进入压缩式制冷.进入这一领域，人们开始研究更好的、更适合的制冷方法.但因为思维的局限性以及科学水平的落后而进展缓慢，制冷技术直到人们发现了气体膨胀会降低周围环境的温度，制冷技术进入了气体膨胀制冷时代.基于这些制冷的出现，在十九世纪五十年代空气制冷机诞生.

随着科学水平的提高，人们对生活环境的要求越来越高，流体式制冷机己不能满足人们的要求了.因此人们在制冷技术研究方向偏重于无介质的绿色环保方向.

现如今制冷这门科学发展的比较成熟，已经深入到人们的日常生活中，如冷藏食物、调节生活环境的温度、运输等.工业生产中，可以为生产创造有利的温度；农牧业中，用于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，如医学中的低温冷冻骨髓和外周血干细胞、中低温麻醉等，很多医药需低温保存.尖端的电子设备散热也需要先进的制冷系统.

4 绿色制冷技术的研究和发展

气体压缩式制冷是古老而又最常见的制冷技术，广泛的应用在我们日常生活中.家用的电冰箱、空调机、冷库大多数采用的是这种制冷技术.它的应用范围广、效率高、能够达到较好的制冷效果.但是其是以流体介质作为制冷剂，在给人们带来方便的同时，也会对生态环境带来一定的影响.比如氟利昂这种介质对大气的破坏就非常严重.它污染空气、破坏臭氧层、增加紫外线强度及产生温室效应等等.因此寻找绿色新型的制冷材料迫在眉睫.就目前来看新的制冷材料主要集中在节约能源和环保两方面，制冷技术也相应的向这两方面发展.其中最有代表意义的制冷方法是半导体制冷和太阳能制冷.

4.1 半导体制冷的原理

半导体制冷器的基本原理是利用金属与半导体组成环路时的帕尔贴效应，帕尔贴效应是在1834年J.A.C帕尔贴最早发现的.帕尔贴原理是用两种不同的导体A和B组成完整的回路，并且加载直流电源.在两种不同的导体接触点除了电路的焦耳热以外还会有其它形式的热能被释放出来，而在另一接触点则会吸收热量.而且这一特点不仅正向可用，逆向也是成立的.改变吸放热方向只需改变电源正负极，吸放能量与电流成正比且与导体材料有关.

4.1.1 半导体制冷基本原理

如图2所示，其原理是两种不同的半导体在通过直流电时，直流电通过两不同半导体的接触点时会产生放热和吸热的现象.放热端即可制热，吸热端即可制冷.调换正负极，那么制冷制热效果也随之调换.

图2 半导体制冷原理图

半导体制冷有很多优点，其中制冷功率大就是比较突出的一个.它广泛应用于小型冰箱、航空航天的电子器件上.但也有不足，它的能效比较低、对散热的要求较高、使用时间短等，限制了其应用范围.

半导体制冷与现行的压缩式制冷或吸收式制冷方式相比，有如下优点：

(1)它不仅没有压缩机也没有介质管道等机械制冷环节.没有机械传动部件，在结构上就相对简单、相应的磨损也不会存在.更值得称赞的是没有噪声、体积小巧，便于携带，操作简单对工作环境要求低.(2)它无任何化学制冷剂，不会释放任何其他有害物质，因此无环境污染，清洁卫生.(3)它是固体化电子器件，热电堆可以任意排布、大小形状皆可根据需要改变，占有空间小，可小型化，微型化，致冷加热可互易.(4)通过改变工作电流的大小来调节制冷速度和制冷温度，控制灵活；调节电压或电流时，易于实现高精度的温控，即使频繁通断电，也不影响工作质量和使用寿命.半导体制冷有其自己的特点，因此在常规制冷方式无法满足的条件下可以广泛应用.半导体冰箱与常用的制冷方式相比其最大的优势是有较小的体积，方便携带，无管道回路系统，能够接受较强烈的震动.半导体空调虽然成本价格无法与空调相比，但在特殊场合可应用，比如需要制冷效果比较稳定的场所.医学方面，利用半导体技术制造的医疗器械有结构紧凑、使用便捷等优点.

4.1.2 半导体制冷的缺点

因为半导体材料、电源的差异以及热端散热的问题，与压缩式制冷相比较，存在着制冷效率低等问题.

4.2 太阳能制冷

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁、可再生的绿色能源.近年来一直是科学家们研究的热点.在绿色清洁能源使用中，利用太阳能制冷也是个很好的发展方向.一方面可以避免流体制冷剂对环境的破坏，另一方面利用了环保能源，节省了不可再生能源.其次利用太阳能制冷可以减少对常规能源的消耗，运行成本可以忽略不计，非常节能.这非常符合现代人们节约能源的理念，与此同时还能间接地减轻温室效应.此外相对于普通的压缩式制冷无工件运行产生的大噪音，系统运行安静.系统运行的空间接近于真空，因此不会存在高压爆炸，运行空间比较稳定，安全可靠.

太阳能吸收式制冷的工作原理是利用太阳能集热板来加热水，然后用热水加热发生器中的制冷剂溶液，进入冷凝器变为冷凝蒸汽，然后使制冷剂经过冷却、冷凝和节流降压后进入蒸发器中由液体变为气态并吸收热量实现制冷效果，接着制冷剂蒸汽被吸收器中的吸收溶液吸收，再由泵加大压强将含有制冷剂的溶液送入发生器蒸发完成整个循环.下图3为太阳能吸收式制冷系统收集与转换的环节示意图.

图3 太阳能吸收式制冷转化图

5 总结

随着社会科技的发展，能源问题和环境问题逐渐成为当今世界的两大重要问题.半导体制冷技术克服了普通制冷破坏环境的问题，为人们的生活环境做出了贡献.而太阳能制冷则可以解决环保和能源两大问题.虽然太阳能制冷技术目前还不够成熟，有待于人们进一步的研究开发，但是由于环保和节能的两大特点，决定着其有较好的发展前景.当前，各种新型制冷技术发展迅速，尽管还没能得到广泛的推广应用，但其优越性已得到了肯定，小范围的应用已比较普遍.可以预见，新型制冷技术的研究发展必将极大地推动工农业生产的发展.

〔1〕秦允豪.热学[M].北京：高等教育出版社，2004.164-230.

〔2〕汪志诚．热力学统计物理[M]北京：高等教育出版社，2008.1-360.