制冷原理

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制冷原理首先可分为:非循环式、循环式两大类。【1】

非循环式的典型例子是冰融化制冷,而常见的工业制冷方法均为循环式。【1】

循环式制冷指借助外力(例如电力),将热量从低温处取出,并释放到高温处。此过程类似于水泵耗电将水从低处抽到高出,因此采用循环式制冷方法的机器被称为热泵(Heat pump)。【1】

循环式制冷方法又可分为蒸汽循环制冷(Vapor cycle)、气体循环制冷(Gas cycle)和斯特林循环(Stirling cycle)。其中蒸汽循环制冷又可细分为蒸汽压缩循环制冷(Vapor-compression refrigeration)和蒸汽吸收循环制冷(Vapor-absorption refrigeration)。【1】

蒸汽压缩循环制冷是最常用的制冷方法,此过程依赖制冷剂(refrigerant)的相态(phase)循环变化,其理论原型被称为卡诺热机(Carnot heat engine)。蒸汽压缩循环的过程是:【3】
1、压缩机(compressor )将常压制冷剂蒸汽等熵(constant entropy)过热(superheated)压缩为高压气体;
2、冷凝器(condenser)将过热压缩的制冷剂蒸汽冷凝为高压液体
3、高压液态制冷剂通过膨胀阀(expansion valve,也称为节流阀throttle valve)转变为气态(一般一半左右的制冷剂转化为气态,其余仍保持液态)
4、液态、气态混合的制冷剂通过蒸发器(evaporator),全部气化并吸热,冷却空气或载冷工质。此后新循环开始。

常见的压缩机类型有:活塞式(reciprocating)、回转式、螺杆式、离心式(Centrifugal)。【6】
冷凝器按其冷却介质不同,可分为:水冷式、空气冷却式、蒸发式。【7】
蒸发器按其被冷却介质的种类不同,可分为:冷却液体载冷剂的蒸发器、冷却空气的蒸发器【7】

蒸汽吸收循环制冷与蒸汽压缩循环制冷区别在于循环中的压缩步骤。在蒸汽吸收循环制冷中,吸收器(absorber)代替了压缩机。在吸收器中制冷剂溶解于特定的溶剂(absorbent)中,此溶液经过液体泵加压为高压液体,之后溶液通过发生器(generator)并借助外部热力,高压制冷剂气体从溶液中分离。蒸汽吸收循环制冷的能效比(coefficient of performance,COP)远低于蒸汽压缩循环制冷,因此蒸汽吸收循环制冷一般作为余热回收的设备。常见的制冷剂-溶剂组合有:氨(ammonia,NH3)-水、水-溴化锂(lithium bromide)【3】

气体循环制冷,指制冷剂为气体,且在制冷循环中无相态(phase)变化的制冷方法。气体循环制冷中,不需要冷凝器和蒸发器,取而代之的是高温气体-低温气体间的热交换。气体循环制冷的效率低于蒸汽循环制冷,应用较少,主要应用在装备涡轮引擎的飞机的制冷系统中,因为涡轮引擎可产生大量压缩气体。【3】

斯特林循环制冷无大规模应用,因此暂不介绍。

参考:
【1】Refrigeration http://en.wikipedia.org/wiki/Refrigeration
【2】制冷设备 http://baike.baidu.com/view/25099.htm
【3】Heat pump and refrigeration cycle http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pump_and_refrigeration_cycle
【4】Vapor-compression refrigeration http://en.wikipedia.org/wiki/Vapor-compression_refrigeration
【5】Entropy http://en.wikipedia.org/wiki/Entropy
【6】制冷压缩机 http://218.13.33.145/jidian/jiaocheng-3/zhilengjishu/Unit%203/lesson%201.htm
【7】冷凝器与蒸发器 http://218.13.33.145/jidian/jiaocheng-3/zhilengjishu/Unit%204/lesson%201.htm
【8】蒸发式冷凝器 http://www.hudong.com/wiki/蒸发式冷凝器
【9】典型的氨制冷系统 http://218.13.33.145/jidian/jiaocheng-3/zhilengjishu/Unit%206/lesson%201.htm
【10】吸收式制冷 http://218.13.33.145/jidian/jiaocheng-3/zhilengjishu/Unit%209/lesson%201.htm

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