張國(guó)文

（赤峰學(xué)院 后勤管理處，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

制冷技術(shù)隨著人們需要而產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)，所謂制冷，即在某一個(gè)固定的時(shí)間，對(duì)于固定區(qū)域或物體，人為的使其溫度低于周?chē)h(huán)境，并使其保持在這一溫度并加以利用.早在十八世紀(jì)后期就有一位化學(xué)老師利用乙醚揮發(fā)時(shí)吸熱這一原理使水結(jié)冰，繼而提出了新的概念——潛熱，標(biāo)志著現(xiàn)代制冷技術(shù)的開(kāi)始.隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，制冷技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域也有了廣泛的應(yīng)用.

2 現(xiàn)代制冷的組成及原理

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jīng)過(guò)以下幾個(gè)過(guò)程：壓縮、冷卻、節(jié)流膨脹等.通過(guò)這種方式最后得到低溫液體，我們把這一類(lèi)制冷機(jī)稱(chēng)之為壓縮式制冷.

在氣體經(jīng)過(guò)壓縮、冷卻最后回到室溫時(shí)再通過(guò)節(jié)流膨脹讓氣體液化的制冷機(jī)，即為蒸汽壓縮式制冷機(jī).現(xiàn)在廣泛用于冷庫(kù)、冰箱、空調(diào)等.如圖1所示：當(dāng)氣體的制冷工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)以后會(huì)轉(zhuǎn)化成高溫、高壓的蒸汽；壓縮蒸汽進(jìn)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?yōu)橐簯B(tài)，直到全部液化；然后將高壓并且處于室溫下的液體進(jìn)入節(jié)流閥或毛細(xì)管進(jìn)行焦耳一湯姆遜膨脹讓其溫度下降，經(jīng)過(guò)節(jié)流后的產(chǎn)物中會(huì)有部分的液體轉(zhuǎn)變成蒸汽存在.低溫液體和相同溫度的蒸汽一起進(jìn)入到蒸發(fā)器中，經(jīng)過(guò)吸熱，液體全部蒸發(fā)為蒸汽，然后溫度逐漸升高到接近室溫，最后蒸汽全部進(jìn)入壓縮機(jī)并開(kāi)始下一輪的循環(huán).

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(shù)的分類(lèi)和發(fā)展

3.1 制冷技術(shù)的分類(lèi)

因?yàn)橹评浞绞降牟煌评浼夹g(shù)也會(huì)被詳細(xì)的分為氣體制冷技術(shù)、相變制冷技術(shù)、磁制冷技術(shù)、電熱制冷技術(shù)以及輻射式制冷技術(shù).

氣體制冷技術(shù)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(xiàn)象使冷熱兩部分水達(dá)到分開(kāi)的目的，進(jìn)而使用分離出來(lái)的冷水達(dá)到制冷的效果.氣體膨脹制冷即是在沒(méi)有熱交換的情況下，較大壓強(qiáng)的氣體在膨脹的過(guò)程中氣體會(huì)達(dá)到低溫，當(dāng)壓強(qiáng)較低時(shí)氣體收縮復(fù)熱來(lái)制冷.

相變制冷技術(shù)利用物質(zhì)在質(zhì)密集態(tài)到質(zhì)稀集態(tài)相變的時(shí)候會(huì)吸收熱量這一原理，應(yīng)用這一原理制冷的方法就是相變制冷技術(shù).這項(xiàng)技術(shù)在日常生活中應(yīng)用廣泛.例如建筑室內(nèi)和交通工具的空氣冷卻等等.

聲制冷技術(shù)：這種技術(shù)的原理是在聲波在固體物質(zhì)邊緣有壓力、位移、溫度作用的時(shí)候，會(huì)有聲波能量和熱能之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，這樣就可以將熱轉(zhuǎn)化成聲波能量來(lái)制冷.這類(lèi)制冷可達(dá)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(shuō)的幾種制冷方式都需要工作介質(zhì)，并且要求介質(zhì)是流體性質(zhì)的.這樣就會(huì)有很多因?yàn)榱黧w介質(zhì)而出現(xiàn)的缺點(diǎn)，像流體介質(zhì)泄漏導(dǎo)致污染等等.下面介紹幾種不需要介質(zhì)的制冷方式.

磁制冷技術(shù)：這種制冷技術(shù)是利用順磁體在沒(méi)有熱交換的情況下溫度會(huì)降低.利用溫度降低的磁體吸收熱量達(dá)到制冷效果.

熱電制冷技術(shù)：即半導(dǎo)體制冷，是利用帕爾帖效應(yīng)的一種制冷方法，它不需要流體介質(zhì)，沒(méi)有活動(dòng)部件，一般用在車(chē)載冰箱、高科技電子產(chǎn)品上等.

3.2 制冷技術(shù)的發(fā)展歷程

現(xiàn)代的制冷技術(shù)，是18世紀(jì)后期發(fā)展起來(lái)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(jì)六十年代用乙醚蒸發(fā)使水結(jié)冰被人們發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象引出了新的概念——潛熱.繼而冰量熱器的誕生，標(biāo)志著現(xiàn)代制冷技術(shù)的開(kāi)始.

隨著第一臺(tái)壓縮式制冷機(jī)的問(wèn)世，代表著制冷時(shí)代已進(jìn)入壓縮式制冷.進(jìn)入這一領(lǐng)域，人們開(kāi)始研究更好的、更適合的制冷方法.但因?yàn)樗季S的局限性以及科學(xué)水平的落后而進(jìn)展緩慢，制冷技術(shù)直到人們發(fā)現(xiàn)了氣體膨脹會(huì)降低周?chē)h(huán)境的溫度，制冷技術(shù)進(jìn)入了氣體膨脹制冷時(shí)代.基于這些制冷的出現(xiàn)，在十九世紀(jì)五十年代空氣制冷機(jī)誕生.

隨著科學(xué)水平的提高，人們對(duì)生活環(huán)境的要求越來(lái)越高，流體式制冷機(jī)己不能滿足人們的要求了.因此人們?cè)谥评浼夹g(shù)研究方向偏重于無(wú)介質(zhì)的綠色環(huán)保方向.

現(xiàn)如今制冷這門(mén)科學(xué)發(fā)展的比較成熟，已經(jīng)深入到人們的日常生活中，如冷藏食物、調(diào)節(jié)生活環(huán)境的溫度、運(yùn)輸?shù)?工業(yè)生產(chǎn)中，可以為生產(chǎn)創(chuàng)造有利的溫度；農(nóng)牧業(yè)中，用于對(duì)農(nóng)作物的種子進(jìn)行低溫處理等；建筑工程中，利用制冷實(shí)現(xiàn)凍土開(kāi)采土方；現(xiàn)代醫(yī)學(xué)也離不開(kāi)制冷，如醫(yī)學(xué)中的低溫冷凍骨髓和外周血干細(xì)胞、中低溫麻醉等，很多醫(yī)藥需低溫保存.尖端的電子設(shè)備散熱也需要先進(jìn)的制冷系統(tǒng).

4 綠色制冷技術(shù)的研究和發(fā)展

氣體壓縮式制冷是古老而又最常見(jiàn)的制冷技術(shù)，廣泛的應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ钪?家用的電冰箱、空調(diào)機(jī)、冷庫(kù)大多數(shù)采用的是這種制冷技術(shù).它的應(yīng)用范圍廣、效率高、能夠達(dá)到較好的制冷效果.但是其是以流體介質(zhì)作為制冷劑，在給人們帶來(lái)方便的同時(shí)，也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)一定的影響.比如氟利昂這種介質(zhì)對(duì)大氣的破壞就非常嚴(yán)重.它污染空氣、破壞臭氧層、增加紫外線強(qiáng)度及產(chǎn)生溫室效應(yīng)等等.因此尋找綠色新型的制冷材料迫在眉睫.就目前來(lái)看新的制冷材料主要集中在節(jié)約能源和環(huán)保兩方面，制冷技術(shù)也相應(yīng)的向這兩方面發(fā)展.其中最有代表意義的制冷方法是半導(dǎo)體制冷和太陽(yáng)能制冷.

4.1 半導(dǎo)體制冷的原理

半導(dǎo)體制冷器的基本原理是利用金屬與半導(dǎo)體組成環(huán)路時(shí)的帕爾貼效應(yīng)，帕爾貼效應(yīng)是在1834年J.A.C帕爾貼最早發(fā)現(xiàn)的.帕爾貼原理是用兩種不同的導(dǎo)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(dǎo)體接觸點(diǎn)除了電路的焦耳熱以外還會(huì)有其它形式的熱能被釋放出來(lái)，而在另一接觸點(diǎn)則會(huì)吸收熱量.而且這一特點(diǎn)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(fù)極，吸放能量與電流成正比且與導(dǎo)體材料有關(guān).

4.1.1 半導(dǎo)體制冷基本原理

如圖2所示，其原理是兩種不同的半導(dǎo)體在通過(guò)直流電時(shí)，直流電通過(guò)兩不同半導(dǎo)體的接觸點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱的現(xiàn)象.放熱端即可制熱，吸熱端即可制冷.調(diào)換正負(fù)極，那么制冷制熱效果也隨之調(diào)換.

圖2 半導(dǎo)體制冷原理圖

半導(dǎo)體制冷有很多優(yōu)點(diǎn)，其中制冷功率大就是比較突出的一個(gè).它廣泛應(yīng)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(duì)散熱的要求較高、使用時(shí)間短等，限制了其應(yīng)用范圍.

半導(dǎo)體制冷與現(xiàn)行的壓縮式制冷或吸收式制冷方式相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)它不僅沒(méi)有壓縮機(jī)也沒(méi)有介質(zhì)管道等機(jī)械制冷環(huán)節(jié).沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，在結(jié)構(gòu)上就相對(duì)簡(jiǎn)單、相應(yīng)的磨損也不會(huì)存在.更值得稱(chēng)贊的是沒(méi)有噪聲、體積小巧，便于攜帶，操作簡(jiǎn)單對(duì)工作環(huán)境要求低.(2)它無(wú)任何化學(xué)制冷劑，不會(huì)釋放任何其他有害物質(zhì)，因此無(wú)環(huán)境污染，清潔衛(wèi)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(jù)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(guò)改變工作電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)制冷速度和制冷溫度，控制靈活；調(diào)節(jié)電壓或電流時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)高精度的溫控，即使頻繁通斷電，也不影響工作質(zhì)量和使用壽命.半導(dǎo)體制冷有其自己的特點(diǎn)，因此在常規(guī)制冷方式無(wú)法滿足的條件下可以廣泛應(yīng)用.半導(dǎo)體冰箱與常用的制冷方式相比其最大的優(yōu)勢(shì)是有較小的體積，方便攜帶，無(wú)管道回路系統(tǒng)，能夠接受較強(qiáng)烈的震動(dòng).半導(dǎo)體空調(diào)雖然成本價(jià)格無(wú)法與空調(diào)相比，但在特殊場(chǎng)合可應(yīng)用，比如需要制冷效果比較穩(wěn)定的場(chǎng)所.醫(yī)學(xué)方面，利用半導(dǎo)體技術(shù)制造的醫(yī)療器械有結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷等優(yōu)點(diǎn).

4.1.2 半導(dǎo)體制冷的缺點(diǎn)

因?yàn)榘雽?dǎo)體材料、電源的差異以及熱端散熱的問(wèn)題，與壓縮式制冷相比較，存在著制冷效率低等問(wèn)題.

4.2 太陽(yáng)能制冷

太陽(yáng)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(lái)一直是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn).在綠色清潔能源使用中，利用太陽(yáng)能制冷也是個(gè)很好的發(fā)展方向.一方面可以避免流體制冷劑對(duì)環(huán)境的破壞，另一方面利用了環(huán)保能源，節(jié)省了不可再生能源.其次利用太陽(yáng)能制冷可以減少對(duì)常規(guī)能源的消耗，運(yùn)行成本可以忽略不計(jì)，非常節(jié)能.這非常符合現(xiàn)代人們節(jié)約能源的理念，與此同時(shí)還能間接地減輕溫室效應(yīng).此外相對(duì)于普通的壓縮式制冷無(wú)工件運(yùn)行產(chǎn)生的大噪音，系統(tǒng)運(yùn)行安靜.系統(tǒng)運(yùn)行的空間接近于真空，因此不會(huì)存在高壓爆炸，運(yùn)行空間比較穩(wěn)定，安全可靠.

太陽(yáng)能吸收式制冷的工作原理是利用太陽(yáng)能集熱板來(lái)加熱水，然后用熱水加熱發(fā)生器中的制冷劑溶液，進(jìn)入冷凝器變?yōu)槔淠羝?，然后使制冷劑?jīng)過(guò)冷卻、冷凝和節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器中由液體變?yōu)闅鈶B(tài)并吸收熱量實(shí)現(xiàn)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(qiáng)將含有制冷劑的溶液送入發(fā)生器蒸發(fā)完成整個(gè)循環(huán).下圖3為太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)收集與轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)示意圖.

圖3 太陽(yáng)能吸收式制冷轉(zhuǎn)化圖

5 總結(jié)

隨著社會(huì)科技的發(fā)展，能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題逐漸成為當(dāng)今世界的兩大重要問(wèn)題.半導(dǎo)體制冷技術(shù)克服了普通制冷破壞環(huán)境的問(wèn)題，為人們的生活環(huán)境做出了貢獻(xiàn).而太陽(yáng)能制冷則可以解決環(huán)保和能源兩大問(wèn)題.雖然太陽(yáng)能制冷技術(shù)目前還不夠成熟，有待于人們進(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)，但是由于環(huán)保和節(jié)能的兩大特點(diǎn)，決定著其有較好的發(fā)展前景.當(dāng)前，各種新型制冷技術(shù)發(fā)展迅速，盡管還沒(méi)能得到廣泛的推廣應(yīng)用，但其優(yōu)越性已得到了肯定，小范圍的應(yīng)用已比較普遍.可以預(yù)見(jiàn)，新型制冷技術(shù)的研究發(fā)展必將極大地推動(dòng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展.

〔1〕秦允豪.熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.164-230.

〔2〕汪志誠(chéng)．熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理[M]北京：高等教育出版社，2008.1-360.