制冷技術(shù)的研究進(jìn)展

趙福艷 張丁川 路貴香

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，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(huán)境溫度以下。制冷技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，農(nóng)業(yè)、核工業(yè)、航天工程、住宅等各個(gè)領(lǐng)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(shù)加之廣泛的應(yīng)用，其所帶來的環(huán)境污染和能源損耗問題越發(fā)突出，所以研發(fā)節(jié)能環(huán)保的新型制冷技術(shù)式具有重要意義。

1 以電能為主要驅(qū)動(dòng)能源的制冷技術(shù)

以電能為主要驅(qū)動(dòng)能源的蒸汽壓縮式制冷是目前大多數(shù)用冷場所使用最為廣泛的制冷技術(shù)。它的制冷原理主要是利用液體汽化制冷來達(dá)到制取冷量的目的。來自蒸發(fā)器的低溫低壓的氣態(tài)制冷劑工質(zhì)（氟利昂類或其他制冷劑）進(jìn)入由電能驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)中被壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，然后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中氣態(tài)制冷劑被冷卻水冷卻凝結(jié)成液態(tài)制冷劑，制冷劑液體通過節(jié)流閥（膨脹閥）后進(jìn)入蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)制冷。

這種制冷技術(shù)主要存在著兩個(gè)問題：一是制冷劑工質(zhì)的選擇，由于氟利昂類制冷劑在使用的過程中會(huì)對臭氧層造成破環(huán)，雖然目前世界各國都在積極尋找COP（性能系數(shù)）高且環(huán)境友好的新型制冷劑并已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種對環(huán)境友好的制冷劑例如R134a，但在實(shí)際工程中應(yīng)用的仍比較少，目前市面上大多數(shù)的制冷劑仍是R22；二是驅(qū)動(dòng)能源，目前大多數(shù)制冷設(shè)備的驅(qū)動(dòng)能源主要以電能為主，全球經(jīng)濟(jì)彭博新能源(BNEF)的研究顯示2018年中國的空調(diào)用電量占全球空調(diào)總用量的34%。同時(shí)國際能源署也表示，空調(diào)用電的增長是“當(dāng)今能源辯論中關(guān)鍵的盲點(diǎn)之一”。到2050年，它將成為繼工業(yè)之后的電力需求增長來源，除非采用節(jié)能技術(shù)，否則將對全球氣候造成嚴(yán)重后果。

2 以熱能為主要驅(qū)動(dòng)能源的制冷技術(shù)

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(yīng)用，隨著我國西氣東輸?shù)膶?shí)施和天然氣的引進(jìn)，吸收式制冷在制冷中發(fā)揮著越來越重要的作用，同時(shí)吸收式制冷還可以利用工業(yè)余熱來作為驅(qū)動(dòng)能源，在夏季燃?xì)獾凸?、用電高峰和缺電地區(qū)發(fā)揮著必不可少的作用。它的原理主要是以兩種沸點(diǎn)相差較大的物質(zhì)組成的二元溶液為工質(zhì)對，其中沸點(diǎn)低的溶液為制冷劑，沸點(diǎn)高的溶液為吸收劑，從吸收器中流出的一定濃度的溶液經(jīng)溶液熱交換器加熱后進(jìn)入發(fā)生器，在發(fā)生器中被高溫?zé)嵩矗ㄕ羝?、太陽能、工業(yè)余熱等）加熱，溶液濃度升高，在此過程中揮發(fā)出來的吸收劑進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中冷卻凝結(jié)成為液體經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，同時(shí)發(fā)生器中濃度較高的溶液經(jīng)溶液熱交換器和節(jié)流裝置后進(jìn)入蒸發(fā)器，這兩部分液體在蒸發(fā)器中混合吸熱汽化成為氣體，達(dá)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(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)依然存在。主要的問題就是工質(zhì)對，目前常用的工質(zhì)對為溴化鋰-水、氨-水，但在溴化鋰-水系統(tǒng)中的溴化鋰易腐蝕、結(jié)晶且會(huì)產(chǎn)生不凝性氣體，系統(tǒng)難以長期運(yùn)行，而氨-水系統(tǒng)中氨容易發(fā)生爆炸，存在危險(xiǎn)隱患，目前，科學(xué)家想要通過在現(xiàn)有的工質(zhì)對中加添加劑以改善制冷機(jī)的性能。但對于不同的添加劑的增強(qiáng)機(jī)制未得出統(tǒng)一解釋[1]，需要進(jìn)行一步研究。

2.2 吸附式制冷

吸附式制冷是以熱能為驅(qū)動(dòng)能源。現(xiàn)以太陽能為驅(qū)動(dòng)熱源的沸石-水系統(tǒng)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(chǎn)生解吸作用，水蒸氣從沸石中蒸發(fā)出來，系統(tǒng)內(nèi)水蒸氣的壓力升高，當(dāng)壓力升高到環(huán)境溫度的所對應(yīng)的炮和壓力時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的水蒸氣在冷凝器中冷卻凝成成為液體水，儲(chǔ)存在蒸發(fā)器中；傍晚，環(huán)境溫度降低，吸附床的溫度也隨之降低，產(chǎn)生吸附作用，隨著沸石的吸附，越來越多的水蒸氣從蒸發(fā)器中蒸發(fā)出來以滿足沸石的吸附，如此循環(huán)往復(fù)來實(shí)現(xiàn)制冷。目前以太陽能為熱源的吸附式制冷機(jī)雖然已成功地應(yīng)用在一些小型建筑的空調(diào)上，但在賓館等大型制冷場所難以應(yīng)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(shù)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(fā)復(fù)合/混合型吸附劑。因此吸附式制冷在短時(shí)間內(nèi)還難以在市場上廣泛應(yīng)用。

3 新型制冷技術(shù)

3.1 磁制冷

磁致冷技術(shù)與蒸汽壓縮式、吸收式制冷相比是一種固態(tài)制冷技術(shù)。即利用順磁性物質(zhì)的磁熱效應(yīng)。磁介質(zhì)的熵由磁熵和熱熵兩部分組成，在絕熱變化時(shí)，系統(tǒng)的熵為0。故當(dāng)磁介質(zhì)發(fā)生磁化時(shí)，介質(zhì)的磁熵減小，熱熵增加，對外放出熱量；當(dāng)磁介質(zhì)所在的外加磁場變小時(shí)，介質(zhì)的磁熵增加，熱熵減小，從外界吸熱，以此來制取冷量。該技術(shù)具有零ODP（全球變暖潛能值）、低振動(dòng)、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)[3]，具有良好的發(fā)展前景。目前室溫制冷劑技術(shù)進(jìn)步顯著，實(shí)用化程度提高，國內(nèi)外在磁制冷機(jī)的研發(fā)上都已經(jīng)取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。國內(nèi)方面，截止到2013年中國包頭稀土研究院[4]已經(jīng)研發(fā)了四代13臺磁制冷機(jī)，目前其正在與海爾集團(tuán)開展合作?；仡櫧衲陙泶胖评浼夹g(shù)的發(fā)展歷程，從最初制冷效率的幾十瓦、幾百瓦到現(xiàn)在的幾千瓦，這些成就的取得使得磁制冷在各領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。雖然目前磁制冷技術(shù)還存在制作成本高、制冷效率較低等問題，但隨著技術(shù)的不斷提高，相信在不久的將來磁制冷必將在制冷領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

3.2 熱電制冷

熱電制冷以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)，利用珀?duì)栙N效應(yīng)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(shí)會(huì)造成一個(gè)節(jié)點(diǎn)熱，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)冷的現(xiàn)象，金屬從冷端吸熱，向熱端放熱。該技術(shù)的制冷效果主要取決與兩種不同金屬的熱電勢，由于半導(dǎo)體材料的珀?duì)栙N效應(yīng)和制冷效率較其他純金屬高，故熱電制冷都采用半導(dǎo)體。熱電制冷也是一種固態(tài)制冷方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、噪音低、具有可逆性等優(yōu)點(diǎn)，因此在小型空調(diào)器、低溫醫(yī)療用具、精密電子儀器的制作上發(fā)揮著重要作用。目前研發(fā)熱電致冷機(jī)的關(guān)鍵就在于熱電材料的選擇，以優(yōu)值系數(shù)Z=α2/kρ（α為溫差電動(dòng)勢，ρ為電阻率，k為熱導(dǎo)率）為評價(jià)指標(biāo)。要想獲得較高的制冷效率就必須使優(yōu)值系數(shù)達(dá)到13x10-3K-1[5]。

3.3 熱聲制冷

熱聲制冷是利用熱聲效應(yīng)的制冷技術(shù)。熱聲效應(yīng)[6]是熱量和有序聲振蕩之間的相互轉(zhuǎn)換。從能量轉(zhuǎn)換的方向可分為熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)（以熱產(chǎn)聲）和熱聲制冷機(jī)（以聲產(chǎn)熱）。與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，熱聲由于自身具有的清潔、噪聲低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)在普冷和低溫制冷領(lǐng)域具有巨大的潛力。目前熱聲制冷技術(shù)進(jìn)展顯著，已在軍事領(lǐng)域有所應(yīng)用，同時(shí)胡鵬[7]等研發(fā)了復(fù)合結(jié)構(gòu)PZT 聲驅(qū)動(dòng)器并且達(dá)到了最大溫降12.3℃和最大溫差31℃，達(dá)到目前已報(bào)道的同類機(jī)器的最佳性能。

4 結(jié)語

由于環(huán)境問題日益嚴(yán)重以及蒙特利爾條約對制冷劑氟利昂的限制，節(jié)能與環(huán)保必將成為未來制冷技術(shù)必備的特點(diǎn)。由此預(yù)測未來制冷技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該主要有兩個(gè)方面：一是積極推行以太陽能、聲能等清潔能源為驅(qū)動(dòng)能源的新型制冷技術(shù)如熱聲制冷、磁制冷等；二是混合制冷技術(shù)，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(bǔ)蒸汽壓縮式制冷節(jié)能不節(jié)電和吸收式制冷節(jié)電不節(jié)能的缺點(diǎn)，達(dá)到既節(jié)電又節(jié)能的目的。