制冷原理

“制冷"是指用人工的方法将被冷却对象（如物体或空间）的温度降低到环境温度以下，并保持这个温度。
　　 制冷过程与冷却过程的区别是热量的传递方向不同。冷却过程是热量自发地从高温热源传向低温热源的过程。制冷过程与冷却过程相反，故又称为逆向传热过程。人们把这个从低温热源取出热量的过程又称为向低温热源放出冷量的过程，即制冷。
　　 根据热力学第二定律，制冷过程是不可能自发进行的。为使制冷过程得以实现，必须消耗一定的外界能量给予补偿。这种能量可以是电能、热能、太阳能或其他能量。实现人工制冷的机器和设备统称为“制冷机"。制冷机是一种耗能机械，多利用物质的状态变化来实现制冷的目的。工作在制冷机中的这类介质就称为制冷剂（或称为制冷工质）。人们对制冷机和制冷剂的不断研究和发展，使制冷技术在各领域的作用日益加强，在各领域得到了广泛的应用。
　　 从制冷的定义可以知道，从环境温度以下到接近OK这个范围，都是制冷技术所研究的温度范围，人们利用各种制冷方法达到不同的低温。根据研究对象、制冷方法和人们的习惯不同，制冷学界多数人的观点是将制冷的温区划分为如下3个领域：
　　 1）普通制冷：120K以上。
　　 2）低温制冷：120～4．2K。
　　 3）超低温制冷：4．2K以下。
　　 普通制冷的方法常用的有液体气化制冷、气体膨胀制冷和热电制冷。液体气化制冷利用低温制冷剂液体的气化吸收被冷却对象的热量，来达到制冷的目的，例如蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和蒸气喷射式制冷等就是这样。气体膨胀制冷利用高压制冷剂气体在降压降温膨胀后，吸收被冷却对象的热量。热电制冷利用半导体热电偶通直流电后，两结点处出现一端吸热、一端放热的现象来实现制冷。其他制冷方法如磁制冷等正在研制开发中。
　　 目前，空调工程中应用的制冷方法，主要是蒸气压缩式制冷和吸收式制冷，本课程制冷部分针对这两部分内容编写。制冷技术是以热工理论基础和流体力学等课程为基础的，学习过程中一定要重视理论实际，才能为工程实践打好基础。
　　 1—1 制冷原理
　　 理想制冷循环——逆卡诺循环没有不可逆损失。在两恒温热源间工作的理想制冷循环可以用逆卡诺循环来实现。逆卡诺循环由两个等温过程和两个等熵过程组成。理论上，它可以在湿蒸气区域内，由压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器组成一个循环系统，利用制冷剂在湿蒸气区的等温蒸发和等温冷凝实现制冷。这里要注意的是，逆卡诺循环是在假定蒸发和冷凝两过程与低温热源和高温热源间没有传热温差，高、低温热源恒定，制冷剂流动时没有流动阻力，压缩和膨胀过程为等熵过程的可逆条件下做出的，循环的全过程均是可逆过程，因此称其为理想制冷循环。
　　 逆卡诺循环原理图如图1—1所示。制冷剂沿绝3''→4''膨胀，温度从了T''k降至T''o；然后，沿定温线4''→1''膨胀，在定温膨胀过程中制冷剂在T''o温度下从要被冷却的物质中吸收热量q''o；制冷剂从状态1''被绝热压缩至状态2''，温度从T''o升至T''k；zui后沿定温线2，一3，压缩，在定温压缩过程中，制冷剂在T''k温度下向冷却剂放出热量q''k。将循环1''→2''→3''→4''→1''中的四个状态点表示在T—S图（温—熵图）上，如图1—2所示。根据热工学的知识，可以得出其制冷系数的表达式为

　 制冷系数是制冷量与消压缩功的功耗之比，它是一个经济性指标，制冷系数越大，经济性越好。理想制冷循环的制冷系数zui大，因此将其作为制冷循环的标准。实际制冷循环存在不可逆损失，制冷系数低于理想循环制冷系数，用热力完善度?来表示实际制冷循环接近理想制冷循环程度的指标。其表达式为