常见制冷方式的原理、技术特点

(一)工作原理    

蒸气压缩式制冷作为现代制冷技术的主流形式，其核心原理基于制冷剂在封闭系统内的热力学循环实现能量转移。该系统通过四大关键部件（压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器）的协同作用，完成制冷剂的相态转换与热量传递：液态制冷剂在蒸发器低压环境下吸收被冷却介质的热量发生相变汽化（蒸发吸热过程），随后经压缩机做功压缩为高温高压气态（压缩升压过程），在冷凝器中向环境介质释放热量并冷凝为液态（冷凝放热过程），最后通过节流装置降压形成低温低压两相流（节流降压过程），重新进入蒸发器完成循环。        

这种循环通过压缩机持续建立的压力差驱动制冷剂流动，利用相变潜热实现高效热交换。例如，R134a制冷剂在蒸发温度8℃时单位质量制冷量可达198.695kJ/kg，而冷凝温度37℃时通过冷凝器可将高温高压气态制冷剂转化为液态，释放出包含制冷量与压缩功的总热量 。相较于其他制冷方式，其优势在于通过压力调节精准控制相变温度，配合膨胀阀的流量调节实现制冷量动态适配，广泛应用于空调、冷链物流等工业及民用领域。

如图1所示,蒸气压缩制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四大部件组成。低温低压的气态制冷剂由压缩机吸入并被压缩成高温高压气体,然后在冷凝器中与冷却介质换热冷凝为高压液体,再经节流装置节流降压,进入蒸发器吸收被冷却空间的热量蒸发为低温低压气体,重新进入压缩机,完成一个制冷循环。

(二)结构组成      

1.压缩机

蒸气压缩制冷系统的核心是压缩机，它通过机械做功将低温低压制冷剂蒸气压缩为高温高压状态，驱动制冷剂在封闭循环中完成相变吸热与放热过程。活塞式压缩机通过往复运动压缩气体，结构简单且成本低，广泛用于家用冰箱、空调等设备；涡旋式压缩机利用旋转涡盘实现连续压缩，运行平稳且噪音低，多用于分体式空调；螺杆式压缩机则通过阴阳转子啮合形成高压，具备大排量特性，主要服务于中央空调和冷库等大功率场景

2.冷凝器

冷凝器作为制冷循环中制冷剂蒸气冷凝放热的核心部件，其性能直接影响系统能效。风冷式冷凝器通过空气对流实现散热，具有安装灵活、维护简便的特点，但受限于空气传热系数（通常低于30W/(㎡·K)），需较大换热面积且易受环境温度影响；水冷式冷凝器利用水的高导热性（传热系数可达1000-2000W/(㎡·K)），通过壳管式或套管式结构实现高效冷凝，但需配套冷却塔及水处理系统；蒸发式冷凝器则创新性地结合水蒸发潜热（显热与潜热综合换热系数达150-200W/(㎡·K)）与空气流动，在保证高效冷凝的同时减少用水量，但其喷淋水系统需定期除垢维护，且复杂结构导致初期投资较高。

3.节流装置

节流装置作为制冷循环中连接冷凝器与蒸发器的关键部件，通过压力调节实现制冷剂相态转换与流量控制。机械式节流装置（如毛细管）凭借结构简单、成本低廉的特点，广泛应用于小型制冷系统，但其固定孔径导致流量调节能力有限，且易受杂质堵塞影响工况稳定性。智能调节型节流装置（如热力膨胀阀与电子膨胀阀）通过感温元件实时反馈蒸发器出口过热度，实现流量动态匹配：热力膨胀阀基于机械平衡原理调节开度，适用于常规工况且维护成本适中；电子膨胀阀采用步进电机精准控制阀针位移，响应速度可达毫秒级，在变频空调等高精度场景中优势显著，但系统集成度要求较高且初期投入成本增加30%-50%

4.蒸发器

蒸发器作为制冷循环中吸收热量的核心部件，其结构设计与传热性能直接影响系统能效。翅片管式蒸发器通过增加换热面积（翅片使表面积提升30%-50%）显著强化传热，在空调机组中占比超60%；板翅式蒸发器采用多通道平行流道设计，传热系数可达1500-2500W/(㎡·K)，结构紧凑度比管式提升40%；喷淋式蒸发器通过液滴直接接触实现高效换热，但管外结垢速率可达0.1mm/年，需定期酸洗维护；光管式因传热系数低（约60-80W/(㎡·K)）且易积霜堵塞，已基本退出主流应用。

(三)运行特点       

1.制冷效率高。

蒸气压缩制冷的理论循环接近卡诺循环,在各类制冷方式中,其效率最高,COP可达2~5,部分高效机型的COP甚至可达7以上。

2.输入功率大。

蒸气压缩制冷需要以压缩机为动力,耗电量大。以家用空调为例,其能效比一般为3.5,意味着产生1kW冷量就要消耗0.3kW电能,在夏季用电高峰时段,电网负荷骤增。

3.工质选择广

蒸气压缩制冷技术正加速向环保工质转型，逐步淘汰传统氟利昂制冷剂。碳氢化合物（如丙烷、异丁烷）凭借零ODP值和低GWP特性，在商用制冷领域渗透率突破5%，其高蒸发潜热（丙烷达360kJ/kg）使能效比提升22%。新型工质领域，跨临界CO?热泵通过超临界循环实现85℃高温供热，COP值达4.0，较传统氟利昂系统节能30%；水蒸气压缩机采用闭式循环技术，将低温余热回收效率提升至85%，在工业废水处理中减少40%蒸汽消耗。这些技术突破推动制冷剂向零碳排、高循环效率方向演进，预计2030年天然工质将占据35%市场份额。

4.适用范围广

蒸气压缩制冷的应用范围非常广泛,从家用冰箱、空调,到汽车、高铁、飞机,再到建筑、冷链,乃至化工、冶金等工业领域,几乎覆盖了所有的制冷场合。

(四)应用实例

1.家用电冰箱。

由于体积小、结构简单,蒸气压缩制冷是家用电冰箱的首选制冷方式。其中,风冷无霜冰箱采用蒸发器直冷技术,利用强制风冷均匀制冷,避免了蒸发器结霜堵塞,霜层厚度不超过3mm。变频电冰箱采用变频压缩机,可根据箱内温度需求调节转速,在保鲜效果与能耗之间取得平衡,其能效等级可达一级能效的40%以上。

2.空调系统。

蒸气压缩制冷技术作为空调系统的核心制冷方案，通过变频多联机与水冷螺杆机组两大技术路径实现差异化应用。变频多联机采用变频涡旋压缩机与电子膨胀阀协同控制技术，实现0.1Hz频率调节精度，使制冷量动态匹配房间负荷变化，相较传统定频机型节能率提升30%以上；水冷螺杆机组通过螺杆压缩机与板式换热器集成设计，COP值突破6.0，在数据中心等高热负荷场景中实现单机冷量覆盖500-3000kW，配合智能群控系统可降低15%以上综合能耗。

3.制冷集装箱。

蒸气压缩制冷作为国际冷藏集装箱的核心制冷技术，采用箱式风冷冷凝机组与下置蒸发器组合结构，通过强制风冷实现箱内气流均匀分布，有效抑制温度波动（±0.5℃），减少货物运输损耗。典型40尺冷藏集装箱制冷量达16000W，可精准维持-18℃至+15℃温区，系统能效比（COP）达1.8-2.5，满足远洋运输连续制冷需求

(一)工作原理     

吸收式制冷通过工质对的相变与吸收反应实现制冷循环，典型系统采用溴化锂-水组合。该循环由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器及溶液热交换器构成闭环系统：发生器通过热源加热溴化锂溶液，促使水蒸发为高压蒸汽；蒸汽经冷凝器液化后，通过节流阀降压进入蒸发器吸热汽化，形成低温冷量；低压水蒸气被吸收器内浓溴化锂溶液吸收，释放的热量通过冷却水带走，生成的稀溶液经溶液泵加压后，与来自发生器的高温浓溶液在热交换器中完成热量回收，最终返回发生器形成连续循环。该技术通过热能驱动替代机械压缩，特别适用于余热回收与低品位能源利用场景。

吸收式制冷通过热能驱动实现制冷循环，其核心特征在于以热源替代电能作为动力源，因此被称为热驱动制冷系统。该技术通过工质对（如溴化锂-水或氨-水）的吸收-解吸特性完成制冷过程，典型COP值范围为0.7-1.2。相较于压缩式制冷（COP 3-5），虽然理论能效较低，但其直接利用80-150℃工业余热或地热等低品位热能，避免了电能转化为热能的转换损耗（效率损失约60-70%）。在余热资源丰富的工业场景中（如钢铁厂、化工厂），吸收式制冷系统可将能源综合利用率提升至85%以上，较传统电制冷方案降低40-60%运行成本。特别是在高温热源温度≥120℃时，双效吸收式机组通过两级热交换实现COP 1.1-1.3，配合溶液热交换器可将寄生能耗降低25%。

(二)结构组成    

1.发生器

发生器是吸收式制冷机的核心部件，通过加热溴化锂溶液促使其中的水蒸发为高压蒸汽。其多采用管壳式结构，高温热源通过壳程加热管程内的溴化锂溶液，具体形式因热源类型不同而有所差异。

2.冷凝器

冷凝器通过冷却介质（水或空气）将高温高压制冷剂蒸汽冷凝为液态，其效率直接影响系统制冷性能。大型机组多采用蒸发式冷凝器，利用水膜蒸发与空气对流双重散热，高温环境下冷凝温度较传统水冷式降低5-8℃；中小型机组常用风冷式，依赖翅片管强化传热，在干燥气候区无需冷却水维护。冷凝器传热系数提升可显著降低冷凝压力，例如采用螺旋槽管可使传热系数从4500W/(m2·K)增至6500W/(m2·K)，配合喷淋技术使冷凝压力稳定在9.8kPa以下，保障蒸发温度≤5℃。

3.蒸发器

蒸发器通过低温低压制冷剂蒸发吸热，直接冷却被冷却介质。常见结构包括壳管式、降膜式及喷淋式，采用高效填料或多级蒸发结构可强化传热性能

4.吸收器

吸收器通过高浓度溴化锂溶液吸收水蒸气并释放热量，其吸收效率直接影响发生器能耗（吸收量增加可减少加热需求）。提升吸收器传热效率是优化制冷系统COP的核心，新型板式吸收器结合纳米流体技术可使显热传递系数提升30%以上

5.溶液热交换器

溶液热交换器通过高温浓溶液预热低温稀溶液，降低发生器能耗并避免吸收器结晶，可提升COP约15%。板式换热器凭借紧凑结构（传热面积密度达管壳式的3-5倍）和高效传热特性（剩余温差从25℃降至8℃），成为溶液热交换主流方案，其钛板材质还能耐受强腐蚀工况

(三)运行特点     

1.热驱动。

吸收式制冷以热能为驱动力,可直接利用工业余热、废热,如烟气、蒸汽等,具有显著的节能效果,但对热源的温度和稳定性要求较高。

2.循环工质环保。

以水作为制冷剂、溴化锂溶液作为吸收剂,均为环保型工质,ODP和GWP几乎为零,对大气臭氧层和温室效应影响很小。

3.噪声低。

吸收式制冷无压缩机等高速旋转设备,其噪声主要来自溶液泵,噪声值一般低于50dB(A),远低于压缩机的噪声水平。

4.运行可靠。

由于无压缩机等精密移动部件,吸收式制冷机组可连续工作,运行稳定可靠,使用寿命可达15年以上。

5.空间占用大。

吸收式制冷机的单位制冷量体积大,是压缩式的2~3倍。且安装时需要预留冷却塔等辅助设备空间,占地面积大。

(一)工作原理      

吸附式制冷利用多孔固体吸附剂(如硅胶、分子筛等)对制冷剂的可逆吸脱附作用实现制冷。如图3所示,典型的硅胶-水吸附式制冷机主要包括吸附床、冷凝器和蒸发器。

工作时,蒸发器内的低温水蒸气被吸附床吸附并放热,使水蒸气不断蒸发,带走热量进入吸附床;吸附饱和后,对吸附床进行加热再生,使吸附床中的水蒸气解吸附并经冷凝器冷凝成水,再回到蒸发器,完成制冷循环。整个过程中,吸附床在吸附和再生两种状态间交替切换,因此也称为固体吸附间歇式制冷。

吸附式制冷与吸收式制冷的原理相似,也是一种热驱动制冷方式,但以多孔固体作为吸附剂,无化学反应溶液,无需溶液泵,结构更加简单紧凑。常用的吸附工质对有:硅胶-水、分子筛-水、活性炭-甲醇等。

(二)结构组成     

1.吸附床

吸附床是安装吸附剂并与制冷剂进行吸附/解吸的换热器。常采用壳管式结构,吸附剂填装在壳程,热水在管程流动加热;也有采用micro-channel adsorber的,通过减小换热通道尺寸,强化传热传质过程。新型吸附床采用金属有机骨架(MOF)等高效吸附材料,比表面积高达7000m2/g,孔隙率达90%,在提高吸附量的同时,显著降低了循环周期。

2.冷凝器

冷凝器冷凝由吸附床解吸附的高温水蒸气。小型机组常采用自然冷却的翅片管式风冷冷凝器,中大型机组则采用闭式或开式蒸发冷凝器,冷凝温度低至30℃以下,有利于提高机组的制冷量。

3.蒸发器

蒸发器利用低温低压环境下水的汽化潜热制取冷量,多采用壳管式。蒸发器内需维持低于周围环境温度的饱和状态,因此对密封性和保温性要求很高,尤其在真空状态下,一旦漏气会迅速恶化制冷效果。

(三)运行特点     

1.间歇运行。

吸附床在吸附和再生两种状态下交替运行,因此制冷量输出呈间歇式。采用两组及以上吸附床可实现连续制冷。提高循环频率,缩短吸附时间,可显著提升制冷量。

2.环保节能。

常用吸附工质均为纯天然物质,无污染、无腐蚀、无结垢,制冷剂一般也采用水,真正实现了"零排放"。吸附式制冷的COP约为0.4~0.7,虽不及吸收式,但可直接利用低品位余热(如60℃左右的热水),节能效果显著。

3.启动快。

常温下即可启动运行,一般5~15min内即可投入使用,远快于吸收式机组。且机组可根据负荷变化迅速调节,适应性强。

4.机组体积大。

由于吸附剂的吸附量较低(一般硅胶在5%以下),需要大量吸附剂才能获得所需制冷量,导致机组体积偏大。但采用高效MOF吸附材料,可使单位体积制冷量提升2~3倍。

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