[導(dǎo)讀]相變制冷就是利用物質(zhì)由質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變(融化、蒸發(fā)、升華)時的吸熱效應(yīng)達到制冷目的。
相變是指物質(zhì)集聚態(tài)的變化。物質(zhì)在發(fā)生相變時，由于分子重新排列和分子熱運動速度改變，必然伴隨著吸收或放出一定的熱量，這種熱量稱為相變潛熱。相變制冷就是利用物質(zhì)由質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變(融化、蒸發(fā)、升華)時的吸熱效應(yīng)達到制冷目的。
1)固體融化制冷
制冷技術(shù)中常用純水冰、溶液冰或冰鹽的融化過程來制冷。由于這種方式都是以一定數(shù)量的固體物質(zhì)作制冷劑，作用于被冷卻對象，一旦固體全部相變制冷過程即告結(jié)束，所以不能利用它們的融化過程來組成制冷機的循環(huán)。
天然冰制冷是最早使用的降溫方法，但它的來源是有限的，現(xiàn)代制冷技術(shù)中大量應(yīng)用的純水冰都是制冷機制備的。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101325Pa)下，純水冰的融化溫度為273.15K，融化潛熱為335kJ/kg。所以，利用純水冰融化能使被冷卻的物體保持O℃以上的溫度。
圖2.1為水的相平衡圖，3條相平衡線將圖分為3個區(qū)域，即:水、水蒸氣和冰。三相點O的溫度為273.16K，壓力為610.62Pa。OK線是水蒸氣和水的平衡線，即水汽化過程中的溫度和壓力關(guān)系曲線;OL線是冰和水的平衡線;OS線是冰和水蒸氣的平衡線，即冰的升華曲線?？梢钥闯觯谌帱c和三相點以下時，冰可以直接升華為水蒸氣，冰升華時的溫度與相應(yīng)的壓力有關(guān)。盡管冰升華也可以制冷，但實際應(yīng)用中主要還是利用冰融化制冷。
冰鹽作為制冷劑可以實現(xiàn)0℃以下的制冷。冰鹽是指冰和鹽類的混合物，工業(yè)上應(yīng)用最廣的是冰塊與工業(yè)食鹽(NaCl)的混合物。冰鹽冷卻過程包括冰融化吸熱和鹽溶解吸熱:首先是冰吸熱融化，在冰表面形成一層水膜，此時的溫度為OC;接著鹽溶解于水膜中，同時要吸收溶解熱，造成鹽水膜的溫度降低;繼而冰在較低的溫度下進一步融化，并通過其表層的鹽水膜與被冷卻對象發(fā)生熱交換。這樣，當(dāng)冰全部融化后，形成均勻的鹽水溶液。冰鹽冷卻所能到達的溫度與鹽的種類及混合物中鹽與冰的比例有關(guān)，見表2.1
當(dāng)冰鹽按一定的配比混合融化后可以形成共品溶液，常常被用來凍結(jié)成共晶冰(也稱溶液冰)進行冷量儲存，然后在需要用冷的時候吸收熱量而融化，使冷卻對象降溫。共晶冰在融化過程中溫度是不變的，該溫度稱為共晶溫度。共晶溫度低于0℃的共晶冰通常用于無機械制冷的冷藏汽車中，共晶溫度高于0℃的共晶冰通常作為蓄能空調(diào)系統(tǒng)的儲能介質(zhì)。表2.2 列出了一些用于制冷目的的共晶溶液的物理性質(zhì)。
近年來，固體相變蓄冷技術(shù)在制冷空調(diào)中的研究和應(yīng)用日益廣泛，其目的在于緩解能量供求雙方在時間、強度和地點上的不匹配，合理利用能源和減少環(huán)境污染。例如，采用傳統(tǒng)的冰蓄冷，在冷量富足時通過制冰將冷量儲存到固態(tài)冰中，到冷量需求很大的時刻再以冰融化的方式將冷量釋放出來，從而解決制冷設(shè)備定常制冷量與用冷負荷起伏的不平衡矛盾。采用動態(tài)制冰技術(shù)制取冰水混合物(Iceslurry)便于輸送，在食品冷截方面更是具有得天獨厚的優(yōu)勢。
在蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用中，由于冷源溫度的需求不是很低，若采用冰蓄冷，則系統(tǒng)中還需要增加中間換熱裝置，而且制冰過程中制冷機的效率要比正常空調(diào)工況下的低。因此，目前很多研究者都致力于研究開發(fā)融點在4-10℃的相變材料作為空調(diào)蓄能用。這類材料通常叫做高溫相變材料，簡稱PCM。目前，這類材料的研究集中在兩方面:一是共晶鹽或復(fù)合鹽水合物，代表性的成果是由美國TRANSPHASE公司與哈佛大學(xué)生化研究所在1981年開發(fā)成功的T-47型(融點為8.3℃)和1988年調(diào)配成功的T-41(融點為5℃)型兩種產(chǎn)品;二是氟利昂氣體水合物，其融點可通過調(diào)節(jié)氣體壓力達到。(美國橡樹嶺國家實驗研究室和我國中科院廣州能源研究所都在這方面開展了研究)
2)固體升華制冷
目前，使用最多的固體升華制冷劑是CO2N2，Ne，Ar。固體CO2，俗稱干冰，可以由高壓液體CO2，用降壓法得到。干冰的三相點參數(shù)為:溫度為-56.6℃，壓力為0.52MPa。圖2.2是CO2，的相平衡圖，干冰在三相點和三相點以下吸熱時直接升華為CO2，蒸氣，吸收潛熱后用來制冷。常壓下干冰的升華溫度為-78.5℃，升華潛熱為573.6kJ/kg升華后的低溫CO2，仍具有顯熱制冷能力，若使之升溫到O℃，則總的制冷量為646.4kJ/kg。所以，干冰的制冷能力比冰和冰鹽郡要大，其單位質(zhì)量制冷能力是冰的1.9倍，單位容積制冷能力是冰的2•95倍。干冰化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對人體無害，是一種良好的制冷劑。
早在19世紀(jì)，干冰冷卻就用于食品工業(yè)、冷藏運輸、醫(yī)療、人工降雨、機械零件冷處理和冷配合等方面。近代科學(xué)研究中，為冷卻紅外探測器γ射線探測器、機載紅外設(shè)備等，采用固體制冷劑向高真空空間升華的制冷系統(tǒng)。它具有升華潛熱高、貯存密度大、固體制冷劑具有較低溫度，可提高紅外探測器的靈敏度的優(yōu)點。
3)液體汽化制冷
利用液體汽化過程的吸熱效應(yīng)來制冷的方法稱為液體汽化制冷。與固體相變制冷不同的是，液體汽化制冷采用流體(液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì))作為制冷劑，通過一定的設(shè)備構(gòu)成制冷循環(huán)可實現(xiàn)連續(xù)制冷，它的應(yīng)用更加廣泛。液體汽化制冷是目前最主要的制冷方法之一。
當(dāng)液體處在容器內(nèi)時，液體汽化形成蒸汽，若此容器內(nèi)除了液體及液體本身的蒸汽外不存在任何其他氣體，那么液體和蒸汽在某個壓力下將達到平衡，也就是達到飽和狀態(tài)。如果將一部分飽和蒸汽從容器中抽走，液體中就必然要再汽化一部分蒸汽來維持平衡。液體汽化時需要吸收熱量，此熱量稱為汽化潛熱。只要液體的蒸發(fā)溫度低于被冷卻對象的溫度，汽化潛熱便可以通過熱交換從被冷卻對象中獲得，從而使被冷卻對象變冷，或者使它維持在其一低溫，達到制冷的目的。
為了使液體汽化的過程連續(xù)進行，制冷技術(shù)中通過一定的方法把蒸汽抽走，并使它凝結(jié)成液體后再送回到容器中形成循環(huán)。如果將容器中抽出的蒸汽直接凝結(jié)成液體，所需冷卻介質(zhì)的溫度比液體的蒸發(fā)溫度還要低，而在實際過程中希望蒸汽的冷凝過程在常溫下實現(xiàn)，因此需要將蒸汽的壓力提高到常溫下的飽和壓力。液體汽化制冷循環(huán)的4個基本過程是:I制冷劑液體在低溫下蒸發(fā)，成為低壓蒸汽;II將低壓蒸汽提高壓力，使之成為高壓蒸汽;III將高壓蒸汽冷凝，使之成為高壓液體;Ⅳ將高壓液體降低壓力，使之重新變?yōu)榈蛪阂后w返回到過程I，從而完成循環(huán)。
上述制冷循環(huán)中，過程Ⅳ實現(xiàn)了制冷劑自身的降溫，是下一步制冷的前提，該過程通常是通過節(jié)流裝置實現(xiàn)的;過程正是制冷劑從低溫?zé)嵩次諢崃康倪^程，實現(xiàn)制冷;過程Ⅱ是循環(huán)的能量補償過程;過程Ⅲ是向高溫?zé)嵩磁欧艧崃康倪^程。實際制冷裝置中，所使用的補償能量可以有多種形式，實現(xiàn)能量補償?shù)姆绞揭捕喾N多樣:如果過程I以消耗電能或機械能為能量補償，通過壓縮機對低壓氣體做功，使之壓力提高，這種制冷方式稱之為蒸汽壓縮式制冷;如果通過液體吸收劑或固體吸附劑對制冷劑蒸汽進行吸收或吸附，冉利用驅(qū)動熱源加熱吸收或吸附工質(zhì)對，來產(chǎn)生較高壓力和溫度的制冷劑蒸汽，這樣的制冷方式則分別稱為吸收式制冷和吸附式制冷;同樣使用熱能作為驅(qū)動能源，但利用噴射器實現(xiàn)從蒸發(fā)器中抽取蒸汽并壓縮到高壓的，稱為蒸汽噴射式制冷。下面將分別介紹這幾種制冷方式。
