实验6—7 制冷技术与应用
制冷技术是指用人工方法在一定时间和一定空间中将某物质或流体变冷，使其温度低于环境温度并保持这个温度。其本质就是转移分子热运动的平均动能。一百多年来，随着科学技术的不断提高，制冷技术得到了快速发展，一些新的制冷方法相继成熟，并广泛应用于商业、工业、农牧业、建筑业、国防、医学和人们的日常生活中。本实验侧重于对照实物详细讲解液体蒸发式制冷循环系统，对其它制冷方法只作简单介绍。
【实验目的】
1．了解制冷技术的发展及其应用。
2．掌握液体蒸发式制冷原理。
3．熟悉家用冰箱和空气调节器的工作原理。
【实验原理】
1.制冷方式
简单地说，获得低温度就称为“制冷”。早在几千年以前，我国劳动人民就懂得将天然冰贮藏在地窖中，待到酷暑季节用来冷藏鱼肉等食品。从古代埃及壁画上发现，在公元以前，埃及人民已会将水装入素制陶壶中，壶中水从壶壁渗出蒸发，吸收了壶中水的热量，从而使壶中水的温度得以降低。可见这是制得低温水的最早方法。然而，用人工和机械方法制冷，只是一百年多来的事情。1823年，由英国的麦加耳·法拉弟（Michael Faraday）发表了有关氨蒸气压缩式制冷循环原理的文章。1872年，德国的卡温林特（Carl V on Linde）最早将其应用于工业方面。四十一年之后——1913年，世界上出现了第一台手动式家用冰箱。1918年，美国Kelvina tor公司第一次生产出自动的电冰箱供商业和家庭使用。封闭式电冰箱于1920年研制成功。自1930年以后，由于碳氟化合物（又称氟利昂）类制冷剂的出现，才使电冰箱有了较快的发展，在此之前的1927年，家用吸收式冰箱也已经问世。全世界冰箱的发展与普及，是在第二次世界大战以后——五十年代末至六十年代初。我们国家直到六十年代后期才开始大量生产全封闭式冰箱。随着科学技术的迅猛发展，一些新的制冷方法相继成熟，并广泛应用于各个领域。下面简要介绍几种常用的制冷方法。
1）固体升华制冷
固体不经融解而直接升华为汽体的过程中吸收热量，冷却了周围介质。如：二氧化碳（干冰）在大气压下升华，其升华温度为-79.8℃，升华潜热为137千卡/公斤。
2）固体融解制冷
天然冰、机制冰在融解过程中吸收周围空间的热量，使其周围温度下降。每公斤冰的融解潜热为79.68千卡/公斤。要连续保持低温度，就得不断地补充冰，与固体直接升华制冷过程一样，是一种单向制冷，所能获得的低温度随固体融解温度而定。
3）液体蒸发制冷
液体在蒸发过程中吸收大量汽化潜热使其周围温度下降。按其循环系统可分为两类：蒸气压缩式和吸收式制冷。本实验重点对照实物讲述压缩式制冷原理和循环系统。详细叙述参见本书实验5-1热学制冷循环实验：【实验原理】5.电冰箱的制冷循环。如图6-7-1所示，最简明的蒸气压缩式制冷循环过程，也就是压缩式冰箱的制冷循环。
1. 压缩机；
2. 冷却风扇；
3. 冷却的液体制冷剂（液管）；
4. 冷凝器；
5. 贮液器；
6. 膨胀阀；汽车氟利昂价格
7. 蒸发器（冻结器）；
8. 冷却空间（冰箱）；
9. 回气管。
图6-7-1 最简单的蒸气压缩式制冷循环装置
4）气体绝热膨胀制冷
气体被压缩冷却后，突然减压膨胀时能够得到低温。空气被压缩后冷却到常温，再进入一个膨胀容器内作绝热膨胀，可以得到低温空气来作为制冷源。目前来看，采用该方法的制冷效率很低。然而，它也有结构简单，无公害等优点。故被小型汽车、飞机等作为空气调节方面的应用。
5）热电制冷
热电制冷又称为“半导体制冷”或“电子制冷”。它是利用热电子效应来达到制冷目的。这种效应最初应用在热电偶电位计方面，它是采用两种不同的金属导线，将它们两端连接，一端作为冷接点，另一端为热接点，此时在回路中串连的电位计指示回路中电位的大小，这一现象称为“塞贝克效应”。当电路中通以直流电源，回路中就有电流流过，此刻，在金属导线的两端将发生一端冷另一端热的现象。这一现象称为“珀尔帖效应”。目前已经发展到可以实用阶段的半导体热电制冷，就是应用该原理。
目前热电偶对大多数采用铋碲类半导体材料，用铋碲锑作“P”型元件；铋碲硒作“N”型元件。元件材料性能的好坏，直接影响制冷的效能。
热电制冷主要具有以下特点：热电制冷无运转部件；工作时无噪声；无有害气体。由于
这些优点在国内外已广泛地应用在医疗仪器（白内障冷冻切除、皮肤冷冻、冰冻切片机等）；电子仪器（恒温器、温度校正仪、0点恒温器等）；家用设备（小型冰箱、小型空调器等）方面。国内从60年代中期开始进行热电制冷方面的研究和制造，目前已能生产上述各类产品。
但是，由于热电制冷元件材料价格太贵，国内在主要的元件与连接铜片的焊接工艺质量方面，还没有完全解决，产品寿命有一定差距等问题，所以未能广泛地应用。热电制冷元件“热电对”工作原理如图6-7-2所示。
图6-7-2 热电对工作示意
6）绝热去磁制冷
顺磁介质在磁场中被磁化以后，如果突然地减少磁场，此时顺磁物质的温度就要下降。根据这个原理可以获得其它办法所无法达到的极低温度，甚至可以达到0.001K超低温。
2.制冷剂与冷媒
1）制冷剂
液体蒸发式制冷装置获得冷的过程，是由于制冷机使系统内的制冷剂发生了状态变化而产生的吸热——放热过程。因此制冷剂是制冷装置中的载热体，又称它为“工质”。
制冷剂按化合物的种类可分为：无机化合物类，如：氨、水；氟氯烷类，统称“氟利昂”；碳氢化合物类，如：乙烷、丙烷、乙烯等。根据使用要求选用不同特性的制冷剂，以取得最好的制冷效果。目前家用冰箱和小型制冷机上主要使用氟利昂制冷剂（如R12、R22等）及其替代物（如R134a、R600a等）。由于制冷剂的种类很多，这里就不作一一介绍，仅对制冷剂应具有的特性简单概括如下：
①在蒸发器内规定的温度下蒸发时，蒸发压力P0高于大气压力；常温情况下有较低的冷凝压力P k就能液化。蒸发压力高于大气压力时，当制冷系统发生泄漏，外界空气不易窜入管路内。一旦空气进入制冷系统将会使冷凝压力增高；空气中的氧、水分又会使润滑油氧化变质，促使氟利昂类制冷剂发生化学反应，生成酸性物，对金属产生腐蚀和生成沉淀物，造
成机械磨损，管路中过滤器和膨胀阀阻塞，最终使制冷系统循环停止。冷凝压力增高会使机械运转的经济性不良。
② 相同制冷量下所消耗机械功要求愈小愈好。
③ 临界温度K T 高，常温下易液化。临界温度低的制冷剂，在常温附近不易液化，并且会使制冷机的效率恶化。在选用制冷剂时，最好使冷凝温度0.85K K t T  ，以免节流损失过大而使制冷系数降低。
④ 凝固温度要低。制冷剂凝固温度高，易发生凝固，影响它在制冷系统内流动而形成阻塞，使制冷装置不能发挥正常效能。一般制冷剂凝固温度大多在-100℃以下，凝固温度高的制冷剂不能用于低温装置。
⑤ 蒸发热值要大，液体的比热要小。也就是单位重量制冷量0q 大，相同制冷量下，循环的制冷剂量就少。液体比热小对于制冷剂的热交换和过冷却都较有利。
⑥ 相同制冷量下制冷剂的蒸气比容要小，相对的压缩机尺寸可做得小。
⑦ 化学性能稳定，不易变化。在压缩过程中不会因压缩热而发生化学反应。不易受压力和热的影响产生其它气体，不影响电气绝缘材料的性能。
⑧ 对金属不产生腐蚀。如有腐蚀时要采用特殊金属和合金材料制造机件。
⑨ 对润滑油不产生分解、氧化等化学作用，不影响其润滑油性能。如果与润滑油发生相互溶解时，也不会使润滑油的粘度降低。
⑩ 粘度小。不论呈液态还是气态，粘度小，则在管道内流动时阻力小，压降也小。同时要求传热性能好，这样在蒸发器和冷凝器中传热温差就小，使制冷效率得到提高。
⑪ 不易燃易爆，对人体无害，并无特殊刺激臭味。
⑫ 价格低廉，容易购买。
目前应用中的各种制冷剂都不完全具备上述这些条件，甚至有些制冷剂还会破坏大气中臭氧层，污染环境，新一代无氟（绿环保型）制冷剂仍需要进一步研究与探索。
2） 冷媒
间接制冷不是直接由制冷剂作用于被冷却空间，而是通过一种传热体间接地将空间和需要冷却物体的热量吸收。如制棒冰、冰块等制冷设备就是采用这种间接冷却方式制冷。间接制冷中的传热体就叫做“冷媒”，又称载冷剂。在间接制冷过程中，制冷剂在蒸发器中蒸发时先将冷媒冷却，已冷却的冷媒由泵将其压送到需冷却的空间，或者在制冰池内直接将水冻结成冰，所以冷媒只起载冷作用。对冷媒的性质一般有以下要求：
① 无毒，不污染其它物质，对金属不易腐蚀。
②比热大。比热大的冷媒，在载荷一定冷量时，对于本身温度变化较小，而且在同样载冷量下循环量也小。
③粘度与比重小。粘度高、比重大流动时压力损失大，粘度高时传热性能变劣。
④凝固温度低和蒸发压力小。在使用温度范围内应不会凝固和气化。
⑤导热系数大。导热系数大则传热好，换热器的传热面积小。
⑥易于获得，价格便宜。
用作冷媒物质的种类有：无机物类中的水和盐水；有机物类中的乙二醇、酒精……等。
【实验仪器】
制冷制热综合实验台，家用冰箱，空调器，循环式空调过程实验装置。
【实验内容与步骤】
1.家用电冰箱
家用冰箱的制冷原理及循环系统各个主要部件的功能，在实验5—1中已作详细叙述，不再重复。下面仅对家用冰箱的一些辅助部件的功能及其使用注意事项作简要介绍。
1)温度控制器
温度控制器用来自动控制冰箱里面的温度。一般分为电子式和机械式两种。根据箱内温度高低自动控制压缩机开和停，从而使箱内温度保持在某一范围。冰箱冷冻室可达到的最低温度一般用星极来表示，一个星极为-6℃；冷藏室温度一般控制在0～10℃。温控器的结构及其工作机理在对照实物时进行讲解。
2)温度补偿器
温度补偿器是一个8～12W左右的电加热器。由于冰箱冷藏室温度一般控制在0～10℃，当环境温度较低时（低于10℃），压缩机长时间处于停机状态，冷冻室的冷量得不到及时补充，无法保证冷冻室温度足够低，因此，此时应打开冷藏室内的“冬季启动开关”（或称节电开关），让电加热器工作，提高冷藏室温度，使压缩机保持正常开停比（1:1.1左右）。
3)箱门除露管
箱门除露管是将压缩机排出的高温高压的制冷剂蒸汽通过管道从箱体门周围走一圈，提高箱体门周围的温度，以防凝露，避免箱体锈蚀和门封条发霉。
4)使用冰箱应特别注意以下几点：
①安置冰箱不宜过于贴墙，要留有足够的空间使冷凝器通风散热，以保持良好的制冷效果。
②压缩机停机后不要立即启动，最好等待5～8分钟以上。因为高低压差过大，压缩机很难启动，长时间的启动大电流会使压缩机里面的电机烧坏。