制冷的方法很多,可分为物理方法和化学方法,大多数为物理方法。目前广泛采用的 制冷方法有如下几种。
13.1.1.1 相变制冷
物质状态改变都要吸收或放出相变热,利用相变过程吸收周围热量以实现制冷的方 法称为相变制冷。如液体蒸发转变为气体,固体融化转变为液体,都要从外界吸收热量, 都可赖以达到制冷的目的。
(1) 融化制冷 利用固体融化吸收外界热量来实现制冷的方法。1kg的冰融化为 水,它要向周围吸收333kJ(79.5kcal)的热量,在相变过程中温度维持不变(0℃)。如果冰 在一个封闭的小室中融化,周围向小室传入的热量与冰融化时吸收的热量相等时,这个小 室就能维持恒定的温度。早期的啤酒发酵温度控制方法,就是采用冰融化法,使酒窖内维 持在低温状态下运行。目前简易的冷藏运输车,以及夏季的肉类、食品保鲜方法,还沿用 冰融化法来制冷。
(2) 气化制冷 液氨在0.1MPa(一个标准大气压)下蒸发温度为-33.4℃;液态氟 利昂R22(二氯二氟甲烷)在同样状态下蒸发温度为-40.8℃。蒸发1kg氨需要吸收 1370kJ(327kcal)的气化潜热;蒸发1kg氟利昂R22需要吸收235kJ(56kcal)的气化潜热。 氨和氟利昂都属于低沸点化合物。利用低沸点化合物蒸发时吸收气化潜热使环境温度降 低的方法,称为气化制冷。如果室内安放一个盛有液氨的密闭容器,容器留一部分作为蒸 发空间,并接一根小管引伸至室外,安上一个调节阀门,以控制氨的蒸发压力。利用液氨 不同的蒸发压力其相应的蒸发温度不同的特性,可以使室内产生不同温度的低温环境。 现代的低温外科手术就是利用低沸点化合物(液态)气化获得低温微环境。
(3) 升华制冷 利用固体升华吸热效应来实现制冷的方法,称为升华制冷。如1kg 干冰(固体二氧化碳)在0.1MPa下全部气化,要吸收574kJ(137kcal)的热量。相变过程 的温度维持在-78.5℃。干冰制冷被用来作人工降雨和医疗中需低温的场合应用。
13.1.1.2 气体绝热膨胀制冷
气体压缩时发热,膨胀时温度降低,利用这种特性来实现制冷的方法,称为气体绝热 膨胀制冷。压缩气体经节流阀膨胀时,流速高,与外界接触时间很短,来不及进行热交换, 可以近似地看成是绝热的过程。这种制冷方法的优点可以利用空气作为制冷剂。其制冷 装置比较简单,它包括空气压缩机、冷却器、节流膨胀阀和膨胀机或制冷室所组成。空气 经压缩机压缩后,压力升高,温度升高,然后在冷却器中冷却到常温,再经节流膨胀阀或膨 胀机绝热膨胀,压力降低,温度降低,最后送入制冷室制冷。空气压缩式制冷常用于飞机 的机舱空调。除了空气可作制冷剂外,氧、氮、二氧化碳都可以用来作制冷剂。
13.1.1.3 温差电制冷
两种不同的金属组成一个闭合电路,接通直流电源后,发现一个接合点变热,另一个 接合点变冷。这是1934年珀尔帖发现的电热效应,又称为珀尔帖效应。这种效应是温差 电制冷的基础。由于纯金属的热电效应很弱,而且热量通过导体从热端传导至冷端的干 扰,当时未被采用。直到近代半导体的出现,才使温差制冷技术变为现实。这种制冷方法 在制冷回路中不需要机械式的压缩装置或蒸气发生装置,这是一种最为灵巧的制冷方法。 实际上,半导体的热电效率仍很低,目前只有在小制冷量和特殊的领域中应用。
本章从工业应用出发,将着重论述蒸气压缩式制冷方法,尤其是食品工业常用的以氨 为制冷剂的氨压缩制冷系统中的相关问题。其他制冷方法可参阅有关文献。