製冷循環

是通過製冷工質（也稱制冷劑、雪種）將熱量從低温物體（如冷庫等）移向高温物體（如大氣環境）的循環過程，從而將物體冷卻到低於環境温度，並維持此低温，這一過程是利用製冷裝置來實現的。由熱力學第二定律可知，熱量從低温物體移向高温物體不可能自動、無補償地進行，因此必須提供機械能（或熱能等），以確保包括低温冷源、高温熱源、功源（或向循環供能的源）在內的孤立系統的熵不減小。

製冷循環的重要參數是製冷係數，工程上也稱之為製冷裝置的工作性能係數，用符號COP表示。在一定的環境温度下，冷庫温度越低，製冷係數就越小。（因此為取得良好的經濟效益，沒有必要把冷庫的温度定得超乎尋常的低。這也是一切實際製冷循環遵循的原則。）

製冷循環包括壓縮式製冷循環、吸收式製冷循環、吸附式製冷循環、蒸氣噴射製冷循環及半導體制冷等。壓縮式製冷循環又可分為壓縮氣體制冷循環和壓縮蒸氣製冷循環。世界上運行的製冷裝置絕大部分是壓縮氣體制冷循環。以往，製冷循環應用的製冷劑多半為商品名為氟利昂的氯氟烴物質CFC、含氫氯氟烴HCFC和氨等。但由於日益嚴重的環境問題，CFC、HCFC正逐漸被對環境友善的新型製冷劑替代。 ^[1] 

由於空氣定温加熱和定温排熱不易實現，故不能按逆向卡諾循環運行。在壓縮空氣製冷循環中，用兩個定壓過程來代替逆向卡諾循環的兩個定温過程，故可視為逆向布雷頓循環。工程應用中，壓縮機可以是活塞式的或是葉輪式的。

從冷庫出來的空氣進入壓氣機後被絕熱壓縮，温度升到環境温度以上；然後進入冷卻器，在定壓下將熱量傳給冷卻水，温度等同於環境温度；再導入膨脹機絕熱膨脹，温度進一步降到冷庫温度以下；最後進入冷庫，定壓吸熱（吸收的熱量稱為製冷量），完成循環。 ^[2] 

從冷庫出來的空氣首先進入回熱器，升温到環境温度；接着進入葉輪式壓氣機壓縮升温；然後進入冷卻器實現定壓放熱降温，理論上可以重新降到環境温度（此時工質處於高壓狀態）；隨後進入回熱器進一步定壓降温到冷庫温度，再進入葉輪式膨脹機實現定熵膨脹過程，更進一步地降壓降温，最後進入冷庫定壓吸熱，完成循環。

此種循環和上面的壓縮空氣製冷循環共同的缺點有二：其一，不能實現定温吸、排熱過程，使循環偏離了逆向卡諾循環而降低了經濟性；其二，空氣的比熱容較小，單位質量工質的製冷量也較小，這個缺點在回熱式中可以改善，但仍不能根本消除。 ^[2] 

壓縮蒸氣的逆向卡諾製冷循環理論上可以實現，但是會出現幹度過低的狀態，不利於兩相物質壓縮。為了避免不利因素、增大製冷效率及簡化設備，在實際應用中常採用節流閥（或稱膨脹閥）替代膨脹機。

製冷工質從冷庫定壓氣化吸熱後（此時工質通常為幹飽和蒸氣或接近幹飽和蒸氣），再進入壓縮機在絕熱狀態下壓縮，温度超過環境温度，然後進入冷凝器向環境介質等壓散熱；在冷凝器內，過熱的製冷劑蒸氣先等壓降温到對應於當前壓力的飽和温度，然後繼續等壓（同時也是等温）冷凝成飽和液狀態，進入節流閥，在節流閥處絕熱節流降温、降壓至對應於循環起始壓力的濕飽和蒸氣狀態，再進入冷庫氣化吸熱，完成循環。

壓縮蒸氣製冷循環採用低沸點物質作製冷劑，利用在濕蒸氣區定壓即定温的特性，在低温下定壓氣化吸熱製冷，可以克服上述壓縮空氣、回熱壓縮空氣循環的部分缺點。 ^[2] 

吸收式製冷循環利用製冷劑在溶液中不同温度下具有不同溶解度的特性，使製冷劑在較低的温度和壓力下被吸收劑（即溶劑）吸收，同時又使它在較高的温度和壓力下從溶液中蒸發，完成循環實現製冷目的。

以溴化鋰為吸收劑，水做製冷劑的吸收式製冷循環為例：從冷凝器流出的飽和水經節流閥降壓降温，形成幹度很小的濕飽和蒸氣。進入蒸發器從冷庫吸熱，定壓汽化，成為幹度很大的濕飽和蒸氣或幹飽和蒸氣，送入吸收器。與此同時，蒸汽發生器中因水蒸發而濃度升高的溴化鋰溶液經減壓閥後也流入吸收器，吸收從蒸發器來的飽和水蒸氣，生成稀溴化鋰溶液，吸收過程中放出的熱量由冷卻水帶走。稀溴化鋰溶液由溶液泵加壓送入蒸汽發生器並被加熱。由於温度升高，水在溴化鋰溶液中的溶解度降低，蒸汽逸出液麪形成與溶液平衡的較高壓力和温度的水蒸氣。水蒸氣之後進入冷凝器，放熱凝結成飽和水，完成循環。

此種製冷循環耗功很小，因為循環中升壓是通過溶液泵壓縮液體完成的；其次是加熱濃溶液的外熱源温度不需很高，甚至可利用餘熱、地熱和太陽能，較為經濟環保。 ^[1] 

此種循環在實際應用中利用噴射器或引射器代替壓縮機來實現對製冷用蒸氣的壓縮，以消耗較高壓力的蒸氣來實現製冷。製冷温度在3~10度範圍內時，可採用水蒸氣作為製冷劑。循環中有兩路水蒸汽循環，一路是工作蒸汽循環，一路是逆向循環（此路循環起製冷作用）。

鍋爐中產生的水蒸氣在噴管內絕熱膨脹到很低的壓力，因而造成混合室內壓力較低，於是將作為製冷工質的蒸汽吸入。兩路蒸汽混合後進入擴壓管，利用蒸汽在經過噴管時得到的動能將混合汽壓縮，使壓力增加到其飽和温度比冷凝器中的冷卻水温度稍高的值。此後，蒸汽進入冷凝器，凝結成液態。由冷凝器出來的凝結水一部分由水泵升壓送入鍋爐，完成工作蒸汽循環。其餘的流經減壓節流閥，降壓降温後進入蒸發器吸熱汽化製冷，完成逆向循環。

這種循環除水泵消耗少量電力或機械功外，不需要動力機和壓縮機，代之以構造簡單體積小的引射式壓縮器，在有蒸汽的場合有采用價值，但是經濟性較差，且所能達到的最低温度不宜低於5度，故僅適用於空調和冷藏，不可用作冷凍。 ^[1] 

當直流電通過兩種不同導體組成的迴路時，節點上將產生吸熱和放熱現象，這就是珀爾貼效應，其本質是導體中的自由電子（載流子）從一種材料向另一種材料遷移通過節點時，因每種材料載流子的勢能不同而與外界交換能量，以滿足能量守恆。

實用的熱電製冷裝置是用半導體電偶組成的。在半導體材料中，n型材料有多餘電子；p型材料則電子不足。若將一隻p型和一隻n型半導體元件聯結成電偶，接上直流電後，接頭處就會產生温差，實現能量轉移；若將一些半導體熱電偶在電路中串聯，就可構成一個常見的製冷熱電堆。若電流方向是n流向p，則降温吸熱，為冷端，反之則為熱端。

此種製冷循環不需製冷劑，無運動部件、無噪聲、無振動、無磨損、易於小型化，使用直流電工作，較為穩定，且維護方便，壽命較長。但是它成本較高，效率較低，製造複雜和必須用直流電等缺點，限制了它的推廣和應用。 ^[1]