常見制冷方法與原理

常見制冷方法與原理

目錄

1.前言..........................................................................1

??壓縮式制冷...................................................................1

????相變制冷.....................................................................4

????吸收式制冷..................................................................4

????半導(dǎo)體制冷..................................................................9

????熱電制冷....................................................................16

7.吸收式制冷.................................................................17

8.渦流制冷...................................................................17

9.吸附制冷...................................................................18

10.氣體膨脹制冷——噴射式制冷...............................................19

10.1.氣體膨脹制冷...........................................................19

10.2.噴射式制冷............................................................20

10.2.1.噴射式制冷特點(diǎn)....................................................20

1.前言

常見的制冷方法有相變制冷、熱電制冷、氣體膨脹制冷和渦流制冷等。根

據(jù)熱力學(xué)定律，為了實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移過程，需要消耗一定的外界能量作為補(bǔ)償，

使制冷劑在更低的溫度下連續(xù)不斷地從被冷卻物體中吸收熱量，達(dá)到制冷的目

的。目前研究比較多的制冷方法有相變制冷、熱電制冷、氣體膨脹制冷、渦流

制冷、吸附制冷等幾大類。

壓縮式制冷

壓縮式制冷機(jī)是依靠壓縮機(jī)提高制冷劑的壓力以實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的。制冷機(jī)

由壓縮機(jī)、冷凝器（凝汽儲(chǔ)卜制冷換熱器（蒸發(fā)器）、膨脹機(jī)或節(jié)流機(jī)構(gòu)和一些輔

助設(shè)備組成。

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0

壓縮式制冷依靠壓縮機(jī)提高制冷劑的壓力以實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的制冷機(jī)，按所

用制冷劑的種類不同，壓縮式制冷機(jī)分為氣體壓縮式制冷機(jī)和蒸氣壓縮式制冷

機(jī)兩類。

蒸氣壓縮式制冷機(jī)分氨制冷機(jī)和氟利昂制冷機(jī)等，氣體壓縮式制冷機(jī)分為

空氣制冷機(jī)和氨氣制冷機(jī)等。

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按所用壓縮機(jī)種類不同，壓縮式制冷機(jī)又分為往復(fù)式制冷機(jī)、離心式制冷

機(jī)和回轉(zhuǎn)式制冷機(jī)（螺桿式制冷機(jī)、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式制冷機(jī)）等。蒸汽壓縮式制冷機(jī)按

其系統(tǒng)組成不同分為單級(jí)、多級(jí)（兩級(jí)或三級(jí)）和復(fù)疊式等。

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??.相變制冷

1）物質(zhì)有3種集態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。物質(zhì)集態(tài)的改變稱為相變，在相

變過程中，由于物質(zhì)分子重新排列和分子熱運(yùn)動(dòng)速度的改變，會(huì)吸收或放出熱

量，這種熱量稱為相變熱：

2）物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變時(shí)，將吸收潛熱；

3）反之，當(dāng)它發(fā)生由質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)的相變時(shí)，放出潛熱。相變制冷就是

利用前者的吸熱效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的。利用液體相變的，是液體蒸發(fā)制冷；

????利用固體相變的，是固體熔化或升華冷卻。相變制冷包括冰相變制冷、

冰鹽相變制冷、干冰相變制冷、其他固體升華冷卻、液體蒸發(fā)制冷等。

液體汽化形成蒸氣，利用該過程的吸熱效應(yīng)制冷的方法稱為液體蒸發(fā)制冷。

當(dāng)液體處在密閉的容器內(nèi)時(shí)，若容器內(nèi)除了液體和液體本身的蒸氣外不含

任何其他氣體，那么液體和蒸氣在某一壓力下將達(dá)到平衡，這種狀態(tài)稱為飽和

狀態(tài)。如果將一部分飽和蒸氣從容器中抽出，液體就必然要再汽化出一部分蒸

氣來維持平衡。以該液體為制冷劑，制冷劑液體汽化時(shí)要吸收汽化潛熱，熱量

來自被冷卻對(duì)象，只要液體的蒸發(fā)溫度比環(huán)境溫度低，便可使被冷卻對(duì)象的溫度

降低或者使它維持在環(huán)境溫度下的某一低溫。為了使上述過程得以連續(xù)進(jìn)行，

必須不斷地從容器中抽走制冷劑蒸氣，再不斷地將其液體補(bǔ)充進(jìn)去。通過一定

的方法將蒸氣抽出，再令其凝結(jié)為液體后返回到容器中，就能滿足這一要求。

為使制冷劑蒸氣的冷凝過程可以在常溫下實(shí)現(xiàn)，需要將制冷劑蒸氣的壓力提高

到常溫下的飽和壓力，這樣，制冷劑將在低溫低壓下蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷效應(yīng)；

又在常溫和高壓下凝結(jié)，向環(huán)境溫度的介質(zhì)排放熱量。凝結(jié)后的制冷劑液

體由于壓力較高，返回容器之前需要先降低壓力。由此可見，液體蒸發(fā)制冷循環(huán)

必須具備以下4個(gè)基本過程：制冷劑液體在低壓下汽化產(chǎn)生低壓蒸氣，將低壓蒸

氣抽出并提高壓力變成高壓蒸氣，將高壓蒸氣冷凝為高壓液體，高壓液體再降低

壓力回到初始的低壓狀態(tài)。其中將低壓蒸氣提高壓力時(shí)需要能量補(bǔ)償。

??.吸收式制冷

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吸收灰制令余統(tǒng)

吸收式制冷是利用某些具有特殊性質(zhì)的工質(zhì)對(duì)，通過一種物質(zhì)對(duì)另一種物

質(zhì)的吸收和釋放，產(chǎn)生物質(zhì)的狀態(tài)變化，從而伴隨吸熱和放熱過程。

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r詠命

溶

:呈4K千里詼：火液

吸收式制冷裝置由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、循環(huán)泵、節(jié)流閥等

部件組成，工作介質(zhì)包括制取冷量的制冷劑和吸收、解吸制冷劑的吸收劑，二

者組成工質(zhì)對(duì)。

吸收式制冷裝置由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、循環(huán)泵、節(jié)流閥等

部件組成，工作介質(zhì)包括制取冷量的制冷劑和吸收、解吸制冷劑的吸收劑，二

者組成工質(zhì)對(duì)。

吸收式制冷裝置由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、循環(huán)泵、節(jié)流閥等

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部件組成，工作介質(zhì)包括制取冷量的制冷劑和吸收、解吸制冷劑的吸收劑，二

者組成工質(zhì)對(duì)。

I1稀溶液II制冷劑蒸汽

[1中間濃度溶液[=1制冷劑液體

X全關(guān)閥

吸收式制冷機(jī)與往復(fù)式或離心式制冷機(jī)截然不同，它沒有運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)。

吸收式制冷機(jī)有兩種，即氨一水吸收式和澳化鋰一水吸收式。

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QgenSolar

RectifierGenerator

PureNH

Condenser

Expansion

valveRegenerator

Expansion

EvaporatorAbsorbervalve

PureMNHR可

一\廠廳”

“Qcool

Cold

refrigeratedspa(|Coolingwater

20世紀(jì)60年代，美國(guó)、日本和前蘇聯(lián)能夠利用廉價(jià)的天然氣，而我國(guó)則

能利用豐富的煤資源，采用濱化鏗吸收式冷水機(jī)組緩解電力供應(yīng)不足的困難。

當(dāng)時(shí)，美國(guó)和日本相繼制成了蒸汽型雙效嗅化鏗吸收式冷水機(jī)組，還開發(fā)了直

燃型澳化鏗吸收式冷熱水機(jī)組。近30年來，吸收式制冷技術(shù)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的

階段。1973年中東石油危機(jī)推動(dòng)了能源利用技術(shù)的發(fā)展，使利用低品位熱能的

吸收式熱泵技術(shù)、熱一電一冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等吸收式冷熱源設(shè)備的研究，進(jìn)入了實(shí)

用化的開發(fā)階段。

1987年，關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書簽訂以后，由于吸收式制

冷技術(shù)可采用對(duì)環(huán)境無破壞作用的天然制冷劑，而氨作為一種天然工質(zhì)，其臭

氧層損耗潛能值(OzoneDepletionPotential即ODP)和全球變暖潛能值(Global

WarmingPotential即GWP)均為零，價(jià)格低廉，是HCFC—22的30%,機(jī)組能

效高，運(yùn)行費(fèi)用低等，氨一水工質(zhì)對(duì)得到了科技界的重新認(rèn)識(shí)和推廣應(yīng)用。

直燃型多效吸收式制冷機(jī)、高效氨水GAX回?zé)嵫h(huán)吸收式制冷機(jī)、小型氨

水吸收式制冷機(jī)進(jìn)入了商業(yè)化開發(fā)階段，蒸汽型和熱水型吸收式機(jī)組在余熱利

用、總能系統(tǒng)和區(qū)域集中供熱供冷方面得到了進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

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漠化鋰一水吸收式制冷裝置主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器4個(gè)

部分組成。這4個(gè)部分分別裝在兩個(gè)圓柱形筒內(nèi)。冷凝器和發(fā)生器裝在上部圓

筒內(nèi)；蒸發(fā)器和吸收器裝在下部的圓筒內(nèi)，兩圓筒之間用管路和泵連接。

吸收式制冷以自然存在的水或氨等為制冷劑，對(duì)環(huán)境和大氣臭氧層無害；

以熱能為驅(qū)動(dòng)能源，除了利用鍋爐蒸氣、燃料產(chǎn)生的熱能外，還可以利用余熱、

廢熱、太陽能等低品位熱能，在同一機(jī)組中還可以實(shí)現(xiàn)制冷和制熱(采暖)的雙重

目的。

整套裝置除了泵和閥件外，絕大部分是換熱器，運(yùn)轉(zhuǎn)安靜，振動(dòng)小；同時(shí),

制冷機(jī)在真空狀態(tài)下運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，安裝方便。

在當(dāng)前能源緊缺，電力供應(yīng)緊張，環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，吸收式制

冷技術(shù)以其特有的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。

??.半導(dǎo)體制冷

半導(dǎo)體制冷器(Thermoelectriccooler)是指利用半導(dǎo)體的熱一電效應(yīng)制取冷

量的器件，又稱熱電制冷器。用導(dǎo)體連接兩塊不同的金屬，接通直流電，則一個(gè)接

點(diǎn)處溫度降低，另一個(gè)接點(diǎn)處溫度升高。

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吸熱（冷端）

至電

穴子

放熱（熱端）放熱（熱端）

熱電式制冷----基本熱電偶

印乎@智統(tǒng)靈動(dòng)釧茨俠

若將電源反接，則接點(diǎn)處的溫度相反變化。這一現(xiàn)象稱為珀耳帖效應(yīng)，又

稱熱-電效應(yīng)。

純金屬的熱電效應(yīng)很小，若用一個(gè)N型半導(dǎo)體和一個(gè)P型半導(dǎo)體代替金屬,

效應(yīng)就大得多。接通電源后，上接點(diǎn)附近產(chǎn)生電子空穴對(duì)，內(nèi)能減小，溫度降

低，向外界吸熱，稱為冷端。另一端因電子空穴對(duì)復(fù)合，內(nèi)能增加，溫度升高,

并向環(huán)境放熱，稱為熱端。

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一對(duì)半導(dǎo)體熱電元件所產(chǎn)生的溫差和冷量都很小，實(shí)用的半導(dǎo)體制冷器是

由很多對(duì)熱電元件經(jīng)并聯(lián)、串聯(lián)組合而成，也稱熱電堆。

單級(jí)熱電堆可得到大約60℃的溫差，即冷端溫度可達(dá)-10?-20℃。增加熱

電堆級(jí)數(shù)即可使兩端的溫差加大。但級(jí)數(shù)不宜過多，一般為2~3級(jí)

半導(dǎo)體制冷片在技術(shù)應(yīng)用上具有以下特點(diǎn)：

1）不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生

回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件是一種固體片件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，

安裝容易。

2）半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高,

但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和

制冷系統(tǒng)。

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i

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3）半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度

的溫度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控

制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。

4）半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端

空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差。

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5）半導(dǎo)體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低

溫區(qū)發(fā)電。

6）半導(dǎo)體制冷片的單個(gè)制冷元件對(duì)的功率很小，但組合成電堆，用同類型

的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此制冷

功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。

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-?蟆空

?40風(fēng)扇

鋁制導(dǎo)方維

福超墊

央具毋條

超亡部想

qo*QO

歆熱向扁

印字@當(dāng)能靈動(dòng)冽蕓快

7）半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫到負(fù)溫度都可以實(shí)現(xiàn)。

半導(dǎo)體制冷片具體應(yīng)用有以下領(lǐng)域:

1）軍事方面：導(dǎo)彈、雷達(dá)、潛艇等方面的紅外線探測(cè)、導(dǎo)行系統(tǒng)需要半導(dǎo)

體制冷系統(tǒng)

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2）醫(yī)療方面；冷力、冷合、白內(nèi)障摘除片、血液分析儀等

3）實(shí)驗(yàn)室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測(cè)試裝置、各種恒溫、

高低溫實(shí)驗(yàn)儀片。

4）專用裝置方面：石油產(chǎn)品低溫測(cè)試儀、生化產(chǎn)品低溫測(cè)試儀、細(xì)菌培養(yǎng)

箱、恒溫顯影槽、電腦等。

5）日常生活方面：空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電子信箱等。此外，還有

其它方面的應(yīng)用。

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??.熱電制冷

熱電制冷又稱溫差電制冷。它是利用熱電效應(yīng)（珀?duì)栙N效應(yīng)）的一種制冷方

法。這種方法的制冷效果主要取決于兩種材料的熱電勢(shì)。純金屬材料的導(dǎo)電性

和導(dǎo)熱性好，其珀?duì)栙N效應(yīng)很弱，制冷效率很低（不到1%）。半導(dǎo)體材料具有較

高的熱電勢(shì)，可以做小型熱電制冷器。熱電制冷原理，如圖。把一個(gè)P型半導(dǎo)

體元件和一個(gè)N型半導(dǎo)體元件連成小型熱電制冷器。成熱電偶，接入直流電源。

當(dāng)直流電源接通，上面接頭的電流方向是N—P,溫度降低，并且吸熱，形成冷端;

下面接頭的電流方向是P—N,溫度上升，并且放熱，形成熱端。因?yàn)槊繉?duì)

熱電偶只需零點(diǎn)幾伏電源電壓，產(chǎn)生的冷量也很小，所以需要將許多熱電偶連

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成熱電堆后才能使用。借助各種傳熱器件，使熱電堆的熱端不斷散熱，并保持

一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中吸熱，產(chǎn)生低溫，這就是熱電制

冷的工作原理。

熱電制冷器的結(jié)構(gòu)和機(jī)理顯然不同于液體蒸發(fā)制冷。它不需要明顯的工質(zhì)

來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。整個(gè)裝置沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。熱電制冷的效率很低，

半導(dǎo)體器件的價(jià)格又很高，而且必須使用直流電源，因此變壓整流裝置往往不

可避免，增加了電堆以外的附加體積，故熱電制冷不宜大規(guī)模使用。但由于它

的靈活性強(qiáng)，使用方便可靠，非常適合于微型制冷領(lǐng)域或有特殊要求的用冷場(chǎng)

合。

7.吸收式制冷

8.渦流制冷

渦流冷卻效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是利用人工方法產(chǎn)生漩渦，使氣體分為冷、熱兩個(gè)部

分。利用分離出來的冷氣流即可制冷。

氣體經(jīng)渦流而分離成兩個(gè)部分是在渦流管的渦流室內(nèi)進(jìn)行的。渦流室內(nèi)部

形狀為阿基米德螺線，經(jīng)過壓縮并冷卻到室溫的氣體（通常是用空氣，也可以用

其他氣體，如二氧化碳、氨等）進(jìn)入噴嘴內(nèi)膨脹以后，以很高的速度沿切線方向

進(jìn)入渦流室，形成自由渦流，經(jīng)過動(dòng)能的交換并分離成溫度不相同的兩個(gè)部分。

中心部分的氣流經(jīng)孔板流出，即冷氣流；

邊緣部分的氣流從另一端經(jīng)控制閥流出，即熱氣流。渦流管可以同時(shí)產(chǎn)生

冷熱兩種效應(yīng)。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)高壓氣體的溫度為室溫時(shí)，冷氣流的溫度可達(dá)

?50?-10C熱氣流的溫度可達(dá)100?130C?？刂崎y用來改變熱端管子中氣體的

壓力，因而可調(diào)節(jié)兩部分氣流的流量比，從而也改變了它們的溫度。

渦流管制冷的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，啟動(dòng)快，并且能達(dá)到比較低的

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溫度；

其主要缺點(diǎn)是效率低。渦流管只宜用于那些不經(jīng)常使用的小型低溫試驗(yàn)設(shè)

備。應(yīng)用回?zé)嵩砑皣娚淦鱽斫档蜏u流管冷氣流的壓力，不僅可以進(jìn)一步降低

渦流管所能獲得的低溫，而且還可以提高渦流管的經(jīng)濟(jì)性。為了獲得更低的溫

度還可以采用多級(jí)渦流管。

9.吸附制冷

吸附制冷系統(tǒng)是以熱能為動(dòng)力的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其原理是:一定的固體吸附

劑對(duì)某種制冷劑氣體具有吸附作用，而且吸附能力隨吸附劑溫度的改變而不同。

利用這種性質(zhì)，通過周期性地冷卻和加熱吸附劑，使之交替吸附和解吸：

1）吸附時(shí)，制冷劑液體蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷作用；

2）解吸時(shí)，釋放出制冷劑氣體，并使之凝為液體。

冷凝器

冷卻吸附床

S-發(fā)-

貯液/器

吸附床

吸附式制冷基本結(jié)構(gòu)由太陽能集熱器、冷凝器、儲(chǔ)液器、蒸發(fā)器和閥門五

個(gè)模塊組成。

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吸附式制冷系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制為：在白天，集熱器溫度隨著氣溫的升高而升

高，制冷劑蒸發(fā)集熱器中壓力升高，氣體進(jìn)入冷凝器并冷凝、制成液體；在晚

上，溫度降低，吸附劑會(huì)吸收制冷劑蒸汽，蒸發(fā)器中壓力降低，于是會(huì)有更多

液體氣化，蒸發(fā)中吸收熱量降溫。

I吸附床

10.氣體膨脹制冷——噴射式制冷

10.1.氣體膨脹制冷

當(dāng)氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于局部阻力，如遇到縮口和調(diào)節(jié)閥門時(shí)，其壓

力顯著下降，這種現(xiàn)象叫作節(jié)流。工程上由于氣體經(jīng)過閥門等流阻器件時(shí)，流

速大、時(shí)間短，來不及與外界進(jìn)行熱交換，可近似地按絕熱過程來處理，稱為

絕熱節(jié)流。

氣體在絕熱節(jié)流時(shí)，節(jié)流前、后的比熠值不變。這是節(jié)流過程的主要特征。

由于節(jié)流時(shí)氣流內(nèi)部存在摩擦阻力損耗，所以它是一個(gè)典型的不可逆過程。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際氣體節(jié)流前、后的溫度一般將發(fā)生變化。氣體在節(jié)流過程

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中的溫度變化叫作焦耳一湯姆遜效應(yīng)（簡(jiǎn)稱焦一湯效應(yīng)），造成這種現(xiàn)象的原因是

實(shí)際氣體的比熔值不僅是溫度的函數(shù)，而且也是壓力的函數(shù)。大多數(shù)實(shí)際氣體

在室溫下的節(jié)流過程中都有冷卻效應(yīng)，即通過節(jié)流器件后溫度降低，這種溫度

變化叫作正焦耳一湯姆遜效應(yīng)。少數(shù)氣體在室溫下節(jié)流后溫度升高，這種溫度

變化叫作負(fù)焦耳一湯姆遜效應(yīng)。

10.2.噴射式制冷

依靠蒸汽噴射器的作用完成制冷循環(huán)的制冷機(jī)。

A-鍋爐

B-噴嘴

C-混合室

D-擴(kuò)壓器

E-蒸發(fā)器

F-泵

G-節(jié)