冷庫等制冷系統的制冷循環由壓縮過程、冷凝過程、膨脹過程、蒸發過程組成。就是利用有限的制冷劑在封閉的制冷系統中，反復地將制冷劑壓縮、冷凝、膨脹、蒸發，不斷的在蒸發器處吸熱汽化，進行制冷降溫。
制冷循環是通過制冷工質(也稱制冷劑、雪種)將熱量從低溫物體(如冷庫等)移向高溫物體(如大氣環境)的循環過程，從而將物體冷卻到低于環境溫度，并維持此低溫，這一過程是利用制冷裝置來實現的。由熱力學第二定律可知，熱量從低溫物體移向高溫物體不可能自動、無補償地進行，因此必須提供機械能(或熱能等)，以確保包括低溫冷源、高溫熱源、功源(或向循環供能的源)在內的孤立系統的熵不減小。
制冷循環的重要參數是制冷系數，工程上也稱之為制冷裝置的工作性能系數，用符號COP表示。在一定的環境溫度下，冷庫溫度越低，制冷系數就越小。(因此為取得良好的經濟效益，沒有必要把冷庫的溫度定得超乎尋常的低。這也是一切實際制冷循環遵循的原則。)
制冷循環包括壓縮式制冷循環、吸收式制冷循環、吸附式制冷循環、蒸氣噴射制冷循環及半導體制冷等。壓縮式制冷循環又可分為壓縮氣體制冷循環和壓縮蒸氣制冷循環。目前世界上運行的制冷裝置絕大部分是壓縮氣體制冷循環。(以往，制冷循環應用的制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。但由于日益嚴重的環境問題，CFC、HCFC正逐漸被對環境友善的新型制冷劑替代。)
工程應用中常見制冷循環
壓縮空氣制冷循環
由于空氣定溫加熱和定溫排熱不易實現，故不能按逆向卡諾循環運行。在壓縮空氣制冷循環中，用兩個定壓過程來代替逆向卡諾循環的兩個定溫過程，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后被絕熱壓縮，溫度升到環境溫度以上;然后進入冷卻器，在定壓下將熱量傳給冷卻水，溫度等同于環境溫度;再導入膨脹機絕熱膨脹，溫度進一步降到冷庫溫度以下;最后進入冷庫，定壓吸熱(吸收的熱量稱為制冷量)，完成循環。
回熱式壓縮空氣制冷循環
從冷庫出來的空氣首先進入回熱器，升溫到環境溫度;接著進入葉輪式壓氣機壓縮升溫;然后進入冷卻器實現定壓放熱降溫，理論上可以重新降到環境溫度(此時工質處于高壓狀態);隨后進入回熱器進一步定壓降溫到冷庫溫度，再進入葉輪式膨脹機實現定熵膨脹過程，更進一步地降壓降溫，最后進入冷庫定壓吸熱，完成循環。
此種循環和上面的壓縮空氣制冷循環共同的缺點有二：其一，不能實現定溫吸、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，單位質量工質的制冷量也較小，這個缺點在回熱式中可以改善，但仍不能根本消除。
壓縮蒸氣制冷循環
壓縮蒸氣的逆向卡諾制冷循環理論上可以實現，但是會出現干度過低的狀態，不利于兩相物質壓縮。為了避免不利因素、增大制冷效率及簡化設備，在實際應用中常采用節流閥(或稱膨脹閥)替代膨脹機。
制冷工質從冷庫定壓氣化吸熱后(此時工質通常為干飽和蒸氣或接近干飽和蒸氣)，再進入壓縮機在絕熱狀態下壓縮，溫度超過環境溫度，然后進入冷凝器向環境介質等壓散熱;在冷凝器內，過熱的制冷劑蒸氣先等壓降溫到對應于當前壓力的飽和溫度，然后繼續等壓(同時也是等溫)冷凝成飽和液狀態，進入節流閥，在節流閥處絕熱節流降溫、降壓至對應于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。
壓縮蒸氣制冷循環采用低沸點物質作制冷劑，利用在濕蒸氣區定壓即定溫的特性，在低溫下定壓氣化吸熱制冷，可以克服上述壓縮空氣、回熱壓縮空氣循環的部分缺點。
吸收式制冷循環
吸收式制冷循環利用制冷劑在溶液中不同溫度下具有不同溶解度的特性，使制冷劑在較低的溫度和壓力下被吸收劑(即溶劑)吸收，同時又使它在較高的溫度和壓力下從溶液中蒸發，完成循環實現制冷目的。
以溴化鋰為吸收劑，水做制冷劑的吸收式制冷循環為例：從冷凝器流出的飽和水經節流閥降壓降溫，形成干度很小的濕飽和蒸氣。進入蒸發器從冷庫吸熱，定壓汽化，成為干度很大的濕飽和蒸氣或干飽和蒸氣，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后也流入吸收器，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并被加熱。由于溫度升高，水在溴化鋰溶液中的溶解度降低，蒸汽逸出液面形成與溶液平衡的較高壓力和溫度的水蒸氣。水蒸氣之后進入冷凝器，放熱凝結成飽和水，完成循環。
此種制冷循環耗功很小，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溫度不需很高，甚至可利用余熱、地熱和太陽能，較為經濟環保。
氣流引射式制冷循環
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制冷用蒸氣的壓縮，以消耗較高壓力的蒸氣來實現制冷。制冷溫度在3~10度范圍內時，可采用水蒸氣作為制冷劑。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(此路循環起制冷作用)。
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，于是將作為制冷工質的蒸汽吸入。兩路蒸汽混合后進入擴壓管，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溫度比冷凝器中的冷卻水溫度稍高的值。此后，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。其余的流經減壓節流閥，降壓降溫后進入蒸發器吸熱汽化制冷，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，且所能達到的最低溫度不宜低于5度，故僅適用于空調和冷藏，不可用作冷凍。
特殊的制冷循環：熱電循環
當直流電通過兩種不同導體組成的回路時，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，以滿足能量守恒。
實用的熱電制冷裝置是用半導體電偶組成的。在半導體材料中，n型材料有多余電子;p型材料則電子不足。若將一只p型和一只n型半導體元件聯結成電偶，接上直流電后，接頭處就會產生溫差，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制冷熱電堆。若電流方向是n流向p，則降溫吸熱，為冷端，反之則為熱端。
此種制冷循環不需制冷劑，無運動部件、無噪聲、無振動、無磨損、易于小型化，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，制造復雜和必須用直流電等缺點，限制了它的推廣和應用。
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