人工制冷的基本方法.ppt

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1、第一章 人工制冷的基本方法,制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却,使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。这里所说的“冷”是相对于环境而言的。灼热的铁放在空气中，通过辐射和对流向环境传热，逐渐冷却到环境温度。它是自发的传热降温，属于自然冷却，不是制冷。制冷就是从物体或流体中取出热量，并将热量排放到环境介质中去，以产生低于环境温度的过程。,制冷技术研究的内容,研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环，并对制冷循环进行热力学的分析和计算。,研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。机械制冷要通过制冷剂热力状态的变化才能实现。所以，制冷剂

2、的热物理性质是进行循环分析和计算的基础数据。此外，为了使制冷剂能实际应用，还必须掌握它们的一般物理化学性质。,研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备，包括它们的工作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配套设计。此外，还有热绝缘问题，制冷装置的自动化问题，等等。,机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。,制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。制冷剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量交换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，向环境排放热量。制冷剂一系列状态变化过程的综合为制冷循环。,为了实现制冷循环，必须消耗能量。所消耗能量的形式可以是机械能、电能、热能、太阳能或其它可能的形式

3、.,人工制冷的方法,1 液体汽化制冷方法,蒸气压缩式制冷,蒸气吸收式制冷,蒸汽喷射式制冷,吸附式制冷,3 气体的节流效应和绝热膨胀制冷,4 其它制冷方法,热电制冷,磁制冷,涡流管制冷,热声制冷,2 冰、盐水冰冷却和固体升华制冷,目前，获得低温的方法很多，可分为物理方法和化学方法，而绝大多数制冷方法属于物理方法。在物理方法中应用最广泛的为相变制冷及气体绝热膨胀制冷，此外尚有涡流制冷、绝热放气制冷、温差电制冷(珀尔帖效应)、顺磁盐或核绝热退磁制冷、氦稀释制冷、固体升华制冷、氦减压蒸发制冷、3He绝热压缩制冷、吸附制冷等，利用宇宙空间的低温热汇(24K)辐射制冷的方法。,获得低温的方法,11 相变制

4、冷,固态（冰）,物质有三种集态：气态、液态、固态。物质集态的改变称为相变。相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称作潜热。,物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热；反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热。,液态（水）,气态（汽）,溶化,汽化（沸腾）,升华,蒸发制冷沙漠袋,一、液体汽化,任何液体汽化时都产生吸热效应，在恒温下单位质量的液体汽化时所吸收的热量叫做汽化潜热。例如，在大气压下1kg液氨汽化时要吸收1370kJ的热量，得到-33.4；l kgR12汽化时，得到-29.8，要吸收1675kJ的热量。由热力学知，液体的沸点及汽化潜热

5、和压力有关，当压力提高时，液体的沸点升高，而汽化潜热减小。当达到临界状态时，汽相及液相界限消失，汽化潜热等于零。液体的汽化潜热可按下式计算：,每千克液体汽化时的吸热量，即单位制冷量，不仅与液体的汽化潜热有关，还与开始汽化前的含汽量有关。压力较高的饱和液体经节流减压后即进入两相区，并含有一定的汽量。若用x表示开始汽化时的干度，则单位制冷量可表示为,分析式(22)可知，制冷剂汽化潜热越大或节流后产生的蒸汽越少，则单位制冷量越大。制冷剂的汽化潜热随制冷剂的种类不同而不同，而节流后产生蒸汽量的多少，不仅与制冷剂种类有关，而且与节流膨胀前后的压力范围有关，膨胀的范围越大则膨胀后产生的蒸汽量越多，也就是x

6、的数值越大。,液体汽化,制冷的热力学原理,理想制冷循环逆向卡诺循环当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环。在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。,理想制冷循环逆向卡诺循环,单位质量制冷剂向高温热源放出的热量,单位质量制冷剂从被冷却的对象所吸取的热量,压缩单位质量制冷剂所作的功,理想制冷循环的性能指标,制冷系数,国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数COP(Coefficience of Performance)。我们要研究一定条件下COP的最高值。,热力学关心的是能量转换的经济性

7、，即花费一定的补偿能，可以收到多少制冷效果（制冷量）。,2023/10/9,13,上式说明：两恒温热源间工作的可逆制冷机，其制冷系数只与热源温度有关，而与制冷机使用的制冷剂性质无关。制冷系数 的值与两热源温度的接低程度有关，T2 与 T1越接近（T1/T2 越小），制冷系数 越大；反之 越小。实际制冷机制冷系数 随热源温度的变化趋势与可逆机是一致的。,不可逆循环的热力完善度，,值越接近于1，说明实际循环越接近可逆循环，不可逆损失越小，经济性越好。,为不可逆循环的制冷系数,蒸气压缩式制冷,压缩式制冷循环原理图A 压缩机 B 冷凝器 C 膨胀阀 D 蒸发器,蒸气压缩式制冷技术被广泛应用于空调器、冰

8、箱、冷藏室、冷库中，应用领域几乎涉及到各个行业,二、冰冷却及冰盐冷却,(一)冰冷却,冰有天然冰和人造冰之分，天然冰受地区、季节的限制，故目前许多国家都建有大规模的人造冰厂。在大气压下冰的熔解温度为0，这一温度可以满足在某些情况下加工与运输鱼类、肉类的要求。冰的熔解热高；平均为335kJkg。,当水冻结成冰时。其体积大约膨胀9，因此冰的密度比水小，且与其温度及所含气泡的数量有关，平均约为900kgm3。当冰的温度改变时，其体积也将改变，冰的膨胀系数随温度而变，其值如下：,冰冷却,冰冷却是用空气或水作为中间介质将被冷却物的热量传给冰，而冰由于本身的熔解吸收了这些热量。显然在冰冷却的设备中，被冷却物

9、所能达到的温度，必将高于冰的熔解温度，约在510的范围内。冰在0摄氏度融化,冰的汽化潜热为335kj/kg。,冰冷却的强度取决于中间介质与冰表面间的放热系数：从水到冰表面的传热系数为=1163Wm2K，从空气到冰表面的传热系数与温差及空气的运动情况有关，如表11所示。尺寸在10cm左右的冰块其比表面积为2530m2m3。,冰冷却,冰的比热与温度有关，可按下式计算c=2.165-0.0264T 在0-20的温度范围内，其比热的平均值为=2.093KJkgk,冰的导热系数也随温度而变：对于-20以上的温度，可取导热系数的平均值为2.32WmK。,冰的导温系数：在0时冰的导温系数为a=0.00419

10、m2/h。,冰的导热系数：,冰的升华,在水的三相点以下，冰可以直接升华为水蒸汽，其升华压力与温度的关系如下：,(二)冰盐冷却,用冰冷却只能获得0以上的低温。为了获得较低的温度，可用冰和各种盐类的混合物来冷却。冰盐冷却的物理化学反应过程包括冰的融化和盐的溶解过程，可分析如下：,起初是冰吸热而融化，即在冰的表面上蒙上一层水膜，此时的温度为0。接着盐便溶解于水膜中，吸收一定量的溶解热，因而引起温度的降低。此后冰在较低的温度下融化，而且冰与介质的热交换将通过冰块表面上的盐水膜进行。,当冰开始融化的时候，因盐量充足，故形成的盐水溶液具有较大的浓度，随着冰的融化盐水的浓度将逐渐降低，当冰全部融化和盐全部溶

11、解后，便形成均匀的盐水溶液，各部分的温度趋于一致。,冰盐冷却,冰盐冷却能达到的温度与盐的种类及浓度有关。冰盐混合物的融化温度及制冷量：,三、固体升华,(一)干冰制冷 远在上19世纪，在实验室研究方面就使用了干冰，但在工业上应用干冰作为制冷剂还是近八十多年的事。干冰即是固体二氧化碳，它是一种良好的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械零件的冷处理和配合等方面。,二氧化碳的三相点的状态参数为：ttr=-566及Ptr=52102kPa。(0.52MPa),干冰,沸腾 融化 升华 1液相 2气相 3固相 4沸腾过程 5融化过程 6升华过程,二氧化碳相平衡图,融化(凝固)

12、温度亦与压力有关，除了某些例外(例如，水)，它和沸腾曲线类似，朝一个方向变化。融化曲线与沸腾曲线I的交点叫三相点，三相点表示三相(固相、汽相及液相)能按任何量的比例关系共存的唯一状态。低于三相点时二氧化碳或处于固态，或处于汽态。曲线上的点决定于固相及汽相处于平衡状态的压力及温度。,干冰,干冰只有在三相点温度和压力下或高于三相点压力时才能融化成液体。干冰融化时，与水冰相反，其体积增大。在三相点上其体积增大特别显著，约增大28.5；而水冰融化为水时，体积减小10。由于干冰变为液体二氧化碳时体积会增大，故在设计和操作干冰液化设备时应充分注意这一点。,在同样条件下干冰的制冷量比水冰及冰盐溶液的制冷量大

13、。和水冰比较，干冰的单位制冷量为水冰的19倍，其单位容积制冷量为水冰的2.95倍。下表为在不同温度下干冰的制冷量。,干冰,干冰在化学上是稳定的，且对人无害。它的平均比重约为156。干冰的升华潜热与温度的关系为：,在大气压力下其升华温度为-78.5，升华潜热为573.6kJkg。如果将气体二氧化碳从升华温度加热到0的制冷效应考虑在内，则总制冷量为646.4kJkg。,干冰的平均导热系数为0.383WmK。干冰的导热系数与温度的关系可用下式表示：,wm，K,在-115到-1831温度范围内干冰的平均比热值为1.189kJkgK。在-56到-110温度范围内干冰的比热值如下：,（二）其它固体升华制冷

14、,为了冷却红外探测器，Y射线探测器、机载红外设备等的需要，以固体制冷剂向高真空空间升华为原理的制冷系统，得到了发展。,固体制冷剂的工作温度范围，升华潜热及密度:,升华潜热及密度为62K以下的数据，在62K时一氧化碳发生型到型的相变。,固体的融化与升华,无论纯水冰、干冰或溶液冰，因不具备流动性，所以都不能利用它们的融化或升华过程来组成制冷机的循环。,制冷技术中常用纯水冰或溶液冰的融化及干冰的升华过程来制冷。除干冰可以由高压液体二氧化碳用降压法得到外，纯水冰和溶液冰都需要用制冷机制备。,12气体的绝热膨胀制冷,一、实际气体的节流,工程热力学中曾讲到，当气体(或蒸汽)在管器中遇到缩口和调节阀门时，由

15、于局部阻力，使其压力显著下降，这种现象叫做节流。工程上由于气体经过阀门流速大，时间短，来不及与外界进行热交换，可近似地作为绝热过程来处理，称为绝热节流。节流时存在摩擦阻力损耗，所以它是一个不可逆过程，节流后熵必定增加，将引起附加功损失。根据稳定流动能量方程式，气体在绝热节流时，节流前后的焓值不变，这是节流过程的主要特征。,实际气体的节流,节流阀示意图,理想气体的焓值只是温度的函数，因此理想气体节流前后的温度是不变的。而实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以实际气体节流前后的温度一般将发生变化，这一现象我们称为焦耳汤姆逊效应(简称焦汤效应)。,实际气体的节流,在理论上的表达式可用热力学微分关系式

16、推导出来。从焓的特性可知：,对于焓值不变的过程，dh=0，将上式移顷整理即可得到：,v时，,=v时，,=0，节流时温度不变,v时，,0，节流时温度升高,0，节流时温度降低,实际气体的节流,那么气体节流时为什么会有这三种情况出现呢?这要用气体在节流过程中的能量转化关系来解释。因节流前后气体的焓值不变，故其能量关系式可表示为：即节流前后内能的变化等于进出推动功的差值。,我们知道气体的内能包括内动能(即分子运动动能)和内位能两部分，而内动能的大小只与气体的温度有关。,我们知道，气体节流后压力总是降低，比容增大，因而内位能总是增大的。至于 值的变化，根据实际气体在不同温度时与波义耳定律的偏差，可能有，

17、及 三种情况,实际气体的节流,前面讲到节流后内位能始终是增加的，内位能的增加及气体功的增加，必定依赖内动能的减小，所以节流后气体温度下降。,即节流后气体功不变，此时，内位能的增加将等于内动能的减少，故节流后温度仍是降低。,即节流后气体功变为负值，如果这个差额的绝对值等于气体内位能的增大值，那么内动能将不发生变化。因此节流后气体温度也不变。这个温度又称为转化温度。,（压力的降低不如体积的升高快）,节流后气体功变为负值，而内部位能增加的程度大大减小。这时气体所接受的功，一部分补偿内位能的增加，而余下的部分促使气体内动能的增大，这就伴随着气体温度的升高。,实际气体的节流,实际气体在不同温度时与波义耳

18、定律的偏差,氮的转化曲线,转化曲线将TP图分成了制冷区和制热区两个区域。因此，在选择气体参数时，节流前的压力不得超过最大转化压力，节流前的温度必须在上、下转化温度之间。,(1)在转化曲上,(2)在转化曲线外,0，,=0,(3)只有在转化曲线以内,节流后产生冷效应,气体节流制冷机,气体节流制冷机,利用气体的节流效应可以生产出低温制冷机,林德-汉普森制冷机的热力循环系统,人工制雪,二、气体的等熵膨胀,气体的等熵膨胀通常是用膨胀机来实现。气体等熵膨胀时，压力的微小改变所引起的温度变化称为微分等熵效应，以表示,在前面我们曾引用过焓的特性函数,由此可以导出：,对于等熵过程，,因而可求得,因此气体等熵膨胀

19、时温度总是降低的，产生冷效应。,在膨胀过程中有外功输出，膨胀后气体的内位能增大，这都要消耗定量的能量；这些能量需要用内动能来补偿，故气体温度必然降低。,由上式可知，T为正值、为正；定压时v与T成正比例，恒为正值。,绝热膨胀制冷,基本原理：高压气体通过膨胀机绝热膨胀时，对外输出功率，同时气体的温度降低,A 压缩机 B 空气冷却器 C 膨胀机 D 制冷室,定压循环空气制冷机系统,三、节流与等熵膨胀的比较,比较以上两式：绝热节流效应和等熵膨胀效应可以得出：,因v始终为正值，即气体的微分等熵效应总是大于微分节流效应。,因而对于同样的初参数和膨胀压力范围，等熵膨胀的温降比节流膨胀的要大得多。,节流与等熵

20、膨胀的比较,当初参数及膨胀压力范围相同时：,即等熵膨胀的制冷量比节流膨胀的大，其差值即等于膨胀机的功。两个过程的单位制冷量，在左图中分别是用面积03ac及面积02bc表示。,对于气体的绝热膨胀，无论从温度效应及制冷量来看，等熵膨胀比节流要有效得多。除此之外，等熵膨胀还可以回收膨胀功，因而可提高循环的经济性。,节流与等熵膨胀的比较,以上仅是两种过程从理论方面的比较。在实用方面尚有如下的一些不同因素：,(1)节流过程用节流阀，结构比较简单，也便于调节；等熵膨胀则需用膨胀机，结构复杂，且活塞式膨胀机还有带油的问题。,(2)在膨胀机中不可能实现等熵膨胀过程，因而实际上能得到的温度效应及制冷量比理论值要

21、小，如图中的l3所示，这就使等熵膨胀过程的优点有所减色。,(3)节流阀可以在汽液两相区内工作，即节流阀出口可以允许有很大的带液量；但带液的两相膨胀机(其带液量尚不能很大)现在还在研制和试用阶段。,因此，节流和等熵膨胀这两个过程在低温装置中都在应用，它们的选择，将依具体条件而定。,13吸收、蒸喷、吸附式制冷,一、蒸气吸收式制冷,我们知道，地球周围的空气对地球上的任何物体都有压力，这个压力就是大气压，比大气压低的压力称为真空。水在100沸腾并蒸发，这是在环境压力为一个大气压时的沸腾。当我们在海拔4000高的山区时，水在约88就会沸腾。这是因为任何液体的沸点与环境的压力有关，压力越低，沸点越低，压力

22、越高沸点越高。,当压力降低到7.5mmHg时，水的蒸发温度可降低为7.,制取冷水的部份称为蒸发器，如图所示，只有蒸发器的压力很低才能制取温度低的冷水。但是水蒸发之后，蒸发器的压力就要升高，当压力达到一定范围后，将停止蒸发。,利用溴化锂溶液极易吸收水蒸气的特性,通过溴化锂溶液的质量分数变化(发生与吸收过程)使制冷剂（水）在一封闭的系统中不断地循环，这就是吸收式制冷循环的基础。,吸收式制冷的基本原理,蒸气吸收式制冷的优点,吸收式制冷最突出的优点，是可以直接利用各种热能来驱动，除可以利用燃料燃烧的高势能外，还可利用生产过程和自然界中大量存在的低势能，如低压蒸气、热水、烟道气等工业余热以及太阳能、地热

23、能等自然界热量。,二、蒸汽喷射式制冷,利用蒸汽喷射器抽取真空，在工业生产中应用极为广泛。首先可以用来制取220的工业用低温水，在一定条件下比其他制冷方法经济合理。此外，还可以代替真空泵，进行真空蒸馏，真空脱臭，真空蒸发，真空结晶，真空干燥以及真空炼钢等。,如果水周围的大气压力低到65毫米汞柱时，水温只要达到5就开始沸腾了。蒸汽喷射制冷机取得制冷效果，主要是在低压(真空)下，借一部分水的绝热蒸发，使剩下的那一部分水失热而被冷却。,蒸汽喷射式制冷,蒸汽喷射式制冷,在蒸汽喷射式制冷机中，按正向循环工作的喷射器起着压缩机的作用，故称为喷射式压缩机。,其组成部件包括：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀、泵。

24、喷射器又由喷嘴、吸入室、扩压器三个部分组成。,蒸汽喷射式制冷原理,蒸汽喷射器形成低压(真空)的原理，主要是利用一定压力的蒸汽通过一个喇叭形的喷嘴(一般叫拉伐尔喷嘴)，体积迅速膨胀。一般在喷嘴出口处的蒸汽体积，较进入喷嘴前的体积大几百倍。由于蒸汽体积的膨胀，在喷嘴出口处产生速度高于1000米秒以上的蒸汽流，也就是说蒸汽的压力能转变成速度能(一般叫动能)，这时在喷嘴出口处就形成低压(真空)状态。由于高速气流的引射作用，使与蒸汽喷射器速接的容器内，形成接近喷嘴出口处的低压(真空)。,蒸汽喷射式制冷,蒸汽喷射式制冷理论循环热力计算,制冷量,为被引射制冷蒸汽的流量,锅炉的供热量,冷凝器放热量,工作蒸汽流

25、量,泵所消耗的功,泵功较小，如果可以忽略，则整个制冷机的热平衡式,热力系数,其中,为喷射系数,当然，要求整套蒸汽喷射制冷机连续制冷，仅有上述主要流程的设备是不行的。在主喷射器中经扩压器压缩以后的混合蒸汽，压力仍然很低，它只能被送入主冷凝器，绝大部分混合蒸汽在主冷凝器中被冷却水冷凝，而未被冷凝的少部分混合蒸汽和漏入系统中的不凝结气体，不能直接排入大气，必须通过第一辅助喷射器与第一辅助冷凝器，和第二辅助喷射器与第二辅助冷凝器的工作，连续压缩，提高压力后，排入大气。,蒸喷制冷机的实际流程,三效大气蒸汽喷射制冷装置的流程,它由蒸发器、一、二、三效主喷射器、大气式（混合式）主冷凝器和一级、二级辅助冷凝器

26、，一级、二级辅助喷射器、水泵等组成。,三效蒸汽喷射制冷机的连接方法,蒸发器中装有三层隔板，将它分为三个空间，隔板中间开有一个较大的洞，洞的上部装有钻有许多小孔的淋板，在隔板的下面装有一圈档板，空调或工艺回水经淋水板三次淋洒和蒸发后，使其温度逐次降低，形成冷冻水，然后从蒸发器的下部流出供空调或生产使用，蒸发器的真空由三只主喷射器产生，抽吸蒸发器第一效中蒸汽的主喷射器和主冷凝器的第三效筒体连接，抽吸蒸发器第三效中蒸汽的主喷射器和主冷凝器第一效筒体连接。,三效蒸发器,大气式（混合式）冷凝器的构造见图，它是用钢板卷成一个大圆筒，筒内用多孔洒水板隔成三个空间（三效），每个空间和一个主喷射器出口连接，两个

27、空间之间用旁通管（供气体流通用）在筒外相连，冷却水从冷凝器顶部进入，当主喷射器的混合气体进入主冷凝器后，经洒水板的冷却水三次淋洒直接混合而被冷凝，并和冷却水一起流出筒外进入水池，为保持主冷凝器中具有一定的真空度和将系统中的空气排入大气，还设有两级辅助喷射器和两级辅助冷凝器，如整个装置运行正常时，便能从蒸发器出口得到所需的冷冻水。,混合式三效冷凝器,三、吸附式制冷,原理：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，而且吸附能力随吸附剂温度的改变而不同。工作介质是吸附剂制冷剂工质对。按吸附机理说，有物理吸附与化学吸附之别。,沸石太阳能制冷系统原理图 a）白天脱附 b）夜间吸附 1沸石密封盒 2冷

28、凝器 3贮水箱（蒸发器）,太阳能吸附式制冷,已研究的吸附工质对（吸附剂制冷剂）主要有：沸石水；硅胶水；活性碳甲醇；金属氢化物氢；氯化物盐类氨等。,基本型吸附式制冷循环,间歇式吸附式制冷系统（太阳能制冷机）,14其它制冷方法,热电制冷磁制冷涡流管制冷热声制冷,一、热电制冷,珀尔帖效应基本原理,N型半导体靠电子移动导电，P型半导体靠空穴移动导电，在外电场作用下，N 型半导体中的电子由负极流向正极，P 型半导体中的空穴由正极流向负极。,当载流子由较高势能变为较低势能时，向外界放出热量；当载流子由较低势能变为较高势能时，必须吸收外界热量。,三级复叠式热电堆,当外电场使N型半导体中的电子与P型半导体中的

29、空穴都向接头运动时，它们在接头附近发生复合，电子-空穴对复合前的动能及势能就变成了接头处晶格的热振动能量，于是接头处就有能量释放出来（放热）。如果电流的方向相反，电子空穴离开接头则在接头处产生吸热现象。,帕尔帖(peltire)效应,对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。,热电制冷是借助于电子或空穴在运动中由势能变化而引起能量的传递。热电制冷器的热电偶是由半导体材料组成，所以又称半导体制冷。,多级热

30、电制冷,为了获得更低的制冷温度（或更大的温差）可以采用多级热电制冷。它由单级电堆联结而成。前一级（较高温度级）的冷端是后一级的热端散热器。,由于热电制冷的每一级电堆散热量远大于制冷量，所以高温级的热电偶数目要比低温级大得多。此外，随着温度的降低，元件的温差电性能变差，总的温差 并不是随级数的增多成比例提高的。所以实际上多级热电制冷的级数也不宜很多，一般为23级，最多达8级。,热电制冷的特点,(1)结构简单整个制冷器由热电堆和导线连接而成，没有任何机械运动部件，因而无噪声、无摩擦、可靠性高、寿命长，而且维修方便。(2)体积小特别在小体积、小负荷的用冷场合，使用热电制冷有其独到的好处。(3)启动快

31、、控制灵活只要接通电源，即可迅速制冷。冷却速度和制冷温度都可以通过调节工作电流简单而方便池实现。(4)操作具有可逆性既可以用来制冷，又可以改变电流方向用于制热，因而可以用来制做高于室温到低于室温范围内的和恒温器。(5)主要缺点是效率低，耗电多.由于缺少更好的半导体材料限制了它的发展。另外，半导体电堆的元件价格很高。综合效率和价格比的因素：在大容量情况下，势电制冷的效率不及蒸气压缩式制冷、价格昂贵。,二、磁制冷,利用磁热效应的制冷方式。,顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。从机理上说，固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，

32、则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。,顺磁体,螺旋线圈通电时，产生感应磁场。在线圈中插入磁性物体（比如铁棒），物体磁化后产生附加磁场。于是，总的磁感应强度为,不同的磁介质产生的附加磁场情况不同，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体（如铁、锰）；附加磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体（如铋、氢等）。,磁感应强度单位是特斯拉（Tesla），用符号T表示，量纲为NAm。(牛顿/安培.米）,磁制冷,卡诺型磁性制冷循环,基本原理:磁介质的熵分为热熵和磁熵绝热变化时，系统的熵变为0，即S=ST+SB=0,当绝热去磁时，即在

33、绝热条件下，使介质的磁场迅速下降为0时，介质中的分子磁矩平行于外磁场的方向的排列状态便不能维持，而又将逐步恢复到磁化前的混乱状态，即无序性增加，SB变大（SB0）。由于S=0，故ST0，即受热运动影响的无序性减少，介质的温度降低。可见，绝热去磁可以使磁介质的温度降低 也叫绝热去磁制冷。,磁制冷,卡诺型磁性制冷循环,12 为等温磁化（排放热量）；23 为绝热退磁（温度降低）；34 为等温退磁（吸收热量制冷）；41 为绝热磁化（温度升高）。,磁制冷低温冰箱,磁制冷装置 首先需要有超导强磁体，用于产生强度达(47)T的磁场。用旋转法实现循环：将钆镓石榴石（磁介质）做成小球状，充填入一个空心圆环中。使

34、圆环绕中心轴旋转，转到冰箱外的半环受磁场作用，磁化放热；转到冰箱内的半环退磁，吸热制冷。日本川崎公司研究的这类转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T；旋转速度为0.72r/min；制冷温度达(4.211.5)K；制冷量为0.12w。,磁制冷冰箱,根据实验得知，电冰箱和空调装置使用的制冷剂氟利昂会污染环境，而用磁制冷原理制作的冰箱这不仅不会破坏环境，而且效率要比用氟利昂制冷高40%，其成本低25%。因此，磁制冷技术使一项很有发展前途的技术。,Magnetic Refrigerator Successfully Tested,1933年杰克实现了绝热去磁制冷。从此，在极低温领域（mK级至16K

35、范围）磁制冷发挥了很大作用。现在低温磁制冷技术比较成熟。,美国、日本、法国均研制出多种低温磁制冷冰箱，为各种科学研究创造极低温条件。例如用于卫星、宇宙飞船等航天器的参数检测和数处理系统中，磁制冷还用在氦液化制冷机上。,磁制冷的发展应用,目前，力图使高温磁制冷实用的研究包括以下主要方面：寻找合适的磁材料（工质）。它应具有的特点是：离子磁矩大、居里点接近室温、以较小磁场（例如1T）作用与除去作用时能够引起足够大的磁熵变（即磁热效应显著）。现已研制出一系列稀土化合物作磁制冷材料，如R-Al,R-Ni,R-Si等系列的物质（其中R代表稀元素），还有复合型磁制冷物质（由居里点不同的几种材料组成）。外磁场

36、。需采用高磁通密度的永磁体。研究最合适的磁循环并解决实现循环所涉及到的热交换问题。,三、涡流管制冷,涡流管制冷,高压气体经涡流管膨胀后被分离出冷、热两股气流，将分离出来的冷气流复热即可制取冷量。,1931年，法国工程师兰克（Ranque）发现旋风分离器中旋转的空气流具有低温，于是他在1933年发明了一种装置，可以使压缩气体产生涡流并能将气流冷、热两部分，其中冷气流用来制冷，该装置称为涡流管，又叫兰克管。这种制冷方法称为涡流管制冷,涡流管制冷,涡流管结构：它由喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀组成。涡流室将管子分成冷、热端两部分，孔板置于涡流室与冷端管子之间，热端管子出口处装控制阀，喷嘴沿涡流室切

37、向布置。,室温的压缩气体（通常为空气）进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射入涡流室，在涡流室的周边形成自由涡流。自由涡流的旋转角速度越到中心处越大。由于角速度不同，在环形涡层之间产生摩擦，中心部分的气体角速度逐渐下降，外层气流的角速度逐渐升高，因此，存在着由中心向外层的动量流。内层气体失去能量，从孔板流出时具有较低的温度，外层气体吸收能量动能增加，又因与管壁磨擦。将部分动能变成热能，使得从控制阀流出的气流具有较高的温度，由此看出，涡流管可以同时得到冷、热两种效应。,内层气体失去能量，从孔板流出时具有较低的温度，外层气体吸收能量动能增加，又因与管壁磨擦。将部分动能变成热能，使得从控制

38、阀流出的气流具有较高的温度，由此看出，涡流管可以同时得到冷、热两种效应。,涡流管制冷,用控制阀控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、热两股气流的流量及温度。如果阀全关，气体全部从孔板口经冷端管子流出，过程是简单的不可逆节流，节流前后焓值不变，不存在冷、热分流的问题；如果阀全开，将有少量气体从外界经孔板吸入，涡流管相当于一只气体喷射器；只有在控制阀部分开启时，才出现冷热分流的现象。,涡流管工作原理的定性解释比较清楚，但由于管内流体之间的传导和对流情况比较复杂，对冷、热端温度值进行定量的理论推导尚有困难。实验表明，当高压气体为常温时，冷气流的温度可到-10-50，热端温度可达100130。,涡流管

39、制冷,涡流管装置结构简图,涡流管实物,涡流管制冷的优点是结构简单、易操作维修、启动快、造价低廉、无运动部件、工作稳定、工质对大气环境无污染，且能达到比较低的冷气流温度。缺点是热力效率低、能耗大，目前只有在小型低温装置中才被采用。,四、热声制冷,声波在空气中传播时会产生压力及位移的波动。其实，声波的传播也会引起温度的波动。当声波所引起的压力、位移及温度的波动与一固体边界相作用时，就会发生明显的声波能量与热能的转换，这就是热声效应。,热声效应，即声场中的时均热力学效应。根据能量转换观点可将热声效应分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡；二是用声来产生热流，即声驱动的热量传输。,热声制冷,热声制冷机基本原理,1 高温热源 2 热端换热器 3 热声板叠 4 冷端换热器 5 谐振管 6 低温热源,热声制冷的概念是美国Los Alamodynamics国家实验室的J.C.Wheatley等人在80年代提出的。简单地说热声制冷就是利用热声效应的制冷技术,本章结束！,