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制冷技术概况
制冷技术概况
来源:中制冷设备网    2009-9-8
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        制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。


  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。


  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。


  制冷技术的研究内容可以概括为以下三方面:
       ①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,并对制冷环节进行热力学的分析和计算。


       ②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。


       ③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。

       一、固体升华制冷

       近代科学研究中心为了冷却红外探测器、射线探测器、机载红外设备等的需要。采用了固态制冷剂升华的制冷系统。其制冷温度取决于固体的种类、系统中的压力和被冷却对象的热负荷。通过改变升华气体的流量来调节系统中的被压和温度,就可以保持一个特定的温度。这种制冷系统的工作寿命由固体制冷剂的用量和被冷却对象的热负荷决定,有达1年之久的。固体升华制冷的主要优点是升华潜热大,制冷温度低,固体制冷剂的贮存密度大。

       二、液体蒸发制冷

       液体气化形成蒸汽,利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体蒸发制冷。

       当液体处在密闭的容器内时,若容器内除了液体和液体本身的蒸汽外不含任何其它气体,那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡。这种状态称饱和状态。如果将一部分饱和蒸汽从容器中抽出,液体就必然要再气化出一部分蒸汽来维持平衡。我们以该液体为制冷剂,制冷剂液体气化时要吸收气化潜热,该热量来自被冷却对象,只要液体的蒸发温度比环境温度低,便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度下的某一低温。

        为了使上述过程得以连续进行,必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸汽,再不断地将其液体补充进去。通过一定的方法将蒸汽抽出,再令其凝结为液体后返回到容器中,就能满足这一要求。为使制冷剂蒸气的冷凝过程可以在常温下实现,需要将制冷剂蒸气的压力提高到常温下的饱和压力,这样,制冷剂将在低温低压下蒸发,产生制冷效应;又在常温和高压下凝结向环境温度的介质排放热量。凝结后的制冷剂液体由于压力较高,返回容器之前需要先降低压力。由此可见,液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程:制冷剂液体在低压下气化产生低压蒸汽,将低压蒸汽抽出并提高压力变成高压气。将高压气冷凝为高压液体,高压液体再降低压力回到初始的低压状态。其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿。

        三、气体绝热膨胀制冷

       气体膨胀制冷是利用高压气体的绝热膨胀以达到低温,并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷。

       气体制冷机的工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀及等压吸热四个基本过程。

       它与蒸气压缩式制冷过程基本上是相同的,但它所采用的工质主要是空气,但根据不同的使用目的,循环工质也可采用氮气、氦气、二氧化碳、氧气等其它相似气体。

        气体绝热膨胀的性质随所使用的设备而变,一般有两种方式。一种方式是令高压气体经膨胀机(活塞式或透平式)膨胀,此时有外功输出,因而气体的温降大,复热时制冷量也大;但膨胀机结构比较复杂。在一般的气体制冷机中均采用这一膨胀方式。另一种方式是令气体经节流阀膨胀(通常称为节流),此时无外功输出,气体的温降小,制冷量也小,但节流阀的结构比较简单,且便于进行气体流量的调节。这种膨胀方式在气体制冷机中使用较少。其制冷的主要循环形式有定压循环。

        四、热电制冷

        热电制冷又称温差电制冷。它是利用热电效应(即帕尔贴效应)的一种制冷方法。这种方法的制冷效果主要取决于两种材料的热电势。纯金属材料得导电性好导热性也好,其帕尔贴效应很弱,制冷效率很低(不到1%)。半导体材料具有较高的热点势,可以成功地用来做成小型热电制冷器。

        每对热电偶只需零点几伏电源电压,产生的冷量也很小,所以需要将许多热电偶连成热电堆后才能使用。

        热电制冷器的结构和机理显然不同于液体汽化制冷。它不需要明显的工质来实现能量]的转移。整个装置没有任何机械运动部件。但热电制冷的效率很低,半导体器件的价格又很高,而且必须使用直流电源,因此变压整流装置往往不可避免,增加了电堆以外的附加体积,故热电制冷不宜大规模使用,但由于它的灵活性强,使用方便可靠,非常适合于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场合。

        热电制冷的理论基础是固体的热电效应,在无外磁场存在时,它包括五个效应,导热、焦耳热损失、西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。热电制冷又称作温差电制冷,或半导体制冷,它是利用热电效应(即帕米尔效应)的一种制冷方法。

       基本热电偶的制冷特性包括制冷量、消耗的电功率、制冷性能系数。

       热电制冷的性能由工作参数和电偶本身的材料特性所决定,包括工作电流I、电偶的材料的物理性质(温差电动势、电阻、热导率)等。

       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。前一级的冷端是后一级热端的散热器。

       五、绝热去磁制冷

       绝热去磁是产生1K以下低温的一个有效方法,即磁冷却法。这是1926年德拜提出来的。在绝热过程中顺磁固体的温度随磁场的减小而下降。

       将顺磁体放在装有低压氦气的容器内,通过低压氦气与液氦的接触而保持在1K左右的低温,加上磁场(量级为10^6A/m)使顺磁体磁化,磁化过程时放出的热量由液氦吸收,从而保证磁化过程是等温的。顺磁体磁化后,抽出低压氦气而使顺磁体绝热,然后准静态地使磁场减小到很小的值(一般为零)。

       利用固体中的顺磁离子的绝热去磁效应可以产生1K以下至mK量级的低温。例如从0.5K出发,使硝酸铈镁绝热去磁可降温到2mK。当温度降到mK量级时,顺磁离子磁矩间的相互作用便不能忽略。磁矩间的相互作用相当于产生一个等效的磁场(大小约104~103A/m),使磁矩的分布有序化,这方法便不再有效。

       核磁矩的大小约为原子磁矩的1/2000。因此核磁矩间的相互作用较顺磁离子间的相互作用要弱的多,利用核绝热去磁可以获得更低的温度。
 

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