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制冷方式:电、磁、声制冷和物质相变制冷

2015-09-21

制冷方式:电、磁、声制冷和物质相变制冷


一、电、磁、声制冷


(1)热电制冷


    热电制冷又称为温差电制冷,或半导体制冷,是利用热电效应(即帕尔帖效应)的一种制冷方法。

    1834年,法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝,再将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上,通电后发现一个接头变热,一个接头变冷。这说明:当有直流电通过两种不同材料组成的电回路时,两个接点处分别发生了吸、放热效应。这个现象称为帕尔帖热电效应。它是热电制冷的依据。如果接点处热电效应足够强,就可以产生有用的制冷作用。

    热电效应的大小主要取决于两种材料的热电势。纯金属材料的导电性好,导热性也好。用两种金属材料组成电偶回路,其热电势小,热电效应很弱,制冷效果不明显(制冷效率不到1%)。半导体材料具有较高的热电势,可以成功地用来做成小型热电制冷器。按电流载体的不同,半导体分为N型半导体(电子型)和P型半导体(空穴型)。图2-11示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路,铜板和铜导线只起导电的作用。回路由低压直流电源供电。回路中接通电流时,一个接点变热,一个接点变冷。如果改变电流方向,则两个接点处的冷热作用互易,即:原来的热接点变成冷接点,原来的冷接点变成热接点。


(2)磁制冷


    磁制冷是利用磁热效应的制冷方式。

    早在1907年郎杰裴(P.Langevin)就注意到: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,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。


(3)声制冷


    声制冷是利用热声效应的一种制冷方法。热声效应是指可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的时均能量效应。声能是一种振荡形式的能量,声波在空气中传播时会产生压力的波动和位移的波动,还会引起温度的波动。当声波所引起的压力、位移、温度波动作用到固体边界时,就会发生明显的声波能量与热能的相互转换,这就是热声效应。如果能够实现热能与声能的相互转化并与外界热源的热量交换,即可制成声发动机和声制冷机。

    可产生热声效应的流体介质必须具备的特性是:具有可压缩性,热膨胀系数较大,普朗特数小。此外,对于要求制冷温差大、能量流密度较小的场合,流体比热容要小;对于要求制冷温差小、能量流密度较大的场合,流体比热容要大。因此,在低温制冷领域,声制冷的适宜流体是理想气体,如空气、氦气,特别是氦气;在普通制冷温度领域,声制冷的适宜流体为处于近临界区的液体,如液态CO2、碳氢化合物等。


二、物质相变制冷


    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,这种热量称为潜热。

    (1)物质发生从质密态到质稀态的相变时将吸收潜热;

    (2)物质发生由质稀态向质密态的相变时将放出潜热。

    相变制冷就是利用物质发生从质密态到质稀态的相变时的吸热效应而实现的。利用液体相变的,是液体蒸发制冷;利用固体相变的,是固体融化或升华冷却。

    液体蒸发制冷以流体作制冷剂,通过一定的机器设备构成制冷循环,可以对被冷却对象实现连续制冷。它是制冷技术中使用的主要方法。

    固体相变冷却则是以一定数量的固体物质作制冷剂,作用于被冷却对象,实现冷却降温。一旦固体全部相变,冷却过程即告终止。



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