現(xiàn)代幾種簡單的制冷技術

1、目錄第一章 制冷的熱力學基礎2第1節(jié) 熱力學第一定律2第2節(jié) 熱力學第二定律6第二章 傳統(tǒng)的制冷物質(zhì)與制冷技術7第1節(jié) 制冷劑的歷史47第2節(jié) 傳統(tǒng)制冷技術的簡單介紹7第三章 半導體制冷10第1節(jié) 半導體410第2節(jié) 半導體制冷器11參考文獻12致 謝1313第一章 制冷的熱力學基礎 第1節(jié) 熱力學第一定律1、熱力學第一定律自然界中的所有物質(zhì)都有能量，能量不能被創(chuàng)造也不能被消滅，它只能進行能量之間的轉(zhuǎn)換，從一種形態(tài)變成另一種形態(tài)，但是能量的總和不會改變，這就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，是自然界的基礎規(guī)律之一，也是熱力學第一定律的理論基礎2。熱力學第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換在一個熱力學系統(tǒng)中的應用。熱

2、力學第一定律的解析式為： （1.1.1）式中Q為系統(tǒng)中的熱量，表示熱力學能的變化量，W為與環(huán)境交換的功。式中熱力學能變化量、熱量Q、和功W都是代數(shù)值，可正可負，系統(tǒng)吸熱Q值為正，放熱Q值為負；同理，系統(tǒng)對外做功W為正，反之為負。系統(tǒng)的熱力學能增大時，為正。可以理解為在一個熱力學系統(tǒng)內(nèi)，熱力學變化量與對環(huán)境做的功的總和為系統(tǒng)中的總熱量。這也說明了一個道理熱力學第一定律是一個準靜態(tài)過程，即在這個過程中的每一時刻，系統(tǒng)都處于平衡態(tài)。說簡單些，就是在一個系統(tǒng)中，熱和功是可以相互轉(zhuǎn)換的，消耗一定量的熱即可產(chǎn)生一定量的功，同時，消耗一定量的功會產(chǎn)生一定量的熱，但其二者之和是保持不變的一個固定值。熱力學的第

3、一定律解析式的微分形式為 (1.1.2)2、熱力學第一定律對理想氣體的應用1下面我們來看看熱力學第一定律在理想氣體下的一些簡單的能量轉(zhuǎn)換。（1）等體過程等體過程即使在系統(tǒng)體積保持不變，外界做功為零，故此根據(jù)熱力學第一定律的解析式可得出 (1.1.3)如果設初始狀態(tài)和終態(tài)的溫度分別為、則公式變?yōu)?(1.1.4)其中為摩爾定容熱容，為常數(shù)。（2）等壓過程等壓過程即為系統(tǒng)的壓強始終保持不變，如果我們設系統(tǒng)初始狀態(tài)和終態(tài)的體積分別為、則外界對系統(tǒng)做的功為 (1.1.5)如果設初始狀態(tài)和終態(tài)的溫度分別為、則公式變?yōu)?(1.1.6)其中為摩爾定容熱容，為常數(shù)。（3）等溫過程等溫過程系統(tǒng)溫度保持不變故此，由

4、理想氣體狀態(tài)方程可以得到 (1.1.7)由于理想氣體，內(nèi)能只跟溫度有關，溫度不變，故內(nèi)能不變，由此可得 (1.1.8)也就是說外界對系統(tǒng)做的功將全部轉(zhuǎn)化為氣體對外界放出的熱，在等溫過程中外界對氣體做的功為 (1.1.9)（4）絕熱過程此過程系統(tǒng)不與外界做能量交換，故此絕熱過程，所以 (1.1.10)在這個過程中 (1.1.11)式中的，而。除上訴的幾個過程外，還有多方過程，在此就不做詳細敘述了。3、循環(huán)過程（1）循環(huán)過程在一個系統(tǒng)中，有任意一個狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列的過程后還能回到這個出發(fā)點的過程叫做循環(huán)狀態(tài)，由字母可以表示為A-B-C-D-A在一個準靜態(tài)過程的p-V圖像中如果是順時針循環(huán)則稱之

5、為正循環(huán)，而反之則稱之為逆循環(huán)。（2）循環(huán)過程的效率設一個系統(tǒng)從外界吸收的總熱量為而放出的熱量為則系統(tǒng)對外界做的功為 (1.1.12)則其效率為 (1.1.13)4、卡諾循環(huán)1842年法國科學家尼古拉·卡諾提出了一個特殊的熱力學循環(huán)，這個循環(huán)是由等溫吸熱，絕熱膨脹，等溫放熱，絕熱壓縮四個過程組成，由等溫吸熱出發(fā)，經(jīng)過絕熱膨脹、等溫放熱、絕熱壓縮回到到等溫吸熱，這由兩個等溫過程，兩個絕熱過程組成的特俗的熱力學循環(huán)被稱為卡諾循環(huán)。這個卡諾循環(huán)被使用在一個假象的卡諾熱機上。31830年至1840年，為了找出這個熱機的最大工作效率，埃米爾·克拉佩龍對卡諾循環(huán)進行了一次擴充。等溫吸熱

6、的過程就是系統(tǒng)從高溫熱源吸熱的過程，這個過程中系統(tǒng)膨脹，所以此過程亦成為等溫膨脹；絕熱膨脹的過程中系統(tǒng)對環(huán)境做功，故此溫度將會降低；等溫壓縮的過程中系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量，體積將會被壓縮；絕熱壓縮，系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。如下圖 由狀態(tài)1到狀態(tài)2是等溫膨脹過程，有上文等溫過程公式可知從高溫熱源吸收的熱為 (1.1.14)狀態(tài)2到狀態(tài)3為絕熱膨脹，溫度降低到，與外界沒有熱量交換，但對外界做功。狀態(tài)3到狀態(tài)4為等溫壓縮，外界對氣體做功，氣體向低溫熱源放熱為 (1.1.15)狀態(tài)4到狀態(tài)1為絕熱壓縮，氣體回歸原狀態(tài)完成一個循環(huán)，過程中系統(tǒng)與外界沒有能量轉(zhuǎn)移，但外界對系統(tǒng)做功。整個過程中內(nèi)能不變，其效率為

7、(1.1.16)狀態(tài)1、4和狀態(tài)2、3分別在兩條絕熱線上，所以根據(jù)上文絕熱過程公式知 (1.1.17) (1.1.18)所以可得出效率為 (1.1.19)所以根據(jù)公式可知，卡諾循環(huán)的效率只與高溫熱源和低溫熱源的溫度有關，與其他因素無關。根據(jù)這些，卡諾提出了著名的卡諾定理：（1）在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆熱機，其效率都相等；（2）在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切不可逆熱機，其效率都不可能大于可逆熱機的效率。第2節(jié) 熱力學第二定律1、熱力學第二定律2在功與熱的轉(zhuǎn)換當中，功可以直接轉(zhuǎn)化成熱，而熱卻不能直接轉(zhuǎn)化為功，在熱轉(zhuǎn)化為功的過程中通常需要第三方的加入。熱量可

8、以從高溫自動向低溫傳遞，而低溫卻不能自發(fā)的向高溫轉(zhuǎn)移；氣體可以自由的膨脹，沒有限度，但是卻不會自動的壓縮。這些過程只會在系統(tǒng)存在溫度差、壓力差的狀態(tài)下自發(fā)進行，在自然狀態(tài)下不可逆，不可逆是自發(fā)過程的重要特征和屬性。而熱力學第二定律就是研究熱現(xiàn)象中過程進行的方向、條件及限度的定律。熱力學第二定律又稱為熵增定律，表示的在自發(fā)過程中一個孤立系統(tǒng)的混亂度不會減小。簡單的總結(jié)下熱力學第二定律就是，熱不能自發(fā)的從低溫向高溫移動，如果想要熱從低溫轉(zhuǎn)移高溫就需要一個制冷（熱泵）的過程達到低溫熱源向高溫熱源排熱并且被其吸收的目的。當讓，這個過程是要消耗功的。也就是說在自然界中任何過程都是不可能自主恢復到原始狀態(tài)

9、的。一切與熱現(xiàn)象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。2、制冷循環(huán)的熱力學分析3根據(jù)上面第一章第三節(jié)內(nèi)容了解到，熱力學循環(huán)可以分為兩種，一種為正循環(huán)，一種為逆循環(huán)，正循環(huán)即為把熱能轉(zhuǎn)化為機械能，這個過程可以不需要消耗功；而另一種為逆循環(huán)，逆循環(huán)的進行需要消耗功來完成，而我們的制冷過程就是一種熱力學的逆循環(huán)，而這種循環(huán)通常需要制冷機或熱泵來完成。 由卡諾定理可知，在相同高溫熱源和相同的低溫熱源之間工作的一切可逆制冷機其制冷系數(shù)均相等，與制冷的工作物質(zhì)無關。所以如何提高制冷系數(shù)就成了一大話題由熱力學第一定律不難得出，制冷機的效率應為 (1.2.1)第二章 傳統(tǒng)的制冷物質(zhì)與制冷技術第1節(jié) 制冷劑的歷史4制

10、冷劑在一個多世紀內(nèi)經(jīng)歷的一個不斷發(fā)展的過程，第一個臺實用的機械制冷劑是已乙醚作為制冷劑的一種蒸汽壓縮系統(tǒng)，出現(xiàn)在1843年，后經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，在1866年人們制作了利用二氧化碳為制冷劑的機器，并在隨后的一些年里，制冷劑的創(chuàng)新越發(fā)的多樣化人們利用了很多的化學藥品作為制冷劑，如氨(NH3)氰（石油醚和石腦油）、二氧化硫(R-764)和甲醚，不過這些都僅僅應用在工業(yè)上，而食物的保持依然維持著原有的樣子用冬天保持的冰或工業(yè)制造的冰來保持。到了二十世紀初期，制冷系統(tǒng)有了革命性的突破，大型制冷器被應用與大型建筑空氣調(diào)節(jié)當中。第一個應用此技術的大廈是位于德克薩斯圣安東尼奧的梅蘭大廈。世界上首臺以氯氟碳

11、（CFC）機器是1926年， 托馬斯.米奇尼（Thomas Midgely）開發(fā)的， CFC族，不可燃、無毒與二氧化硫相比時能效要提高很多。并在幾年后經(jīng)過威利斯·開利的開發(fā)，制冷機很快的步入了普通百姓家，這也是歷史上第一臺利用離心技術的離心式制冷機，可以說二十世紀初其是制冷技術飛速發(fā)展的一個時代。20世紀30年代，氟氯昂出現(xiàn)，它的出現(xiàn)顯著的提高了制冷劑的性能，20世紀50年代開始使用共沸制冷劑，60年代開始使用非共沸制冷劑。1970年，臭氧層變薄問題漸漸浮出了水面，并且認定臭氧層變薄的部分起因源于CFC族的使用，并在蒙特利爾議定書中決定淘汰CFC和HCF

12、C族，歷時1987年。第2節(jié) 傳統(tǒng)制冷技術的簡單介紹1、蒸氣壓縮式制冷5（1）蒸氣壓縮式制冷的熱力學原理 物質(zhì)聚集狀態(tài)發(fā)生的改變稱之為相變，例如：氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)、液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。由于在集態(tài)發(fā)生變化的過程中，物質(zhì)的分子將會重新排列，分子熱運動的速度發(fā)生變化，故相變的過程往往都會伴隨著能量的改變，系統(tǒng)將在外界吸收熱量或放出熱量，這種熱量稱作潛熱。物質(zhì)發(fā)生相變的過程中從外界吸收的熱量被稱為吸收潛熱；而反之放出的熱量被稱為放出潛熱。發(fā)生吸收潛熱時物質(zhì)總是從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變；反之，放出潛熱的過程中物質(zhì)總是從質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)變化。 液體蒸發(fā)形成蒸氣，從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變，在這個過程中，

13、系統(tǒng)將從外界吸收大量的熱，從而是外界環(huán)境的溫度下降，利用這個過程利用該過程的吸熱效的方法被稱為液體蒸發(fā)制冷。如果將液體放入一個密閉的容器內(nèi)，并且容器內(nèi)除該液體和液體本身蒸發(fā)的蒸氣外沒有其他的物質(zhì)，則在某一壓強下，液體和蒸氣將達到平衡，這中狀態(tài)稱之為飽和狀態(tài)，此時，如果將容器內(nèi)的蒸氣抽出一部分，則液體會自動蒸發(fā)出一部分蒸氣，使容器內(nèi)系統(tǒng)重新達到平衡。如果我們將這中液體作為制冷劑，用希望被冷卻的物質(zhì)作為熱量的供應源，只要蒸氣的溫度比被冷卻的物質(zhì)低，則整個系統(tǒng)將會維持在一定溫度中，此溫度將會低于原有溫度。 如果想讓此過程連續(xù)不斷的進行下去，則要將制冷劑蒸氣從容器內(nèi)不斷的抽出，同時還要補充制

14、冷劑到容器內(nèi)。通過人們的不斷改進，找到了一種非常有效的方法，就是通過一定的方法將蒸氣抽出，再設置一個回流的過程，使蒸氣冷凝，重新流回到容器內(nèi)。為使制冷劑蒸氣的冷凝過程不再放出熱量，則需要增加壓力，使制冷劑蒸氣可以在常溫下達到飽和壓力，這樣，就達到了我們的目的，使制冷劑將在低溫低壓下蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷效應；又在常溫和高壓下凝結(jié)成原制冷劑向環(huán)境溫度的介質(zhì)排放熱量。凝結(jié)后的制冷劑液體壓力將高于正常狀態(tài)，所以返回容器的途中需要先將高壓制冷劑的壓強降低。故此，要達到液體蒸發(fā)制冷循環(huán)的目的，我們必須設定以下四個基本過程：制冷劑在低壓的環(huán)境中形成氣體產(chǎn)生低壓的制冷劑蒸氣，抽出低壓制冷劑蒸氣并加壓產(chǎn)生高壓制冷劑蒸

15、氣。經(jīng)過冷凝將高壓制冷劑蒸氣轉(zhuǎn)化為高壓制冷劑液體，高壓制冷劑液體再經(jīng)過降壓返回初始態(tài)。這種利用低沸點制冷劑相變制冷，再借助 壓縮機抽吸壓縮、冷凝器的放熱冷凝、節(jié)流閥的節(jié)流降壓、蒸發(fā)器的吸熱汽化的不停循環(huán)過程，便是蒸氣壓縮式制冷的熱力學原理。（2）蒸氣壓縮式制冷的系統(tǒng)組成 單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機，冷凝器，膨脹閥和蒸發(fā)器組成。其工作過程如下： 制冷劑在壓力溫度下沸騰，低于被冷卻物體或流體的溫度。壓縮機不斷地抽吸蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸氣，并將它壓縮到冷凝壓力，然后送往冷凝器，在壓力下等壓冷卻和冷凝成液體，制冷劑冷卻和冷凝時放出的熱量傳給冷卻介質(zhì)(通常是水或空氣)，與冷

16、凝壓力相對應的冷凝溫度一定要高于冷卻介質(zhì)的溫度，冷凝后的液體通過膨脹閥或其他節(jié)流元件進入蒸發(fā)器。2、吸收式制冷同蒸氣壓縮式制冷一樣，吸收式制冷也是通過制冷劑氣化吸熱過程來完成制冷的，只是不同的是吸收式制冷要同時用到兩種沸點不同且不起化學反應的制冷劑的溶液，這中均勻的混合溶液被稱為二院溶液。這種均勻的混合并不是簡單混合，而是要從其內(nèi)部的各種物理性質(zhì)的混合，使其壓力、溫度、濃度、密度等等都保持完全的一致，并且不能通過機械沉淀法和離心法將其分離成原始狀態(tài)。吸收式制冷已經(jīng)成為了現(xiàn)代最為廣泛的制冷方法。吸收式制冷中使用二元溶液作為工質(zhì)，其中低沸點組分用作制冷劑 ,即利用它的蒸發(fā)來制冷；高沸點組

17、分用作吸收劑，即利用它對制冷劑蒸氣的吸收作用來完成工作循環(huán)。吸收式制冷機主要由幾個換熱器組成。常用的吸收式制冷機有氨水吸收式制冷機和溴化鋰吸收式制冷機兩種。 下面以溴化鋰吸收式制冷為例進行下簡單的講解：二元工質(zhì)中以水為制冷劑的溴化鋰吸收式制冷劑已經(jīng)成了最為廣泛的制冷機之一。作為制冷劑的水在絕對壓力870Pa的真空狀態(tài)下，只要5的低溫中便可蒸發(fā)，從載冷劑中吸收熱負荷，溫度降低，低溫冷水源源不斷的向外輸出。溴化鋰最為二元溶液工質(zhì)中的吸收劑，在低溫和常溫下可以高效率的吸收蒸發(fā)的水蒸氣，又能在高溫狀態(tài)下降吸收的水蒸氣再度釋放出去，這樣的不斷吸收水蒸氣和釋放水蒸氣使吸收和釋放完成一個循環(huán)，這樣

18、制冷便可以連續(xù)不斷的進行下去，這就是一個制冷的循環(huán)。溴化鋰吸收式制冷機是一個經(jīng)濟性非常好的制冷機，因為它在制冷過程中所需要的熱能來源是多種多樣的，可為蒸汽、廢熱、75'C以上的地下熱水。如果在天然氣以及燃油充足的地方，甚至可以采用直燃型溴化鋰吸收式制冷機來取代一般的溴化鋰吸收式制冷機來獲取我們所需的低溫冷水。這種強大的經(jīng)濟性大大的促進了溴化鋰吸收式制冷機的發(fā)展。同時溴化鋰吸收式制冷機也有很大的局限性，因為溴化鋰吸收式制冷機的制冷劑是水，而水在0一下會結(jié)冰，所以其工作環(huán)境一般要在5以上，否則將不能正常工作。故溴化鋰吸收式制冷機多用于空氣調(diào)節(jié)工程作低溫冷源，特別適用于大、中型空調(diào)工程中使用

19、。溴化鋰吸收式制冷機在某些生產(chǎn)工藝中也可用作低溫冷卻水。3、吸附式制冷吸附式制冷的制冷原理 吸附式制冷系統(tǒng)有別于上訴兩種制冷方式的地方在于吸附式制冷應用的不再是液體，而是一定的對某種制冷劑具有吸附作用的固體和制冷劑相互結(jié)合而制成的制冷系統(tǒng)，這種具有吸附作用的固體其吸附能力要隨著溫度變化而變化，并且要具有周期性，周期的冷卻和加熱吸附劑，讓其可以交替的解析和吸附。當進行解析過程的時候，系統(tǒng)釋放出制冷劑氣體，同時使其凝為液體；進行吸附過程時，液體蒸發(fā)，制冷。所以，可以說吸附式制冷系統(tǒng)是以熱能為動力的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。吸附制冷的工作介質(zhì)是吸附劑-制冷劑工質(zhì)對，工質(zhì)對有多種，按吸附的機理說，有物理吸附

20、與化學吸附之別。最為常見的吸附式系統(tǒng)為沸石-水吸附對。作為對水蒸氣吸收能力較強并且吸附能力對溫度的變化非常敏感的沸石，自然就成了很好的制冷物質(zhì)。沸石是一種鋁硅酸鹽礦物質(zhì)，當溫度升高時，沸石的溫度也隨之提高，解析過程開始進行，水變?yōu)樗魵鈴姆惺斨猩l(fā)出去，系統(tǒng)內(nèi)水蒸氣的壓力將會上升，當達到飽和溫度是，水蒸氣凝結(jié)成水，儲存在蒸發(fā)器中；當溫度下降沸石的溫度也降低沸石的吸附能力升高，開始吸附水蒸氣，使系統(tǒng)內(nèi)壓力降低，同時蒸發(fā)器中水不斷蒸發(fā)，吸收周圍熱量，故此達到降溫的目的。第三章 半導體制冷第1節(jié) 半導體4原子的結(jié)構(gòu)能決定物質(zhì)的導電性，導體的最外層電子極易掙脫原子核的束縛形成自由電子，再外電場的作用

21、下形成電流，一般為低價元素。高價元素原子核對外層電子束縛力強，很難形成自由電子，故導電性極差，稱為絕緣體。而半導體的導電性介于二者之間一般為四價元素，常用硅和鍺作為原料。在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導體中人為的摻入特定的雜質(zhì)元素時就能制成各種半導體電子器件，摻入的雜質(zhì)元素可使半導體在光照和熱輻射的條件下人為控制其導電性。比較典型的就是N型半導體和P型半導體。N型半導體是在純凈的硅晶體中摻入五價的元素（多為磷元素），使之取代晶體格中硅原子的位置，使半導體中自由電子濃度大于空穴濃度，如圖1-1圖1-1 N型半導體 圖1-2 P型半導體P型半導體是在純凈的硅晶體中摻入三價的元素（多為硼元素），使之取代晶體格中

22、硅原子的位置，使半導體中空穴濃度大于自由電子濃度，如圖1-2而兩種半導體的組合將會組成我們常用的電子器件，半導體制冷器便是其中一種。第2節(jié) 半導體制冷器半導體制冷器是N型半導體和P型半導體的一種結(jié)合應用（PN結(jié)），半導體制冷器是珀爾帖在制冷技術方面的應用。1、珀爾貼效應當直流電通過不同的導電材料構(gòu)成的回路時,其接觸面上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象稱為珀爾帖效應。在珀爾帖效應的進程中所產(chǎn)生的熱量，我們通常稱之為作珀爾帖熱。對珀爾帖效應的物理解釋是：電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸

23、收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。    珀爾帖效應是由法國科學家珀爾帖在1834年發(fā)現(xiàn)的，最初的發(fā)現(xiàn)是熱電致冷和致熱現(xiàn)象即溫差電效應。由N、P型材料組成一對熱電偶，當熱電偶通入直流電流后，因直流電通入的方向不同，將在電偶結(jié)點處產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象，稱這種現(xiàn)象為珀爾帖效應。2、半導體制冷的原理半導體制冷的原理是利用半導體材料的溫差效應。直流電通過由兩種不同半導體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量；如果在放熱端安裝散熱裝置，吸熱端就能通過熱量輸運制成簡單方便的新型制冷器；當改變直流電極性時，又能達到制熱的效果。3、半導體制冷器的優(yōu)點半導體制冷技術與傳統(tǒng)的制冷技術有著根本的區(qū)別，它制冷不需要壓縮機等工業(yè)儀器，所以無噪音，無磨損，故使用壽命長；它在制冷時不需要用到制冷劑，不會