第三節(jié)其他形式的制冷循環(huán)

1、 制 冷 原 理 與 技 術第三節(jié)第三節(jié) 其他形式的制冷循環(huán)其他形式的制冷循環(huán)2.3.1 2.3.1 空氣制冷空氣制冷.2 熱電制冷熱電制冷 熱電制冷的原理熱電制冷的原理 熱電制冷的特性分析熱電制冷的特性分析 多級熱電堆多級熱電堆.3 蒸氣噴射式制冷循環(huán)蒸氣噴射式制冷循環(huán) 制 冷 原 理 與 技 術2.3.1 2.3.1 空氣制冷空氣制冷歷史上第一次實現(xiàn)的氣體制冷機是以空氣歷史上第一次實現(xiàn)的氣體制冷機是以空氣作為工質的，并且稱為空氣制冷機作為工質的，并且稱為空氣制冷機壓縮式

2、空氣制冷機的工作過程也是包括壓縮式空氣制冷機的工作過程也是包括等等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及及等壓吸熱等壓吸熱四個過程四個過程 這與蒸汽壓縮式制冷機的四個工作過程相這與蒸汽壓縮式制冷機的四個工作過程相近，其區(qū)別在于工質在循環(huán)過程中不發(fā)生近，其區(qū)別在于工質在循環(huán)過程中不發(fā)生集態(tài)改變集態(tài)改變 圖圖2-1622-162 無回熱空氣制冷機系統(tǒng)圖無回熱空氣制冷機系統(tǒng)圖 -壓縮機壓縮機 -冷卻器冷卻器 -膨脹機膨脹機 -冷箱冷箱 圖圖2-1632-163 無回熱空氣制冷機無回熱空氣制冷機 理論循環(huán)的理論循環(huán)的p-Vp-V圖與圖與T-sT-s圖圖 制 冷 原 理 與 技 術NEX

3、T 制 冷 原 理 與 技 術 圖圖2-1622-162示出無回熱空氣制冷機系統(tǒng)圖示出無回熱空氣制冷機系統(tǒng)圖 圖圖2-1632-163所示是冷箱中制冷溫度是環(huán)境所示是冷箱中制冷溫度是環(huán)境介質的溫度介質的溫度1-21-2是等熵壓縮過程是等熵壓縮過程2-32-3是等壓冷卻過程是等壓冷卻過程3-43-4是等熵膨脹過程是等熵膨脹過程4-14-1是在冷箱中的等壓吸熱過程是在冷箱中的等壓吸熱過程 制 冷 原 理 與 技 術 現(xiàn)在進行理論循環(huán)的性能計算，單位制現(xiàn)在進行理論循環(huán)的性能計算，單位制冷量及冷卻器的冷量及冷卻器的 單位熱負荷單位熱負荷 分別是：分別是：)(41410TTchhqp)(3232TTch

4、hqpc(2-144) (2-145) 單位壓縮功單位壓縮功 和和 膨脹功膨脹功 分別是：分別是：)(1212TTchhwpc)(4343TTchhwpe(2-146) (2-147) 制 冷 原 理 與 技 術從而可計算出循環(huán)消耗的從而可計算出循環(huán)消耗的 單位功單位功 及及 制熱系數制熱系數： )()(4312TTcTTcwwwppec)()()(4312410TTcTTcTTcwqppp(2-149) (2-148) 若不計比熱隨溫度的變化，并注意到若不計比熱隨溫度的變化，并注意到 kkcppTTTT104312)( 制 冷 原 理 與 技 術則上式可簡化為：則上式可簡化為：4341211

5、01)(1TTTTTTppkkc(2-150) )()()(4312410TTcTTcTTcwqpppkkcppTTTT104312)(2-149) 制 冷 原 理 與 技 術 因為熱源溫度是恒值，此時比較標準循環(huán)因為熱源溫度是恒值，此時比較標準循環(huán)應當是可逆卡諾循環(huán)，其應當是可逆卡諾循環(huán)，其 制冷系數制冷系數 為：為：131TTTc因此上述理論循環(huán)的因此上述理論循環(huán)的 熱力完善熱力完善 度為：度為：020113121)(TTTTTTTTTTcc (2-151) 顯然，永遠顯然，永遠ccTT2圖圖2-164 2-164 無回熱空氣制冷機實際循環(huán)無回熱空氣制冷機實際循環(huán) 制 冷 原 理 與 技

6、術 圖圖2-1642-164中中 1-2s-3-4s-11-2s-3-4s-1 為實際循環(huán)，而為實際循環(huán)，而循環(huán)循環(huán) 1-2a-3-4a-11-2a-3-4a-1 可認為是只考慮換熱端部可認為是只考慮換熱端部溫差，這樣計算的溫差，這樣計算的 實際循環(huán)的制冷系數實際循環(huán)的制冷系數 為：為：scsesescsescsepryyxxyyyxx1111(2-152) 制 冷 原 理 與 技 術由上式可以看出，在由上式可以看出，在 給定的情況下，必然有一個最佳值給定的情況下，必然有一個最佳值 最大。最大。 00,TTTTcc141214341243) 1() 1()()(TTTTTTTTTTcTTcya

7、aaaapap(2-153) 稱為循環(huán)的稱為循環(huán)的 特性系數特性系數 。而。而 13/TTx 上式中：上式中：propiy 制 冷 原 理 與 技 術為此對式為此對式(2-152)(2-152)，求導，并令，求導，并令 可得：可得：0)(prdydscscscopixxxxxxxxy11)1)(11(11(2-154) 因為與壓力比因為與壓力比y y的關系為：的關系為：kkcaappxTTTTTTy10341314)(2-155) 制 冷 原 理 與 技 術則按式則按式(2-154)(2-154)可求出最佳壓力比：可求出最佳壓力比：10)()(kkopiopicyxpp(2-156) 在分析理

8、論循環(huán)時，認為提高循環(huán)在分析理論循環(huán)時，認為提高循環(huán)經濟性應采用盡可能小的壓比。但對于經濟性應采用盡可能小的壓比。但對于實際循環(huán)存在最佳壓力比，此時制冷系實際循環(huán)存在最佳壓力比，此時制冷系數最高。數最高。 制 冷 原 理 與 技 術.2 熱電制冷熱電制冷 熱電制冷的原理熱電制冷的原理 熱電制冷熱電制冷( (亦名溫差電制冷、半導體制冷或亦名溫差電制冷、半導體制冷或電子制冷電子制冷) )是以溫差電現(xiàn)象為基礎的制冷方法，是以溫差電現(xiàn)象為基礎的制冷方法，它是利用它是利用“塞貝克塞貝克”效應的逆反應效應的逆反應珀爾帖珀爾帖效應的原理達到制冷目的。效應的原理達到

9、制冷目的。 塞貝克效應塞貝克效應就是在兩種不同金屬組成的閉就是在兩種不同金屬組成的閉合線路中，如果保持兩接觸點的溫度不同，就合線路中，如果保持兩接觸點的溫度不同，就會在兩接觸點間產生一個電勢差會在兩接觸點間產生一個電勢差接觸電動接觸電動勢勢。同時閉合線路中就有電流流過，稱為溫差。同時閉合線路中就有電流流過，稱為溫差電流。反之，在兩種不同金屬組成的閉合線路電流。反之，在兩種不同金屬組成的閉合線路中，若通以直流電，就會使一個接點變冷，一中，若通以直流電，就會使一個接點變冷，一個變熱，這稱為個變熱，這稱為珀爾貼效應珀爾貼效應，亦稱，亦稱溫差電現(xiàn)象溫差電現(xiàn)象 制 冷 原 理 與 技 術NEXT 制 冷

10、 原 理 與 技 術 半導體材料內部結構的特點，決定了它產半導體材料內部結構的特點，決定了它產生的溫差電現(xiàn)象比其他金屬要顯著得多，所以生的溫差電現(xiàn)象比其他金屬要顯著得多，所以熱電制冷都采用半導體材料，亦稱熱電制冷都采用半導體材料，亦稱半導體制冷半導體制冷 圖圖2-1652-165所示，當電偶通以直流電流時，所示，當電偶通以直流電流時，P P型半導體內載流子型半導體內載流子( (空穴空穴) )和和N N型半導體內載流型半導體內載流子子( (電子電子) )在外電場作用下產生運動，并在金屬在外電場作用下產生運動，并在金屬片與半導體接頭處發(fā)生能量的傳遞及轉換。片與半導體接頭處發(fā)生能量的傳遞及轉換。 如

11、果將電源極性互換，則電偶對的制冷端如果將電源極性互換，則電偶對的制冷端與發(fā)熱端也隨之互換。與發(fā)熱端也隨之互換。 制 冷 原 理 與 技 術 當電偶對通以直流電當電偶對通以直流電I I 時，因珀爾貼效時，因珀爾貼效應產生的應產生的 吸熱量吸熱量 與電流與電流I I 成正比成正比 式中式中 珀爾貼系數珀爾貼系數IQ(2-157) 它與導體的物理化學性質有關，可按下式計算它與導體的物理化學性質有關，可按下式計算cNPT)(2-158) 制 冷 原 理 與 技 術 當電流通過電偶對時，熱電元件內還要當電流通過電偶對時，熱電元件內還要放出焦耳熱。放出焦耳熱。焦耳熱焦耳熱 與電流的平方成正比，與電流的平方

12、成正比，即即 ：RIQj2(2-159) 式中式中R R 為熱電元件的電阻。若電偶臂的為熱電元件的電阻。若電偶臂的長度為長度為L L , ,電阻率為電阻率為 及及 ，截面積為，截面積為 ，則，則1221,ss)(2211ssLR(2-160) 計算證明，有一半的焦耳熱傳給熱電計算證明，有一半的焦耳熱傳給熱電元件的冷端，引起制冷效應降低。元件的冷端，引起制冷效應降低。 制 冷 原 理 與 技 術 除了焦耳熱以外，由于半導體的導熱，從除了焦耳熱以外，由于半導體的導熱，從電堆熱端還要傳給冷端一定的電堆熱端還要傳給冷端一定的 熱量熱量 ：kQ)(chkTTkQ(2-161)式中式中k k 長長L L

13、的熱電元件的熱電元件 總導熱系數總導熱系數 若兩電偶臂的導熱系數及截面積分別為若兩電偶臂的導熱系數及截面積分別為 及及 則：則：21,21,ss)(12211ssLk(2-162) 制 冷 原 理 與 技 術電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克電偶對工作時，電源既要對電阻做功，又要克服熱電勢做功，故消耗的服熱電勢做功，故消耗的 功率功率 為為 ITTRIwchNP)(2(2-164)因此電偶對的因此電偶對的 制冷系數制冷系數 可以表示為：可以表示為： ITTRITTkRIITchNPchcNP)()(5 . 0)(22(2-165) 因此，電偶對因此，電偶對 的制冷量的制冷量 應為珀爾貼熱

14、量應為珀爾貼熱量與傳回冷端的焦耳熱量和導熱量之差，即：與傳回冷端的焦耳熱量和導熱量之差，即： )(21)(20chcNPTTkRIITQ(2-163) 制 冷 原 理 與 技 術 熱電制冷的特性分析熱電制冷的特性分析 在電流在電流I I 為某一定值的情況下，令為某一定值的情況下，令 ，由式由式(2-163)(2-163)得：得： 00Q5 . 0)(12RIITkTTcNPch可見最大溫差的大小與電流的大小有關?？梢娮畲鬁夭畹拇笮∨c電流的大小有關。 (2-166) 制 冷 原 理 與 技 術 將上式對將上式對I I 取偏倒數，并令其等于零，就取偏倒數，并令其等于零

15、，就可以求出可以求出 最佳電流值最佳電流值 與其對應的與其對應的 最大溫降最大溫降: : RTIcNPopt)(RkTTTcNPch2)()(22max將式將式(2-160)(2-160)及及(2-162)(2-162)代入式代入式(2-168)(2-168)得得: : )()(21)(2211221122maxssssTTTcNPch(2-167)(2-168)(2-169) 制 冷 原 理 與 技 術 若兩電偶臂的若兩電偶臂的幾何尺寸相同幾何尺寸相同( ( ) )具有相同的具有相同的 導熱系數導熱系數 及相同的及相同的 電阻率電阻率 ，則式（，則式（2-1692-169）變?yōu)椋┳優(yōu)?1ss

16、 21214)(21)2(2)(21)(2222maxcNPcNPchTssTTT或或 4)(21)(22cNPamxchrTTT(2-170)(2-171)式中式中 熱電元件材料的熱電元件材料的 電導率電導率er/1 制 冷 原 理 與 技 術若若 ，則，則 Np22max21)(cchTrTT(2-172)由此可見由此可見: : 熱電制冷的熱電制冷的 最大溫差最大溫差取決于材取決于材料的料的 組成的一個綜合參數及冷端溫組成的一個綜合參數及冷端溫度度 。此綜合參數稱為制造電偶對材料的。此綜合參數稱為制造電偶對材料的優(yōu)質系數優(yōu)質系數Z Z ，即，即 ,rcTrZ2(2-173) 制 冷 原 理

17、 與 技 術 下面再來分析電堆的制冷系數與供給熱電下面再來分析電堆的制冷系數與供給熱電堆的電流值的關系。將式堆的電流值的關系。將式(2-165)(2-165)對電流取偏對電流取偏倒數，并令其等于零，得到倒數，并令其等于零，得到 與最大制冷系數與最大制冷系數相對應的電流及電壓值相對應的電流及電壓值 ) 1()(MRTTIchNPopt1)()(MTTMTTRIUchNPchNPoptopt(2-174)(2-175) 制 冷 原 理 與 技 術1maxMTTMTTTchchc式中式中 21)(5 . 01 chTTZM(2-176)故制冷系數故制冷系數 與溫差與溫差 以及材料以及材料優(yōu)質系數優(yōu)質

18、系數Z Z有顯著關系。有顯著關系。chTT 制 冷 原 理 與 技 術 多級熱電堆多級熱電堆 一對電偶的制冷量是很小的，如一對電偶的制冷量是很小的，如6xL76xL7的電偶對的電偶對, ,其制冷量僅為其制冷量僅為kJ/h4.2kJ/h 為了獲得較大的冷量可將很多對電偶對為了獲得較大的冷量可將很多對電偶對串聯(lián)成熱電堆，稱串聯(lián)成熱電堆，稱單級熱電堆單級熱電堆 單級熱電堆在通常情況下只能得到大約單級熱電堆在通常情況下只能得到大約5050的溫差。為了得到更低的冷端溫度，可的溫差。為了得到更低的冷端溫度，可用串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)的方法組出用串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)

19、的方法組出多級熱電多級熱電堆堆，圖圖2-1662-166示出多級熱電堆的結構型式。示出多級熱電堆的結構型式。 電絕緣導熱層 電絕緣導熱層 I2 I I I1 圖圖2-1662-166 多級熱電堆的結構型式多級熱電堆的結構型式 a) a) 串聯(lián)二級熱電堆串聯(lián)二級熱電堆 b) b) 并聯(lián)二級熱電堆并聯(lián)二級熱電堆 c) c) 串并聯(lián)三級熱電堆串并聯(lián)三級熱電堆 制 冷 原 理 與 技 術 半導體制冷設備的特點及應用半導體制冷設備的特點及應用 1 1、半導體制冷設備的特點及應用、半導體制冷設備的特點及應用 不用制冷劑不用制冷劑 無機械傳動部分無機械傳動部分 冷卻速度和制冷溫可任意調節(jié)冷卻速度和制冷溫可任

20、意調節(jié) 可將冷熱端互換可將冷熱端互換 體積和功率都可做得很小體積和功率都可做得很小 制 冷 原 理 與 技 術2 2、半導體制冷的用途、半導體制冷的用途 方便的可逆操作方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低溫冰箱可做成家用冰箱，或小型低溫冰箱可制成低溫醫(yī)療器具可制成低溫醫(yī)療器具可對儀器進行冷卻可對儀器進行冷卻 可做成零點儀可做成零點儀 制 冷 原 理 與 技 術.3 蒸氣噴射式制冷循環(huán)蒸氣噴射式制冷循環(huán) 蒸氣噴射式制冷機只用單一物質為工質蒸氣噴射式制冷機只用單一物質為工質 雖然從理論上談可應用一般的制冷劑作為雖然從理論上談可應用一般的制冷劑作為工質工質, ,但到目前為止，只有

21、以水為工質的蒸氣但到目前為止，只有以水為工質的蒸氣噴射式制冷機得到實際應用。噴射式制冷機得到實際應用。 當用水為工質所制取的低溫必須在當用水為工質所制取的低溫必須在00以以上，故蒸氣噴射式制冷機目前只用于空調裝置上，故蒸氣噴射式制冷機目前只用于空調裝置或用來制備某些工藝過程需要的冷媒水?；蛴脕碇苽淠承┕に囘^程需要的冷媒水。 制 冷 原 理 與 技 術NEXTP1 T1 Pk Tk P0 T0 P0T1 T s 圖圖2-168 2-168 蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)的溫熵圖蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)的溫熵圖 蒸氣噴射式制冷機的工作過程也可以表示在溫熵蒸氣噴射式制冷機的工作過程也可以表示在溫熵圖上。如圖圖上。如圖2-1682-168所示。圖中實線表示理想循