几种制冷技术机理的研究

邯郸学院本科毕业论文题 目 几种制冷技术机理的研究学 生 张晶指导教师 郑燕 讲师年 级 2009 级专 业 物理学二级学院 物理与电气工程系（系、部）邯郸学院 物理与电气工程系2011 年 5 月郑重声明本人的毕业论文是在指导教师郑燕老师的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文作者（签名）：年 月 日I摘 要 本文详细阐述了四种不同的制冷技术，即吸收式制冷、激光制冷、半导体制冷、磁制冷。在阐述这四种制冷技术机理的同 时对它们各自的特点、 应用领域、研究现状和未来的 发展前景作了简单的介绍并将其作了优略比较。关键词 吸收式制冷 激光制冷 半导体制冷 磁致冷IIMechanism of several refrigeration technologyZhang Jing Driected by Lecturer. Zheng YanAbstract This paper describes four different types of refrigeration technology, the absorption chiller, laser cooling, semiconductor refrigeration, magnetic refrigeration. In explaining the mechanism of the four while cooling technology and their features, applications, current status and future prospects are briefly made them excellent introduction to a little comparison.Key Words Absorption refrigeration Laser cooling Semiconductor refrigeration Magnetic refrigeration 目 录摘 要 .IAbstract .II1 引言 .12 背景介绍 .13 吸收式制冷 .13.1 吸收式制冷的原理 .13.2 吸收式制冷技术的应用 .24 激光制冷 .24.1 激光制冷原理 .24.2 数学表述 .34.3 激光制冷技术的发展与现状 .35 半导体制冷 .45.1 半导体制冷原理及特点 .45.2 半导体制冷技术的应用 .56 磁制冷 .56.1 磁制冷的基本原理 .56.2 磁热效应（MCE）的表征参数及测试方法 .66.3 磁制冷机的研究进展 .76.4 开发磁制冷技术需解决的问题 .77 四种制冷技术优略的比较 .87.1 原理及制冷效率的比较 .87.2 材质及制冷装置的比较 .87.3 应用领域的比较 .87.4 四种不同制冷技术的特点 .88 展望 .9参考文献 .9致 谢 .101几种制冷技术机理的研究1 引言随着科学技术的发展,制冷技术已渗透到从日常生活到衣、食、住、行到尖端科技的各个领域。100 多年来,新的制冷技术层出不穷、飞速发展,本文将简单介绍目前的主流制冷技术。由于对环境保护的需要和不同行业对制冷的不同要求，制冷业也开始走向多元化。为了解决以上问题，制冷业在近几年有了很大的发展，吸收式制冷利用热源作为制冷原动力无噪音、寿命长。激光制冷技术在空间技术和航空航天领域有着独特的优势。半导体制冷适用于许多高新尖技术领域，磁制冷在极低温下发挥了很好的作用。制冷行业的发展正在不断满足我们社会发展的不同需求。2 背景介绍制冷技术的发展史分为三个阶段。第一阶段(从l830年一l930年)：主要采取 、3NH、 、空气等自然物质作为制冷剂，在制冷工艺中主要采取蒸汽压缩制冷，卡诺HCS2O逆循环在其中得到了很大的应用，该阶段持续了一百年之久。随着CFCS和HCFCS作为制冷剂(即氟里昂)使用，进入了制冷技术发展的第二个阶段(从l930年一l990年)。在这一阶段一系列适应不同工作温度范围的氟里昂制冷剂迅速应用到制冷领域，大大促进了制冷和空调技术的发展。然而科学研究表明，人类活动排入大气中的一些溴氯氟烷烃等化学物质进入臭氧层与臭氧发生化学反应，将导致臭氧损耗，也就是说广泛用于冰箱和空调制冷的氟里昂对臭氧层的破坏作用是不可忽略的。臭氧层中臭氧含量的减少，导致大量的紫外线毫无阻挡地照射到地表，严重损害动植物的基本结构，降低生物生产量，导致气候和生态环境发生异变，尤其是对人体健康造成重大损害。鉴于以上原因，各国开始计划淘汰氟利昂的使用，并不断的开发和鼓励使用新的制冷挤、研发新的制冷技术。本文将1990年到现在制冷技术的发展视为第三个历史阶段。这一阶段，为了解决环境问题和适应不同制冷行业的需求，出现了新的制冷剂和新的制冷技术。本文除了介绍传统的吸收式制冷，还将重点介绍磁致冷和半导体制冷。3 吸收式制冷吸收式制冷是利用液态制冷剂在低温、低压条件下，蒸发、汽化吸收载冷剂的热负荷，产生制冷效应，因此被称为吸收式制冷。3.1 吸收式制冷的原理由克拉珀龙方程可知,沸点和压强之间一般存在如下关系:沸点随压强的增加而升高,随压强的减小而降低。根据这一特性人们制造出了一种吸收式制冷机,现在以一款常见机型说明其原理。在发生器内加热氨水浓溶液,分解出氨气和部分水蒸气(图1) ,通过热虹吸管进入汽液分离器。分离出的稀溶液重新返回吸收器,氨气和部分水蒸气则沿管道上升。水蒸气通过精馏器时被冷凝分离然后返回发生器,氨气则继续上升至冷凝器冷凝成液态氨。液氨流入蒸发器,与其中的高压氢气相遇。在蒸发器内一定的总压力下,氨的分压力骤然下降,液态氨立即沸腾、蒸发吸热,使机内温度下降。蒸发的氨气扩散到氢气中,形成氨氢混合气体,并沿气体热交换器管道向下流动进入吸收器。吸收器中的氨被由汽液分离器返回的氨- 水稀溶液所吸收,变成氨水浓溶液流回发生器。剩下的氢气由于密度小,便向上流回蒸发器。如此不断循环,便获得了连续的制冷效果。2吸收式制冷机的最大特点是利用热源作为制冷原动力,因吸收式制冷机没有压缩机,所以无噪音、寿命长、不易发生故障。但在使用时机器一定要水平放置,周围应留有足够空间散热,环境温度也不能太高,否则会影响制冷效果。3.2 吸收式制冷技术的应用吸收式制冷与蒸汽压缩制冷的原理相同，都是利用液态制冷剂在低温，低压条件下，蒸发，汽化吸收载冷剂的热负荷，产生制冷效应。不同的是，吸收式制冷是利用制冷剂与吸收剂组成的二元溶液为工质对完成制冷循环的，可供考虑使用的制冷剂与吸收剂溶液很多，但较为常用的只有氨水溶液，溴化锂水溶液。由于氨具有刺激性臭味，且氨水吸收式制冷机热效率低，体积庞大，故一般用于工业工艺过程。目前，应用最广泛的就是溴化锂吸收式机组。吸收式制冷所需的驱动能源是热能，可以为蒸汽，燃料的燃烧热，热水，工业或生活余热，太阳能，地热能等。随着吸收式制冷研究的进展，技术的不断进步与国家能源结构的调整，溴化锂吸收式机组的应用主要集中在热电冷联产、直燃型吸收式冷热水机组、蒸汽型吸收式冷水机组、热水型吸收式冷水机组、太阳能吸收式机组等方面。4 激光制冷激光制冷技术利用了反斯托克斯荧光制冷。可以产生反斯托克斯荧光的材料必须具有发光中心，发光中心是指在某种条件下能够发射光子的原子、分子、离子和缺陷，这些发光中心吸收能量较低的光子，然后发射能量更高的荧光光子，两种光子之间的能量差来自材料的热激发，而这种能差会随着荧光的反斯托克斯发射将能量从材料带走，从而实现了对材料的制冷。这种吸收能量较低的光子后发射能量较高的光子的过程称为反斯托克斯荧光过程，所发射的荧光称为反斯托克斯荧光。4.1 激光制冷原理激光制冷利用高相干、高单色性和高能量密度的激光作为激发光进行泵浦，如图1 所示，这个过程可以描述如下：当发光中心受到光激发，从基态跃迁到激发态的较低能态子能级；激发态的Stark 劈裂能级间的距离最大只有几个kT，k为玻耳兹曼常数，T为制冷时的绝对温度。由于激发跃迁，激发态劈裂能级间的热平衡被破坏，在极其短暂的时间内(几个皮秒或更快)，这些劈裂能级通过吸收声子，重新达到热平衡；处于激发态的粒子会快速以辐射跃迁的方式弛豫到基态能量较低的劈裂能级，荧光辐射弛豫一般发生于纳秒到毫秒量级的时间尺度内，比激发态之间的热平衡要慢得多；由于辐射跃迁，基态劈裂能级间的热平衡也被破坏，发生与过程相似的热弛豫。热交换器发生器气液分离器精馏器蒸发器吸收器图 氨水的吸收式制冷图3图4.1 原子的荧光制冷过程示意图Fig.1 Diagram of the atomic processes that produce Fluorescent cooling由于发射的荧光光子的平均能量比吸收的激发光子的平均能量大，这个能量差就是受激能级之间达到热平衡所需要的热吸收，并且被固体材料所发射的荧光带走，造成了制冷效应。半导体材料激光制冷的基本原理与此略有差异 1：泵浦光子与半导体材料相互作用产生冷的自由载流子（电子与空穴），然后在极短的时间内（皮秒量级），自由电子与空穴通过声子散射吸收材料晶格内部的热量，这样冷的自由载流子就转变为热的自由载流子，最后热的载流子通过复合形成能量更高的光子放出，从而实现了半导体材料的激光冷却。通过反斯托克斯荧光发射对介质材料进行激光制冷必须具备以下条件：材料具有光致发光的荧光中心；长波长的光为激发光，短波长的光为发射光；发光中心的辐射跃迁的量子效率接近100%，即要求介质具备比较宽的能级间距，具有非常高的纯净度，从而抑制无辐射驰豫所引起的热效应；基态和激发态中的多重态间的能量间距需较小，保证多重态在平衡受扰动时能以声子形式吸热而迅速恢复平衡；泵浦激发波长的选择要尽可能调谐到材料吸收光谱的红边，以便发生有效的反斯托克斯荧光过程 2。4.2 数学表述在理想情况下，当原子在从激发态到基态之间跃迁的过程中没有以非辐射方式损失能量，根据能量守恒定律，原子每吸收一个泵浦光光子，就产生一个荧光光子，并且该荧光光子的平均能量等于损失的热能加上泵浦光子的能量。于是，荧光制冷功率 与吸收的泵浦光功率 有以下关Pcol Pabs系：FPabsPcolp（4.1）式中： 是泵浦光子的波长； 是有效平均出射荧光波长。激光冷却的效率可以定义为：PFPabscolcol （4.2）计算实际的制冷效率时还要考虑量子效率和非辐射跃迁引起的寄生产热 3。Fluoresence emissionPhotonabsorptionExcited stateHeatabsorptionGround state44.3 激光制冷技术的发展与现状1929 年, Pringsheim 最先提出了通过反斯托克斯荧光对材料进行制冷的思想。1946 年，著名物理学家朗道根据热力学原理，证明利用反斯托克斯荧光对材料进行制冷是可行的。随着激光器的发明，利用激光作为光源进行反斯托克斯荧光制冷成为了可能。1968 年, Kushida 和Geusic 在贝尔实验室利用Nd3+:YAG 激光器泵浦另外一块Nd3+:YAG 样品，但是由于技术和条件上的限制，同时由于Nd3+离子在激光的激发态能级的附近存在着一些其他的4f 带，促进了无辐射跃迁的发生，因此，没有观察到制冷效果。1981 年，N. Dieu 等人利用 激光器激发 气体，使其动态跃迁，首次在实验中观察2CO2到了气体的反斯托克斯荧光制冷现象。1995 年，激光制冷在实验上获得了历史性的进展，美国 LosAlamos 国家实验室的 Epstein 等人，利用掺杂 重金属氟化物玻璃 ZBLANP 进行激光冷却，实验得到了相对于室温 0.3K 的降温，3Yb从而第一次得到了净制冷的激光冷却。此后，该小组又利用此种重金属氟化物玻璃相继获得了相对于室温 16K、21K、65K、90K 的温降。除了重金属氟化物玻璃，在实验上还观察到了掺杂 的其他基质材料的激光冷却现象，例如，3Yb以KGd 晶体、YAG晶体、等为基质材料。同时，利用其他材料的激光冷却也获得了很大进展，24)(wo分别实现了 离子掺杂的固体材料、液体染料激光材料以及半导体材料的激光制冷实验。3Tm5 半导体制冷半导体制冷( Semiconductor ref refrigeration)、电子制冷、温差制冷或者热电制冷,是上世纪60 年代后迅速发展起来的一项制冷技术。与普通制冷技术不同,半导体制冷不采用压缩机和制冷剂,不依赖制冷剂的相变传递热量,在直流电流通过具有热电转化效应的导体组成的回路时,利用热量转移特性制冷,是一种科技含量高的全新制冷技术。半导体制冷系统无压缩机和制冷工质、结构简单、成本低、寿命长、绿色环保,工作过程无振动、无噪音,也不必担心工质泄露破坏大气层,目前已在低温超导技术、低温生物学、低温外科学,低温电子学,通讯技术,红外技术,激光技术