制冷的方法很多,可分為物理方法和化學(xué)方法。但絕大多數(shù)為物理方法。目前人工制冷的方法主要有相變制冷(蒸發(fā)制冷)、氣體膨脹制冷和半導(dǎo)體制冷三種。
1、相變制冷 即利用物質(zhì)相變的吸熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。如1個(gè)大氣壓下,冰融化時(shí)要吸取335 kJ/kg的熔解熱(0℃),水汽化時(shí)的潛熱為2256.9 kJ/kg(100℃);同樣是水,在874 Pa的壓力下汽化時(shí),可達(dá)到5℃的飽和溫度,汽化潛熱為2489.8 kJ/kg;氨在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣化時(shí)要吸取1369.1 kJ/kg的氣化潛熱(-33.4℃);干冰在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下升華要吸取137kcal/kg的熱量,其升華溫度為-78.9℃。目前干冰制冷常被用在人工降雨和醫(yī)療上。因此,只要選擇適當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)、創(chuàng)造一定的壓力條件,就可以利用物體的相變獲得所要求的溫度。
目前相變制冷中應(yīng)用得最多的是利用液體的汽化吸熱的特性來實(shí)現(xiàn),即為蒸汽制冷。蒸汽制冷可分為蒸汽壓縮式、蒸汽噴射式和吸收式三種類型。以種應(yīng)用最為廣泛。
2.氣體膨脹制冷 利用高壓氣體通過節(jié)流閥或膨脹機(jī)絕熱膨脹時(shí),對(duì)外輸出膨脹功,同時(shí)溫度降低,達(dá)到制冷的目的。與蒸汽制冷相比,氣體膨脹制冷是一種沒有相變的制冷方式,通常多以空氣作為工質(zhì),所以也稱為空氣膨脹制冷。構(gòu)成這種制冷方式的循環(huán)系統(tǒng)稱為理想氣體的逆向循環(huán)系統(tǒng)。最早出現(xiàn)的空氣制冷機(jī)采用定壓循環(huán)。
氣體逆向循環(huán)是利用氣體吸收顯熱實(shí)現(xiàn)制冷的,因?yàn)闅怏w的比熱容很小,單位制冷量很小,一般情況下要求氣體的流量大,循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性較低,所以后來氣體膨脹制冷逐漸被蒸汽壓縮式制冷所取代?,F(xiàn)在它主要用于飛機(jī)機(jī)艙的冷卻降溫,而且在循環(huán)上也有較大改進(jìn)。
3. 氣體渦流制冷 高壓氣體經(jīng)渦流管膨脹后即可分離為熱、冷兩股氣流。(1931年法國(guó)蘭克)
4.半導(dǎo)體制冷(熱電制冷) 1834年,法國(guó)物理學(xué)家帕爾帖發(fā)現(xiàn)了熱電制冷和制熱效應(yīng)。(我們知道,由兩種不同導(dǎo)體組成的一個(gè)閉合環(huán)路,如圖所示,A、B分別表示兩種不同的導(dǎo)體,當(dāng)其中一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)被加熱(稱為熱端),另一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)被冷卻(稱為冷端)時(shí),也就是兩個(gè)聯(lián)接點(diǎn)有溫差存在時(shí),便在環(huán)路中產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì),稱為溫差電動(dòng)勢(shì),其大小與導(dǎo)體的性質(zhì)及兩個(gè)聯(lián)接點(diǎn)的溫差有關(guān)。對(duì)于兩種導(dǎo)體,當(dāng)冷端溫度一定時(shí),電動(dòng)勢(shì)的大小只與熱端的溫度有關(guān)。根據(jù)這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的大小,就可以確定熱端周圍介質(zhì)的溫度。這種熱電效應(yīng)又叫溫差電效應(yīng),也就是我們通常用來測(cè)量溫度的熱電偶原理。相反,如果在電路中通入電流,則一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)的溫度就會(huì)降低成為吸熱端(冷端),而另一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)的溫度會(huì)上升成為放熱端(熱端),這樣就形成了熱電制冷和制熱的效應(yīng)。)珀?duì)柼?yīng)告訴我們:兩種不同金屬組成的閉合電路中接上一個(gè)直流電源時(shí),則一個(gè)接合點(diǎn)變冷,另一個(gè)接合點(diǎn)變熱。但是純金屬的珀?duì)柼?yīng)很弱,且熱量通過導(dǎo)線對(duì)冷熱端有相互干擾,而用兩種半導(dǎo)體(N型和P型)組成的直流閉合電路,則有明顯的珀?duì)柼?yīng)且冷熱端無相互干擾。因此,半導(dǎo)體制冷就是利用半導(dǎo)體的溫差電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷的。
熱電制冷的系統(tǒng)和過程不同于另外兩種制冷方式,它不需要借助工質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移,整個(gè)裝置沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,運(yùn)行中沒有噪聲,設(shè)備體積小,便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,但耗電量大,制冷量小,能夠獲得的溫差也不大。目前溫差電制冷只用在小型制冷器中,如電子計(jì)算機(jī)恒溫冷卻、精密測(cè)量?jī)x器的冷源及精密機(jī)床的油箱冷卻器等等,都是溫差電制冷。
利用物理現(xiàn)象制冷的方法還有很多,我們不一一介紹。綜合上述,目前生產(chǎn)實(shí)際中廣泛應(yīng)用的制冷方法是:利用液體的氣化實(shí)現(xiàn)制冷,這種制冷常稱為蒸氣制冷。我們將重點(diǎn)學(xué)習(xí)它。
它的類型有:蒸汽壓縮式制冷(消耗機(jī)械能)、吸收式制冷(消耗熱能)和蒸汽噴射式制冷(消耗熱能)三種。
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