半导体制冷原理课件.ppt

1、 制 冷 原 理 与 技 术第三节第三节 其他形式的制冷循环其他形式的制冷循环2.3.1 2.3.1 空气制冷空气制冷2.3.2 2.3.2 热电制冷热电制冷2.3.2.1 2.3.2.1 热电制冷的原理热电制冷的原理2.3.2.2 2.3.2.2 热电制冷的特性分析热电制冷的特性分析 2.3.2.3 2.3.2.3 多级热电堆多级热电堆2.3.3 2.3.3 蒸气喷射式制冷循环蒸气喷射式制冷循环 1 制 冷 原 理 与 技 术2.3.1 2.3.1 空气制冷空气制冷历史上第一次实现的气体制冷机是以空气历史上第一次实现的气体制冷机是以空气作为工质的，并且称为空气制冷机作为工质的，并且称为空气制

2、冷机压缩式空气制冷机的工作过程也是包括压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及及等压吸热等压吸热四个过程四个过程 这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相近，其区别在于工质在循环过程中不发生近，其区别在于工质在循环过程中不发生集态改变集态改变 2 图图2-162 2-162 无回热空气制冷机系统图无回热空气制冷机系统图 -压缩机压缩机 -冷却器冷却器 -膨胀机膨胀机 -冷箱冷箱 图图2-1632-163 无回热空气制冷机无回热空气制冷机 理论循环的理论循环的p-Vp-V图与图与T-sT-s图图3 制 冷 原 理

3、 与 技 术NEXT4 制 冷 原 理 与 技 术 图图2-1622-162示出无回热空气制冷机系统图示出无回热空气制冷机系统图 图图2-1632-163所示是冷箱中制冷温度是环境介质所示是冷箱中制冷温度是环境介质的温度的温度1-21-2是等熵压缩过程是等熵压缩过程2-32-3是等压冷却过程是等压冷却过程3-43-4是等熵膨胀过程是等熵膨胀过程4-14-1是在冷箱中的等压吸热过程是在冷箱中的等压吸热过程5 制 冷 原 理 与 技 术 现在进行理论循环的性能计算，单位制冷现在进行理论循环的性能计算，单位制冷量及冷却器的量及冷却器的 单位热负荷单位热负荷 分别是：分别是：)(41410TTchhq

4、p)(3232TTchhqpc(2-144) (2-145) 单位压缩功单位压缩功 和和 膨胀功膨胀功 分别是：分别是：)(1212TTchhwpc)(4343TTchhwpe(2-146) (2-147) 6 制 冷 原 理 与 技 术从而可计算出循环消耗的从而可计算出循环消耗的 单位功单位功 及及 制热系数制热系数： )()(4312TTcTTcwwwppec)()()(4312410TTcTTcTTcwqppp(2-149) (2-148) 若不计比热随温度的变化，并注意到若不计比热随温度的变化，并注意到 kkcppTTTT104312)(7 制 冷 原 理 与 技 术则上式可简化为：则

5、上式可简化为：434121101)(1TTTTTTppkkc(2-150) )()()(4312410TTcTTcTTcwqpppkkcppTTTT104312)(2-149) 8 制 冷 原 理 与 技 术 因为热源温度是恒值，此时比较标准循环应因为热源温度是恒值，此时比较标准循环应当是可逆卡诺循环，其当是可逆卡诺循环，其 制冷系数制冷系数 为：为：131TTTc因此上述理论循环的因此上述理论循环的 热力完善热力完善 度为：度为：020113121)(TTTTTTTTTTcc (2-151) 显然，永远显然，永远ccTT29图图2-164 2-164 无回热空气制冷机实际循环无回热空气制冷机

6、实际循环10 制 冷 原 理 与 技 术 图图2-1642-164中中 1-2s-3-4s-11-2s-3-4s-1 为实际循环，而循环为实际循环，而循环 1- 1-2a-3-4a-12a-3-4a-1 可认为是只考虑换热端部温差，这样可认为是只考虑换热端部温差，这样计算的计算的 实际循环的制冷系数实际循环的制冷系数 为：为：scsesescsescsepryyxxyyyxx1111(2-152) 11 制 冷 原 理 与 技 术由上式可以看出，在由上式可以看出，在 给定的情况下，必然有一个最佳值给定的情况下，必然有一个最佳值 最大。最大。 00,TTTTcc141214341243) 1()

7、 1()()(TTTTTTTTTTcTTcyaaaaapap(2-153) 称为循环的称为循环的 特性系数特性系数 。而。而 13/TTx 上式中：上式中：propiy12 制 冷 原 理 与 技 术为此对式为此对式(2-152)(2-152)，求导，并令，求导，并令 可得：可得：0)(prdydscscscopixxxxxxxxy11)1)(11(11(2-154) 因为与压力比因为与压力比y y的关系为：的关系为：kkcaappxTTTTTTy10341314)(2-155) 13 制 冷 原 理 与 技 术则按式则按式(2-154)(2-154)可求出最佳压力比：可求出最佳压力比：10)

8、()(kkopiopicyxpp(2-156) 在分析理论循环时，认为提高循环经在分析理论循环时，认为提高循环经济性应采用尽可能小的压比。但对于实济性应采用尽可能小的压比。但对于实际循环存在最佳压力比，此时制冷系数际循环存在最佳压力比，此时制冷系数最高。最高。14 制 冷 原 理 与 技 术2.3.2 2.3.2 热电制冷热电制冷2.3.2.1 2.3.2.1 热电制冷的原理热电制冷的原理 热电制冷热电制冷( (亦名温差电制冷、半导体制冷或电亦名温差电制冷、半导体制冷或电子制冷子制冷) )是以温差电现象为基础的制冷方法，它是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用是利用“塞贝克塞贝克”效应的逆反

9、应效应的逆反应珀尔帖效珀尔帖效应的原理达到制冷目的。应的原理达到制冷目的。 塞贝克效应塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭合就是在两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差在两接触点间产生一个电势差接触电动势接触电动势。同时闭合线路中就有电流流过，称为温差电流。同时闭合线路中就有电流流过，称为温差电流。反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热，通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热，这称为这称为珀尔贴效应珀尔贴效应，亦称，亦称温

10、差电现象温差电现象15 制 冷 原 理 与 技 术NEXTNEXT16 制 冷 原 理 与 技 术 半导体材料内部结构的特点，决定了它产生半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多，所以热的温差电现象比其他金属要显著得多，所以热电制冷都采用半导体材料，亦称电制冷都采用半导体材料，亦称半导体制冷半导体制冷 图图2-1652-165所示，当电偶通以直流电流时，所示，当电偶通以直流电流时，P P型型半导体内载流子半导体内载流子( (空穴空穴) )和和N N型半导体内载流子型半导体内载流子( (电子电子) )在外电场作用下产生运动，并在金属片在外电场作用下产生运动，并在金属

11、片与半导体接头处发生能量的传递及转换。与半导体接头处发生能量的传递及转换。 如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端与发热端也随之互换。与发热端也随之互换。17 制 冷 原 理 与 技 术 当电偶对通以直流电当电偶对通以直流电I I 时，因珀尔贴效应时，因珀尔贴效应产生的产生的 吸热量吸热量 与电流与电流I I 成正比成正比 式中式中 珀尔贴系数珀尔贴系数IQ(2-157) 它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算cNPT)(2-158)18 制 冷 原 理 与 技 术 当电流通过电偶对时，热电元件内还要放当电流通过电偶对

12、时，热电元件内还要放出焦耳热。出焦耳热。焦耳热焦耳热 与电流的平方成正比，即与电流的平方成正比，即 ：RIQj2(2-159) 式中式中R R 为热电元件的电阻。若电偶臂的长为热电元件的电阻。若电偶臂的长度为度为L L , ,电阻率为电阻率为 及及 ，截面积为，截面积为 ，则，则1221,ss)(2211ssLR(2-160) 计算证明，有一半的焦耳热传给热电计算证明，有一半的焦耳热传给热电元件的冷端，引起制冷效应降低。元件的冷端，引起制冷效应降低。19 制 冷 原 理 与 技 术 除了焦耳热以外，由于半导体的导热，从电除了焦耳热以外，由于半导体的导热，从电堆热端还要传给冷端一定的堆热端还要传

13、给冷端一定的 热量热量 ：kQ)(chkTTkQ(2-161)式中式中k k 长长L L 的热电元件的热电元件 总导热系数总导热系数 若两电偶臂的导热系数及截面积分别为若两电偶臂的导热系数及截面积分别为 及及 则：则：21,21,ss)(12211ssLk(2-162)20 制 冷 原 理 与 技 术电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克服热电势做功，故消耗的服热电势做功，故消耗的 功率功率 为为 ITTRIwchNP)(2(2-164)因此电偶对的因此电偶对的 制冷系数制冷系数 可以表示为：可以表示为： ITTRITTkRIITchNPchcNP)(

14、)(5 . 0)(22(2-165) 因此，电偶对因此，电偶对 的制冷量的制冷量 应为珀尔贴热量与传应为珀尔贴热量与传回冷端的焦耳热量和导热量之差，即：回冷端的焦耳热量和导热量之差，即： )(21)(20chcNPTTkRIITQ(2-163)21 制 冷 原 理 与 技 术2.3.2.2 2.3.2.2 热电制冷的特性分析热电制冷的特性分析 在电流在电流I I 为某一定值的情况下，令为某一定值的情况下，令 ，由，由式式(2-163)(2-163)得：得： 00Q5 . 0)(12RIITkTTcNPch可见最大温差的大小与电流的大小有关。可见最大温差的大小与电流的大小有关。 (2-166)2

15、2 制 冷 原 理 与 技 术 将上式对将上式对I I 取偏倒数，并令其等于零，就可取偏倒数，并令其等于零，就可以求出以求出 最佳电流值最佳电流值 与其对应的与其对应的 最大温降最大温降: : RTIcNPopt)(RkTTTcNPch2)()(22max将式将式(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)23 制 冷 原 理 与 技 术 若两电偶臂的若两电偶臂的几何尺寸相同几何尺寸相同( ( ) )具有相具有相同的同的

16、 导热系数导热系数 及相同的及相同的 电阻率电阻率 ，则式（则式（2-1692-169）变为）变为21ss 21214)(21)2(2)(21)(2222maxcNPcNPchTssTTT或或 4)(21)(22cNPamxchrTTT(2-170)(2-171)式中式中 热电元件材料的热电元件材料的 电导率电导率er/124 制 冷 原 理 与 技 术若若 ，则，则 Np22max21)(cchTrTT(2-172)由此可见由此可见: : 热电制冷的热电制冷的 最大温差最大温差取决于材料取决于材料的的 组成的一个综合参数及冷端温度组成的一个综合参数及冷端温度 。此综合参数称为制造电偶对材料的

17、此综合参数称为制造电偶对材料的优质系数优质系数Z Z ，即即 ,rcTrZ2(2-173)25 制 冷 原 理 与 技 术 下面再来分析电堆的制冷系数与供给热电堆下面再来分析电堆的制冷系数与供给热电堆的电流值的关系。将式的电流值的关系。将式(2-165)(2-165)对电流取偏倒数，对电流取偏倒数，并令其等于零，得到并令其等于零，得到 与最大制冷系数相对应与最大制冷系数相对应的电流及电压值的电流及电压值 ) 1()(MRTTIchNPopt1)()(MTTMTTRIUchNPchNPoptopt(2-174)(2-175)26 制 冷 原 理 与 技 术1maxMTTMTTTchchc式中式中

18、 21)(5 . 01 chTTZM(2-176)故制冷系数故制冷系数 与温差与温差 以及材料优质系以及材料优质系数数Z Z有显著关系。有显著关系。chTT 27 制 冷 原 理 与 技 术2.3.2.3 2.3.2.3 多级热电堆多级热电堆 一对电偶的制冷量是很小的，如一对电偶的制冷量是很小的，如6xL76xL7的的电偶对电偶对, ,其制冷量仅为其制冷量仅为3.33.34.2kJ/h4.2kJ/h 为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称联成热电堆，称单级热电堆单级热电堆 单级热电堆在通常情况下只能得到大约单级热电堆在通常情况下只能得到大约505

19、0的温差。为了得到更低的冷端温度，可的温差。为了得到更低的冷端温度，可用串联、并联及串并联的方法组出用串联、并联及串并联的方法组出多级热电多级热电堆堆，图图2-1662-166示出多级热电堆的结构型式。示出多级热电堆的结构型式。 28电绝缘导热层 电绝缘导热层 I2 I I I1 图图2-1662-166 多级热电堆的结构型式多级热电堆的结构型式 a) a) 串联二级热电堆串联二级热电堆 b) b) 并联二级热电堆并联二级热电堆 c) c) 串并联三级热电堆串并联三级热电堆29 制 冷 原 理 与 技 术 半导体制冷设备的特点及应用半导体制冷设备的特点及应用 1 1、半导体制冷设备的特点及应用

20、、半导体制冷设备的特点及应用 不用制冷剂不用制冷剂 无机械传动部分无机械传动部分 冷却速度和制冷温可任意调节冷却速度和制冷温可任意调节 可将冷热端互换可将冷热端互换 体积和功率都可做得很小体积和功率都可做得很小30 制 冷 原 理 与 技 术2 2、半导体制冷的用途、半导体制冷的用途 方便的可逆操作方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱可做成家用冰箱，或小型低温冰箱可制成低温医疗器具可制成低温医疗器具可对仪器进行冷却可对仪器进行冷却 可做成零点仪可做成零点仪31 制 冷 原 理 与 技 术2.3.3 2.3.3 蒸气喷射式制冷循环蒸气喷射式制冷循环 蒸气喷射式制冷机只用单一物质为工质蒸

21、气喷射式制冷机只用单一物质为工质 虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂作为虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂作为工质工质, ,但到目前为止，只有以水为工质的蒸气但到目前为止，只有以水为工质的蒸气喷射式制冷机得到实际应用。喷射式制冷机得到实际应用。 当用水为工质所制取的低温必须在当用水为工质所制取的低温必须在00以上，以上，故蒸气喷射式制冷机目前只用于空调装置或用故蒸气喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来制备某些工艺过程需要的冷媒水。来制备某些工艺过程需要的冷媒水。32 制 冷 原 理 与 技 术NEXTNEXT33P1 T1 Pk Tk P0 T0 P0T1 T s 图图2-168 2-168 蒸气

22、喷射式制冷系统的温熵图蒸气喷射式制冷系统的温熵图 蒸气喷射式制冷机的工作过程也可以表示在温熵图蒸气喷射式制冷机的工作过程也可以表示在温熵图上。如图上。如图2-1682-168所示。图中实线表示理想循环，虚线表所示。图中实线表示理想循环，虚线表示实际过程。示实际过程。 34 制 冷 原 理 与 技 术现在可根据现在可根据图图2-1682-168进行理论循环的热力计算。进行理论循环的热力计算。)(410hhGQo(2-177)式中式中 被引射制冷蒸气的流量被引射制冷蒸气的流量 0G锅炉的供热量锅炉的供热量 )(5711hhGQ(2-178)式中式中 工作蒸气流量工作蒸气流量1G冷凝器放热量冷凝器放

23、热量 )(3201hhGGQk (2-179)制冷量制冷量泵所消耗的功折合成热量泵所消耗的功折合成热量 )(351hhGQp(2-180)35 制 冷 原 理 与 技 术 泵功较小，如果予以忽略，则整个制冷机的泵功较小，如果予以忽略，则整个制冷机的 热平衡式热平衡式 为为 koQQQ1而而 经济性指标经济性指标 也用热力系数来表示也用热力系数来表示 1057411010qquhhhhGGQQ其中比值其中比值称为称为 喷射系数喷射系数，它表示，它表示1Kg1Kg工作蒸气能引射的工作蒸气能引射的低压蒸气的数量低压蒸气的数量(2-181)(2-182)(2-183)217210hhhhGGu36h2/h1s(Kg/Kg)图图2-1692-169 循环倍率循环倍率s s与与h h2 2/ /h h1 1的关系的关系37 制 冷 原 理 与 技 术图图2-1692-169中的实验关系曲线也可用下式表示中的实验关系曲线也可用下式表示 21212)/( 8 .15)/( 6 . 125. 0hhhhs在有些文献中也给出了如下简化计算式在有些文献中也给出了如下简化计算式 175. 021hhu(2-186)(2-187)38 制 冷 原 理 与 技 术/10/29