半导体制冷原理ppt课件.ppt

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1、,第三节其他形式的制冷循环,2.3.1 空气制冷,2.3.2 热电制冷,2.3.2.1 热电制冷的原理,2.3.2.2 热电制冷的特性分析,2.3.2.3 多级热电堆,2.3.3 蒸气喷射式制冷循环,2.3.1 空气制冷,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,压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热四个过程,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集态改变,图2-162 无回热空气制冷机系统图 -压缩机 -冷却器 -膨胀机 -冷箱,图2-163 无回热空气制冷机 理论循环的p-V图与T-s图,NEXT

2、,图2-162示出无回热空气制冷机系统图,图2-163所示是冷箱中制冷温度是环境介质的温度,1-2是等熵压缩过程,2-3是等压冷却过程,3-4是等熵膨胀过程,4-1是在冷箱中的等压吸热过程,现在进行理论循环的性能计算，单位制冷量及冷却器的 单位热负荷 分别是：,(2-144),(2-145),单位压缩功 和 膨胀功 分别是：,(2-146),(2-147),从而可计算出循环消耗的 单位功 及 制热系数：,(2-149),(2-148),若不计比热随温度的变化，并注意到,则上式可简化为：,(2-150),(2-149),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 制冷系数 为：,

3、因此上述理论循环的 热力完善 度为：,(2-151),显然，永远,图2-164 无回热空气制冷机实际循环,图2-164中 1-2s-3-4s-1 为实际循环，而循环 1-2a-3-4a-1 可认为是只考虑换热端部温差，这样计算的 实际循环的制冷系数 为：,(2-152),由上式可以看出，在 给定的情况下，必然有一个最佳值 最大。,(2-153),称为循环的 特性系数 。而,上式中：,为此对式(2-152)，求导，并令 可得：,(2-154),因为与压力比y的关系为：,(2-155),则按式(2-154)可求出最佳压力比：,(2-156),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

4、。但对于实际循环存在最佳压力比，此时制冷系数最高。,2.3.2 热电制冷,2.3.2.1 热电制冷的原理,热电制冷(亦名温差电制冷、半导体制冷或电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用“塞贝克”效应的逆反应珀尔帖效应的原理达到制冷目的。,塞贝克效应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，就会在两接触点间产生一个电势差接触电动势。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，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热，这称为珀尔贴效应，亦称温差电现象,NEXT,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

5、多，所以热电制冷都采用半导体材料，亦称半导体制冷,图2-165所示，当电偶通以直流电流时，P型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流子(电子)在外电场作用下产生运动，并在金属片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，则电偶对的制冷端与发热端也随之互换。,当电偶对通以直流电I 时，因珀尔贴效应产生的 吸热量 与电流I 成正比,式中 珀尔贴系数,(2-157),它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算,(2-158),当电流通过电偶对时，热电元件内还要放出焦耳热。焦耳热 与电流的平方成正比，即 ：,(2-159),式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的长度为L ,电阻率为 及 ，

6、截面积为 ，则,(2-160),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。,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 热量 ：,(2-161),式中k 长L 的热电元件 总导热系数,若两电偶臂的导热系数及截面积分别为 及 则：,(2-162),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 功率 为,(2-164),因此电偶对的 制冷系数 可以表示为：,(2-165),因此，电偶对 的制冷量 应为珀尔贴热量与传回冷端的焦耳热量和导热量之差，即：,(2-163),2.3.2.2 热电制冷的特性分析,在电流I 为某一定值的情况下，令 ，由式

7、(2-163)得：,可见最大温差的大小与电流的大小有关。,(2-166),将上式对I 取偏倒数，并令其等于零，就可以求出 最佳电流值 与其对应的 最大温降:,将式(2-160)及(2-162)代入式(2-168)得:,(2-167),(2-168),(2-169),若两电偶臂的几何尺寸相同( )具有相同的 导热系数 及相同的 电阻率 ，则式（2-169）变为,或,(2-170),(2-171),式中 热电元件材料的 电导率,若 ，则,(2-172),由此可见: 热电制冷的 最大温差取决于材料的 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优质系数Z ，即,(2-173),下面

8、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(2-165)对电流取偏倒数，并令其等于零，得到 与最大制冷系数相对应的电流及电压值,(2-174),(2-175),式中,(2-176),故制冷系数 与温差 以及材料优质系数Z有显著关系。,2.3.2.3 多级热电堆,一对电偶的制冷量是很小的，如6xL7的电偶对,其制冷量仅为3.34.2kJ/h,为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称单级热电堆,单级热电堆在通常情况下只能得到大约50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多级热电堆，图2-166示出多级热电堆的结构型式。,图2-166 多级热电堆的结构

9、型式 a) 串联二级热电堆 b) 并联二级热电堆 c) 串并联三级热电堆,半导体制冷设备的特点及应用,1、半导体制冷设备的特点及应用,不用制冷剂 无机械传动部分 冷却速度和制冷温可任意调节 可将冷热端互换 体积和功率都可做得很小,2、半导体制冷的用途,方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱可制成低温医疗器具可对仪器进行冷却 可做成零点仪,2.3.3 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,虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂作为工质,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。,当用水为工质所制取的低温必须在0以上，故蒸气喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来

10、制备某些工艺过程需要的冷媒水。,NEXT,图2-168 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上。如图2-168所示。图中实线表示理想循环，虚线表示实际过程。,现在可根据图2-168进行理论循环的热力计算。,(2-177),式中 被引射制冷蒸气的流量,锅炉的供热量,(2-178),式中 工作蒸气流量,冷凝器放热量,(2-179),制冷量,泵所消耗的功折合成热量,(2-180),泵功较小，如果予以忽略，则整个制冷机的 热平衡式 为,而 经济性指标 也用热力系数来表示,其中比值,称为 喷射系数，它表示1Kg工作蒸气能引射的低压蒸气的数量,(2-181),(2-182),(2-183),图2-169中的实验关系曲线也可用下式表示,在有些文献中也给出了如下简化计算式,(2-186),(2-187),