第一章-2 低温发展史及获得方法

1、低温发展史及获得方法,巨永林 上海交通大学 制冷与低温工程研究所 机械与动力工程学院A楼412室,制取和运输冰块,原始制冰机 (1880年),Delivery of Cold (1900),Unloading barges into local ice storage,Local delivery by ice wagon,The local ice man,Home ice box,Ice harvesting,User,Source,Unloading barges into local ice storage,Local delivery by ice truc

2、k,The local ice man,Ice plant,Electric power plant,Home ice box,User,Power lines,Delivery of Cold (1920),Unloading barges into local ice storage,Local delivery by ice truck,The local ice man,Ice plant,Electric power plant,Home refrigerator,User,Power lines,First coupling of refrigerator to applicati

3、on,Delivery of Cold (1930),Refrigerator Problems,$714,$450,1922 Cost,1922 Model-T Ford,1922 Repair,Every 3 months,Average salary: $2000/yr,1935 Repair,Toxic refrigerant leaks led to some deaths,Advances,Repairman bored,1877 Pictet (法)空气液化器,Sir James Dewar 1890年：低温真空夹套容器，保持低温Dewar（杜瓦）,低温杜瓦,1895 Linde

4、(德)空气液化器,Delivery of Cold (Cryogenics)Air Liquefaction and Separation,100 t/d of O2,Typical Plant,US Production,3000 t/d (1955),1910 Plant 2 t/d O2,Welding,Welding, O2 steel furnace (1954),Air liquefier 1910 2td.jpg,Air separation XB-98 Institute WV 1961.ppt,1895 Linde O2 liquefier 10 L/hr,Linde-2st

5、age-10Lhr1895.jpg,1950s Plant,1908年：首次成功地把称为永久气体的氦液化，获得4.2K（-2690C）的低温源,卡梅隆昂纳斯,1910：获得1.04K，超流体 1911：发现水银电阻在4.2K时突然消失，即超低温使物质变成了新物态超导体。,Onnes宣布这一发现时，还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。,Helium Liquefaction (1950s),Collins helium liquefier,Invented 1946; commercial 1947 4 L/h (original) 2 Expansion engines

6、 (Kapitza) 400 units worldwide (2005) Allowed 4 K research worldwide,Collins2-1946.jpg,Collins He liq schematic.tif,Collins He liquefier-ADL.jpg,20世纪上半叶,1902 Claude(法) 实用空气液化系统，Air Liquide 1907 Linde(德)公司 世界上第一个空气液化工厂 1908 Onnes(荷) 氦液化，凝聚态物质研究之路，至今仍为物理研究主流方向 (Nobel Prize) 1911 Onnes(荷) 发现超导性 1926 Go

7、ddard(美) 液氧推进剂火箭 1926 Giaugue & Debye(美) 绝热去磁 (Nobel Prize) 1928 Keesom 超流性 (Nobel Prize) 1933 1K低温 磁制冷 1934 Kapitza(俄) 氦液化膨胀机 (Nobel Prize) 1937 美 低温粉末绝热球罐 1942 德 V-2低温液体推进剂火箭试验成功,20世纪下半叶,1957 美国 液氢火箭 1958 高真空多层绝热 1954 Gifford和McManhon(美) G-M制冷机 1963 Gifford和Longsworth(美) 脉管制冷机 1964 两艘LNG船开始服役 1966

8、 Hall(英) 3He/4He稀释制冷机 (Nobel Prize) 1972 BCS理论:采用量子力学理论解释超导性和超流性这些独特而有趣的现象 (Nobel Prize) 1985 Klitzing 量子霍尔效应 (Nobel Prize) 1987 Muller和Bednorz(瑞士)氧化物高温超导体(Nobel Prize) ；朱经武(美），赵忠贤（中）, 高温超导热 1990 De Gennes磁有序态(Nobel Prize) 1997 Chu et al.激光冷却捕获原子(Nobel Prize),1、相变制冷（液体、固体）,低温获得方法,2、膨胀制冷节流，放气,3、热电制冷、

9、辐射制冷、吸附制冷,4、磁制冷、氦3稀释制冷,1、相变制冷-液体汽化,在制冷技术中最常采用的方法，此方法简单有效 液体气化的制冷量,压力，沸点，气化潜热，制冷量。为增大制冷量，液体在减压下气化是有利的。,蒸汽压缩制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、蒸汽喷射制冷；氦液化装置中用液氢、液氮预冷氦气；低温恒温器保持物体低温；液氮冷刀；液氦抽气制冷（3He减压气化制取mK级低温）等。,原理：以固体制冷剂向高真空空间升华来获得冷量。其工作温度取决于制冷剂种类、系统压力和热负荷。如果改变蒸汽流量，从而改变系统背压，就可以保持一个特定的温度。 制冷量,应用：冷却红外或射线探测器、机载红外设备等 优点：1)升华潜热

10、较高；2)储存密度较大；3)固体制冷剂温度较低，可提高红外探测器的灵敏度,相变制冷-固体升华,常用固体制冷剂,大多数实际制冷或液化系统都利用节流过程（焦耳-汤姆逊）来获得低温。,气体通过节流阀时，由于局部阻力。压力显著降低，称为节流。截流时间短，可看作绝热，如再忽略动能和势能变化，可将节流过程看作等焓过程。h1=h2,由于摩擦阻力存在，实际节流过程是一个熵增的不可逆过程,2、节流无外功输出膨胀过程,气体-节流,焦耳-汤姆逊系数,理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温度保持不变，而实际气体的焓值是温度和压力的函数，节流后温度会发生变化,理想气体：,节流过程的物理特征,实际气体的节流膨胀,p2

11、,气体转化温度与转化曲线,气体的最大转化温度,转化温度低于环境温度的气体不能通过单独节流获得液化！ 预冷+节流 或 采用膨胀机,25,微分节流效应：以焦-汤系数表示。 积分节流效应： 等温节流效应 ：,节流效应,气体经等温压缩和节流膨胀之后具有制冷能力，是因为气体经等温压缩后焓值降低(在压缩过程中不但将压缩功转化成的热量传给了环境介质，且将焓差h0-h1也以热量的方式传给了环境介质)。气体的制冷能力是在等温压缩时获得的，但通过节流才能表现出来，故等温节流效应是这两个过程的综合。,对空气、氧、氮、烷等常见气体，当提高节流前压力或降低节流前温度时，-hT值增加。,有外功输出的等熵膨胀,节流膨胀过程

12、不能回收膨胀功，如采用带膨胀机的等熵膨胀循环则可以回收膨胀功。,克劳特液化系统、斯特林制冷机和维勒米尔制冷机等就是用绝热膨胀的原理实现制冷的。,微分等熵效应：等熵膨胀时温度随压力的变化率。,气体等熵膨胀时温度总是降低的,等熵膨胀过程中，du+dw=duk+dup+dw=0。有外功输出dw0，膨胀后气体的内位能增大dup0，这些都需要消耗能量，只能由内动能来补偿duk0 ，所以温度必然降低。对于理想气体,制冷量,等熵膨胀的温差及制冷量随初温增高、膨胀比增大而增大,28,节流与等熵膨胀的比较,膨胀机能回收功，提高循环经济性。但节流阀也有优点,节流与等熵膨胀的比较： 1)节流阀简单，易于调节；膨胀机

13、复杂，带油问题。 2)膨胀机实际不能等熵，优点打折扣。 3)节流阀可在两相区工作，但两相工作的膨胀机要求很高。在使用绝热膨胀得到低温的场合中，也常配合使用节流阀，特别是在低温段。 4)初温越低，两者差别越小，宜选用节流阀。,气体绝热放气制冷,绝热放气：容器内高压气体绝热排放过程中，容器内的气体对排出容器的气体做功，则容器内的气体温度下降,气体-绝热放气,对于绝热放气而言，降压后必产生温降，不存在升温的现象。其输出功一般不能利用。 压比一定时，绝热指数越大，温降越大，所以像氦这样的单原子气体可获得较大温降。 随着压比增大，温降增大，但增长幅度越来越小，因此经济的压比不宜过大，为3-5。,绝热放气

14、特点,这种获得低温的方式常用于小型低温制冷机和深低温液化流程中。 脉冲管制冷机、吉福特-麦克马洪制冷机和索尔凡制冷机就是用绝热放气的原理实现制冷的。,假定放气过程进行很慢：活塞左侧气体始终处于平衡状态，将按等熵膨胀，所作功按其本身压力计算，因而对外作功最大，温降也最大。 注意与绝热膨胀的区别：无外功；过程不可逆（仅对剩余部分可认为可逆）。,缓慢放气,假定放气过程进行很快：设想阀门打开后活塞右侧气体立即从p1降到p2。 因假定放气过程进行很快，活塞左侧气体膨胀时只针对一恒定不变压力p2作功，对外作功最小，温降也最小。对外作功：最小，温降也最小。,快速放气,实际放气过程,三种膨胀方式对比,可逆卡诺

15、制冷循环,冷 源 TR,热 源 T0,完全 绝热,完全 绝热,熵 s,(a)可逆等温压缩； (b)可逆绝热膨胀； (c)从低温热源吸热并可逆等温膨胀； (d)可逆绝热压缩。,T0,TR,卡诺-制冷循环,卡诺制冷机在T0=300K和低温TR时的性能系数COP 制冷温度TR（K）, 111.7 0.5932 1.686 77.4 0.3477 2.876 20.3 0.07258 13.778 4.2 0.01420 70.43 1.0 0.003344 299.0 0.1 0.0003334 2,999.0 0.01 0.0000333 29,999.0 ,卡诺制冷机COP,3、热电制冷,利用帕

16、尔贴效应制冷：在两种不同金属组成的闭合回路中，若通以直流电，就会使一个节点变冷，一个变热，这种温差电现象称为帕尔贴效应。 在低温制冷中不常采用。,so (low entropy),sd (high entropy),Material 1,Material 2,Electron Flow,利用物体向低温冷源辐射散热的方式进行制冷。通常用于卫星或空间飞行器，以宇宙空间为低温冷源。 由上海技物所为我国风云3号气象卫星研制的中分辨率成像光谱仪辐射制冷器是新一代大冷量辐射制冷器。主要热力学性能指标：二级温度达到82K，在97K下制冷量达到110mW，突破了100mW大关。,辐射制冷,蒸发制冷循环。利用吸

17、附工质液化后从外界吸热蒸发制冷。间歇式基本循环，连续回热循环（两台以上吸附器作为吸附压缩机）。实际制冷方式为相变制冷。,吸附制冷,活性炭-甲烷物理吸附制冷机,2W/137K回热型吸附制冷机,A,C,E,Qd,Qc,A,C,E,Qa,Qe,A-吸附器；C-冷凝器；E-蒸发器；Qd-加热显热及脱附热； Qc-冷凝热； Qa-冷却显热及吸附热, Qe-制冷量,吸附制冷,吸附式制冷系统中吸附和脱附从理论上来说是恒压过程 固体吸附剂受热解吸出制冷剂，在制冷剂压力达到冷凝压力时即开始脱附-冷凝过程，制冷剂被冷凝成液体,吸附与解吸过程,吸附过程,脱附过程,用于低温温区的吸附制冷工质对只能采用低温气体工质，吸

18、附剂也主要采用活性炭、分子筛或一些化学吸附物质 由于采用J-T节流制冷方式，解吸出的气体必须先经预冷至转化温度以下，否则不可能实现低温气体工质的液化,常用吸附式制冷工作对及其工作温区,吸附工质,4、如何获得更低的温度,采用气体或液体作为制冷工质，因为在0.6K时所有其他材料均为固体，只能利用氦4或氦3减压蒸发，所获温度取决于液体上方的压力。 1K/16Pa，0.6K/37.5mPa (He4) 0.6K/72.6Pa (He3) 实际实验系统所得到的温度下限是：0.4K，而且维持低压十分困难。,如何得到更低的温度？,磁热效应,固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度

19、加强（磁熵减小），对外放出热量； 再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。 这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应,最大偶极子熵为:,为确保绝热去磁过程成功的温度条件为:,温度上限T0为:,绝热去磁过程只能在极低温下实现，若要实现显著的温降，晶格热必须远小于顺磁盐的磁极熵。在极低温下，晶格熵为:,磁热效应基本原理,磁制冷发展历史,1907年Langevin：顺磁体绝热去磁过程中，温度会降低 1927年Debye和Giauque预言了可以利用此效应制冷。顺磁物质可代替气体或液体，磁场可代替流体的膨胀来得到低温 1933年美国和荷兰的科学家实现了绝热去

20、磁制冷,获得0.3K-0.09K的低温。从此，在极低温领域（mK级至16K范围）磁制冷发挥了很大作用,磁制冷机,磁制冷采用卡诺循环，磁材料用稀土顺磁盐 理想磁制冷机的COP同卡诺制冷机的相同 磁制冷机可以在失重状态下运行,理想状况下，从储存盐中吸热量为:,理想情况下，工质盐对外放热为:,对整个循环应用第一定律，循环净功为:,12：等温磁化（排放热量）23：绝热退磁（温度降低）34：等温退磁（吸收热量制冷） 41：绝热磁化（温度升高）,热力学循环,磁制冷机的实际和理想性能,磁制冷研究现状,低温磁制冷技术比较成熟。美国、日本、法国均研制出多种低温磁制冷冰箱，为各种科学研究创造极低温条件。例如用于卫星、宇宙飞船等航天器的参数检测和数处理系统中，磁制冷还用在氦液化制冷机上。,高温区磁制冷尚处于研究阶段。虽然1976年Brown就成功进行了室温磁制冷实验。但温度20K以上，特别是近室温附近，磁性离子系统热运动大大加强，顺磁盐中磁有序态难以形成，它在受外磁场作用前后造成的磁系统