小型制冷空調(diào)設(shè)備原理與維修課件

第二章

制冷原理蒸氣壓縮式制冷、蒸汽噴射式制冷、吸收式制冷和熱電式制冷是常見的制冷方式。本章介紹這幾種制冷方式的系統(tǒng)組成和它們的工作原理。9/13/20231第二章

制冷原理蒸氣壓縮式制冷、蒸汽噴射式制冷、吸收式2.1蒸氣壓縮式制冷蒸氣壓縮式制冷是利用低沸點的液態(tài)工質(zhì)(如氟利昂等制冷劑)沸騰汽化時，從致冷空間介質(zhì)中吸熱來實現(xiàn)制冷的。這種制冷方法利用制冷劑的液－－氣集態(tài)變化過程，實現(xiàn)定溫吸熱和放熱，使致冷循環(huán)較為接近逆向卡諾循環(huán)，從而可提高致冷系數(shù)；又由于工質(zhì)的汽化潛熱一般較大，能提高單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷能力。因此，這種制冷方式有廣泛的應(yīng)用。本節(jié)介紹單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的基本組成、工作原理及其理論循環(huán)在制冷劑壓焓圖上的表示。9/13/202322.1蒸氣壓縮式制冷蒸氣壓縮式制冷是利用低沸點的液態(tài)2.1.1基本組成如圖2.1所示，蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和節(jié)流閥是蒸氣工制冷系統(tǒng)的四個必不可少的基本部件。在小型氟里利制冷系統(tǒng)中，用毛細(xì)管代替節(jié)流閥。制冷劑在制冷系統(tǒng)中循環(huán)流動，方向如圖。9/13/202332.1.1基本組成如圖2.1所示，蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝2.1.1基本組成蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)使用的制冷劑是常壓下沸點低于0℃的物質(zhì)。例如氟利昂12和22（代號為R12和R22）在1個大氣壓下的沸點分別是－29.8℃和－40.8℃。9/13/202342.1.1基本組成蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)使用的制冷劑是常2.1.2工作原理1蒸發(fā)器的作用蒸發(fā)器由一組或幾組盤管組成。低溫液態(tài)制冷劑進入蒸發(fā)器盤管流動時，通過管壁吸收盤管周圍介質(zhì)(空氣或水)的熱量沸騰汽化(工程上簡稱為蒸發(fā))，使盤管周圍的介質(zhì)濕度降低或保持一定的低溫狀態(tài)，從而達到致冷的目的。9/13/202352.1.2工作原理1蒸發(fā)器的作用8/3/20235

圖2.1

9/13/20236

圖2.1

8/3/202362.1.2工作原理可見，蒸發(fā)器是讓低溫液態(tài)制冷劑和需要致冷的介質(zhì)交換熱量的換熱器。因此，蒸發(fā)器盤管應(yīng)置于需要致冷的空間介質(zhì)中。例如，電冰箱或冷庫的蒸發(fā)器放在冷藏室和冷凍室內(nèi)；房間空調(diào)器的蒸發(fā)器放在空調(diào)房間的墻內(nèi)側(cè)，并作空氣冷卻器；生產(chǎn)低溫水(工程上稱冷水)的冷水機組的蒸發(fā)器盤管放在產(chǎn)生冷水的殼箱內(nèi)等。9/13/202372.1.2工作原理可見，蒸發(fā)器是讓低2.1.2工作原理制冷劑在蒸發(fā)器盤管內(nèi)沸騰汽化時保持溫度和壓力不變，相應(yīng)的濕度和壓力稱為蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力，分別用t0和p0表示。蒸發(fā)溫度隨蒸發(fā)壓力的增大而升高，它們有確定的對應(yīng)關(guān)系。對給定的制冷劑，利用它的飽和蒸氣表或壓焓圖，從已知的t0可查出對應(yīng)的p0，反之亦然。同時，通過控制或調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力也就可控制或調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度。由于蒸發(fā)溫度通常都很低，因而對應(yīng)的蒸發(fā)壓力也不高。相對于冷凝器，制冷劑在蒸發(fā)器中牌低溫低壓狀態(tài)。9/13/202382.1.2工作原理制冷劑在蒸發(fā)器盤管內(nèi)沸騰汽化時保持溫2.1.2工作原理制冷劑在蒸發(fā)器中沸騰汽化時從致冷空間介質(zhì)吸收的熱量，就是制冷系統(tǒng)的制冷量。為了讓制冷劑能被反復(fù)使用，需將從蒸發(fā)器流出的制冷劑蒸氣冷凝還原為液態(tài)。冷凝器就是讓氣態(tài)制冷劑向環(huán)境介質(zhì)放熱冷凝液化的換熱器。9/13/202392.1.2工作原理制冷劑在蒸發(fā)器中沸騰汽化時從致冷空間2冷凝器的作用制冷劑蒸氣在冷凝器中冷凝液化時也保持溫度和壓力不變，相應(yīng)的濕度對壓力稱為冷凝溫度和冷凝壓力，分別用t0和p0表示。冷凝溫度隨冷凝壓力的增大而升高，它們也有確定的對應(yīng)關(guān)系，這種對應(yīng)關(guān)系也可在制冷劑的飽和蒸氣表或壓焓圖中查取。9/13/2023102冷凝器的作用制冷劑蒸氣在冷凝器中冷凝液化時也保持溫度和2冷凝器的作用從經(jīng)濟及方便角度考慮，用來使制冷劑冷凝的冷卻介質(zhì)應(yīng)是常溫的空氣或水。利用流動空氣冷卻冷凝器，稱為風(fēng)冷。電冰箱、房間空調(diào)器等采用風(fēng)冷式冷凝器。由于冷凝器要散熱，所以夏季用空調(diào)器的風(fēng)冷冷凝器應(yīng)置于空調(diào)房間墻的外側(cè)。利用流動水冷卻冷凝器，稱為水冷。家用中央空調(diào)器及移動式空調(diào)式的冷凝器多采用水冷式，流經(jīng)水冷式冷凝器的水稱為冷卻水。對于冷水機組要注意將冷凝器用冷卻水和蒸發(fā)器中生產(chǎn)的冷水加以區(qū)別，它們分別在各自獨立的冷卻水系統(tǒng)和冷水系統(tǒng)中循環(huán)流動。9/13/2023112冷凝器的作用從經(jīng)濟及方便角度考慮，用來使制冷劑冷凝的冷2冷凝器的作用制冷劑在冷凝器中向冷卻介質(zhì)排放的熱量，稱為冷凝器的熱負(fù)荷。用空氣或常溫的水來使制冷劑蒸氣冷凝，冷凝溫度就高于蒸發(fā)溫度，對應(yīng)的冷凝壓力也就要求高于蒸發(fā)壓力。壓縮機的作用就是將從蒸發(fā)器流出的低壓制冷劑蒸氣壓縮，使蒸氣的壓力提高到與冷凝溫度對應(yīng)的冷凝壓力，從而保證制冷劑蒸氣能在常溫下被冷凝液化。制冷劑蒸氣經(jīng)壓縮機壓縮后，溫度也升高了。因此，相對于蒸發(fā)器，冷凝器中的制冷劑處于高溫高壓狀態(tài)。9/13/2023122冷凝器的作用制冷劑在冷凝器中向冷卻介質(zhì)排放的熱量，稱為3壓縮機的作用壓縮機是由電動機帶動來壓縮蒸氣作功的，因此，壓縮機的作用實質(zhì)是消耗外功，迫使制冷劑將從致冷空間(低溫?zé)嵩?吸收的熱量排放給環(huán)境(相對致冷空間為高溫?zé)嵩?。這與熱力學(xué)第二定律的要求是一致的。2.1.3蒸氣壓縮制冷的理論循環(huán)9/13/2023133壓縮機的作用8/3/2023133壓縮機的作用單級蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)，一般可在制冷劑的壓焓圖上表示如圖2.2中的循環(huán)4a12bc34。它由4→a→1、1→2、2→b→c→3和3→4四個分過程組成，說明如下：9/13/2023143壓縮機的作用單級蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)，一般可在制冷劑的3壓縮機的作用1蒸發(fā)和吸氣過熱過程4→a→14→a為低溫低壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中定溫(t0)、定壓(p0)吸熱沸騰汽化的過程，濕蒸氣的干度逐漸增大，假定至蒸發(fā)器出口a處制冷劑完全汽化為干蒸氣，即x=1。9/13/2023153壓縮機的作用1蒸發(fā)和吸氣過熱過程4→a→18/3/3壓縮機的作用a→1為壓縮機的吸氣過熱過程，假定它是定壓(p0)的吸熱過程，制冷劑蒸氣的溫度由t0升至壓縮機的吸氣溫度t1，因而點1處蒸氣呈稍過熱狀態(tài)。9/13/2023163壓縮機的作用a→1為壓縮機的吸氣過熱過程，假定它是定壓3壓縮機的作用2定熵壓縮過程1→21→2為壓縮機的干壓縮過程，假定壓縮過程是定熵的，即壓縮機的入口和出口處蒸氣的狀態(tài)點1和2位于同一條等熵線上，s2=s1。蒸氣經(jīng)壓縮后，壓力由p0升至pK，溫度由t1升至壓縮機排氣溫度t2。由圖可見，t2＞tK，在壓縮機出口處蒸氣是過熱蒸氣。9/13/2023173壓縮機的作用2定熵壓縮過程1→28/3/202313壓縮機的作用3定壓冷卻冷凝和過冷過程2→b→c→3壓縮機排出的過熱蒸氣進入冷凝器后不能立即冷凝，而是先經(jīng)2→b的定壓(pK)冷卻過程，至點b溫度降到tK，才能開始冷凝。b→c為制冷劑蒸氣的定溫(tK)、定壓(pK)放熱冷凝液化過程，濕蒸氣的干度逐漸減小，至點c完全液化為制冷劑飽和液，即x=0。9/13/2023183壓縮機的作用3定壓冷卻冷凝和過冷過程2→b→c→33壓縮機的作用c→3為制冷劑冷產(chǎn)液的定壓(pK)、放熱過冷過程，至節(jié)流裝置入口點3，冷凝液溫度降到過冷tG，制冷劑成為過冷液體。4絕熱節(jié)流過程3→49/13/2023193壓縮機的作用c→3為制冷劑冷產(chǎn)液的定壓(pK)、放熱過3壓縮機的作用3→4為過冷的液態(tài)制冷劑流經(jīng)節(jié)流裝置的絕熱節(jié)流過程。由于絕熱節(jié)流前后制冷劑的焓相等，因此，節(jié)流裝置入口與出口處制冷劑的狀態(tài)點3和4位于同一條等焓線上，h4=hs。經(jīng)節(jié)流后，制冷劑的壓力和溫度由pK、tK降至p0、t0，然后再進入蒸發(fā)器蒸發(fā)，得以循環(huán)制冷。由于節(jié)流過程中會有少量液態(tài)制冷劑汽化，所以節(jié)流裝置出口(也是蒸發(fā)器入口)處點4的制冷劑狀態(tài)為干度很低的濕蒸氣民。9/13/2023203壓縮機的作用3→4為過冷的液態(tài)制冷劑流經(jīng)節(jié)流裝置的絕熱2.2吸收式制冷

吸收式制冷也是液體氣化法制冷的一種方式。由于它以消耗低溫?zé)崮茏鳛檠a償實現(xiàn)制冷循環(huán)，對有余熱場所熱能的綜合利用，以及對于太陽能的開發(fā)和應(yīng)用都有重要的意義，因而近幾十年發(fā)展非常迅速。9/13/2023212.2吸收式制冷

吸收式制冷也是液體氣化法制冷的一種方式2.2吸收式制冷

2.2.1吸收式制冷的基本組成與工作原理如圖2.3所示，吸收式制冷的基本組成與壓縮式制冷的區(qū)別在于：由吸收器、溶液泵、發(fā)生器和調(diào)壓閥組成的系統(tǒng)代替了壓縮機。9/13/2023222.2吸收式制冷

2.2.1吸收式制冷的基本組成與2.2吸收式制冷

來自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷劑蒸氣進入吸收器，為吸收劑吸收；從吸收器出來的制冷劑－－吸收劑溶液由溶液泵輸送至發(fā)生器，工質(zhì)對在發(fā)生器中吸熱升溫，其中沸點低的制冷劑便大量氣化和吸收劑分離，形成高壓制冷劑蒸氣；發(fā)生器排出的高壓制冷劑蒸氣通過冷凝器冷凝、節(jié)流閥減壓降溫，再進入蒸發(fā)器吸收冷室介質(zhì)熱量沸騰汽化制冷，即完成了吸收式制冷循環(huán)。9/13/2023232.2吸收式制冷

來自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷劑蒸氣進入吸收2.2吸收式制冷

可見，吸收器、溶液泵和發(fā)生器的共同作用相當(dāng)于壓縮機，使制冷劑蒸氣完成了由低溫低壓狀態(tài)到高壓高溫狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。為使工質(zhì)對中的吸收劑也能循環(huán)使用，發(fā)生器中制冷劑吸熱氣化后所剩劑溶液，經(jīng)調(diào)壓閥減壓降溫(也是絕熱節(jié)流過程)，重新返回吸收劑蒸氣。于是，吸收式制冷由兩個9/13/2023242.2吸收式制冷

可見，吸收器、溶液泵和發(fā)生器的共同作用2.2吸收式制冷

循環(huán)－－制冷劑的逆循環(huán)與吸收劑溶液的正循環(huán)共同組成，此兩循環(huán)缺一不可。9/13/2023252.2吸收式制冷

循環(huán)－－制冷劑的逆循環(huán)與吸收劑8/3/圖2.39/13/202326圖2.38/3/2023262.2吸收式制冷

吸收式制冷是通過工質(zhì)對在發(fā)生器中吸收外界熱源提供的低溫?zé)崮茏餮a償，來實現(xiàn)制冷的?？删C合利用其它設(shè)備排出的溫度較高的熱水(75℃以上)、低壓水蒸汽、煙道氣中的余熱，或者利用地?zé)帷⑻柲艿茸鳛榘l(fā)生器的加熱能源。9/13/2023272.2吸收式制冷

吸收式制冷是通過工質(zhì)對在發(fā)生器中吸收外2.2吸收式制冷

9/13/2023282.2吸收式制冷

8/3/202328

2.2.2無泵吸收式制冷原理

由于發(fā)生器的壓力高于吸收器，前面介紹的吸收式制冷機采用溶液泵加壓，將工質(zhì)對溶液由吸收器輸送到發(fā)生器。如果在結(jié)構(gòu)上使吸收器高于發(fā)生器，則可在一定位差的作用下，使工質(zhì)對溶液自流進入發(fā)生器；再利用熱虹吸管的提升作用，又可使工質(zhì)對溶液自發(fā)生器返回吸收器，這樣就不需設(shè)置溶液泵，制成無泵吸收式制冷機。這種制冷機的能耗少，無運動部件，振動和噪音非常小，設(shè)備簡單，制造成本較低，維修管理方便，但工質(zhì)對溶液的循環(huán)量小，制冷量較小。現(xiàn)在小制冷量的吸收式制冷機，特別是吸收式商用家用冰箱、制冷設(shè)備，多采用無泵吸收式制冷。9/13/202329

2.2.2無泵吸收式制冷原理

由于發(fā)生器的壓力

1無泵溴化鋰吸收式制冷

圖2.4是無泵溴化鋰吸收式制冷機的原理圖。它由發(fā)生器、汽液分離器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器和熱虹吸管組成。稀溶液在發(fā)生器1中被加熱，產(chǎn)生的大量水蒸汽泡夾帶著濃溶液沿?zé)岷缥?上升至汽液分離器2。由于空間容積突然擴大及擋水板的作用，汽泡破裂，制冷劑水蒸汽與溶液分離。分離出的高壓水蒸汽進入冷凝器3冷凝成制冷劑水，經(jīng)細(xì)管道節(jié)流進入蒸發(fā)器4汽化制冷。9/13/202330

1無泵溴化鋰吸收式制冷

圖2.4是無泵溴化鋰吸收式2.2吸收式制冷

9/13/2023312.2吸收式制冷

8/3/202331

圖2.4

9/13/202332

圖2.4

8/3/2023322.2吸收式制冷

在汽液分離器中分離出來的濃溶液，在分離器與吸收器5的位差作用下，經(jīng)熱交換器6流入吸收器，吸收來自蒸發(fā)器的低壓低溫制冷劑水蒸汽而稀釋。在吸收器與發(fā)生器的位差作用下，吸收器中的稀溶液經(jīng)熱交換器返回發(fā)生器，完成溶液的循環(huán)。9/13/2023332.2吸收式制冷

在汽液分離器中分離出來的濃溶液，在分離

2擴散－－吸收式制冷

無泵吸收式制冷若采用氨－－水溶液作工質(zhì)對時，由于發(fā)生器與吸收器之間壓差太大，要使工質(zhì)對溶液從低壓的吸收器流入高壓的發(fā)生器所需的位差將很大，因此造成結(jié)構(gòu)上的困難。9/13/202334

2擴散－－吸收式制冷

無泵吸收式制冷若采用氨－－水溶

2擴散－－吸收式制冷如果在系統(tǒng)中加入某種輔助氣體，用以平衡系統(tǒng)的壓力，則可克服上述困難。因為氫氣的凝固點很低，容重又最小，且不會與氨水溶液起化學(xué)作用，因此選擇氫氣作為輔助氣體。9/13/202335

2擴散－－吸收式制冷如果在系統(tǒng)中加入某種輔助氣體，用2擴散－－吸收式制冷在發(fā)生器和冷凝器中氨蒸氣的壓力大約為16bar(對應(yīng)的冷凝溫度約40℃)，而要氨液在－2～－10℃沸騰汽化，對應(yīng)的蒸發(fā)壓力，也就是蒸發(fā)器和吸收器中的壓力約3～4bar。如在蒸發(fā)器和吸收器中加入氫氣，由于混合氣體的總壓力等于各組成氣體分壓力之和，就可使吸收器的總壓力與發(fā)生器的壓力平衡。9/13/2023362擴散－－吸收式制冷在發(fā)生器和冷凝器中氨蒸氣的壓力大約為2擴散－－吸收式制冷因為氫氣與氨水溶液不起化學(xué)作用，并且容易分離，因此，在蒸發(fā)器中發(fā)生的氨液沸騰汽化過程，以及在吸收器中發(fā)生的稀氨水溶液對氨蒸氣的吸收過程，都只與氨蒸氣的分壓力有關(guān)，而與氨氫混合氣體的總壓力無關(guān)。這就是說，在蒸發(fā)器和吸收器中加入氫氣，既可平衡系統(tǒng)的壓力，減小制冷機結(jié)構(gòu)上的困難，又不會影響氨正常的蒸發(fā)和吸收過程。9/13/2023372擴散－－吸收式制冷因為氫氣與氨水溶液不起化學(xué)作用，并且

2擴散－－吸收式制冷

蒸發(fā)器中氨氫混合氣體的氣力雖很高，但氨的分壓力卻很低，制冷劑氨液仍可在其低分壓所對應(yīng)的低溫下沸騰汽化制冷。液態(tài)氨在蒸發(fā)器中汽化的過程，也就是氨蒸氣在氫氣中的擴散過程。因此將這種制冷方式稱為擴散－－吸收式制冷。圖2.5是擴散－－吸收式制冷機的制冷系統(tǒng)原理圖。它的工作流程是：9/13/202338

2擴散－－吸收式制冷

蒸發(fā)器中氨氫混合氣體的氣力雖很高圖2.59/13/202339圖2.58/3/202339

2擴散－－吸收式制冷濃氨水溶液在發(fā)生器1中被熱源13(例如電熱絲、液化氣或煤油爐等)加熱，氨大量冷化形成的氨蒸氣泡夾帶著稀氨溶液，沿?zé)岷缥?或稱提升管)2上升，在管出口處空間容積突然變大，使氣液分離。分離出的稀氨水深液經(jīng)回流管(又稱下降管，位于提升管左側(cè))及溶液熱交換器9的外套管和氣液熱交換器7的外套管兩次降溫后，由吸收器10上部入口進入吸收器向下流動，與從吸收器下部入口進入吸收器向上流動的低壓氨蒸氣相遇混合，吸收氨蒸汽變成濃氨水溶液進入貯液器8。9/13/202340

2擴散－－吸收式制冷濃氨水溶液在發(fā)生器1中被熱源13(

2擴散－－吸收式制冷由于貯液器上部的氨氫混合氣體總壓力較高，使?jié)馊芤嚎捎少A液器經(jīng)溶液熱交換器9的內(nèi)管返回發(fā)生器1，完成的溶液的循環(huán)。9/13/202341

2擴散－－吸收式制冷由于貯液器上部的氨氫混合氣體總壓力2擴散－－吸收式制冷在熱虹吸口出口處分離出的氨蒸氣中不可避免含有少水蒸汽，此混合蒸汽進入分凝器3(又稱精餾器)后，水蒸汽的冷凝溫度較高，先凝結(jié)為水回流至發(fā)生器1。分凝后所得高純度的高壓氨蒸氣則進入冷凝器4冷凝為氨液。9/13/2023422擴散－－吸收式制冷在熱虹吸口出口處分離出的氨蒸氣中不可2擴散－－吸收式制冷從冷凝器排出的氨液經(jīng)U型液封供液管流至蒸發(fā)器5入口。U型液封可防止冷凝器中的高壓氨蒸氣進入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器入口處，氨冷凝液與來自回氫管(位于平衡管14右側(cè))的氫氣混合進入蒸發(fā)器。蒸發(fā)器中氨氫混合氣體的壓力雖很高，但氨的分壓力很低，氨液的其低分壓下沸騰汽化制冷?？梢?，氫氣的加入，可使氨的分壓力突然降低，還起到了類似節(jié)流的作用。9/13/2023432擴散－－吸收式制冷從冷凝器排出的氨液經(jīng)U型液封供液管流2擴散－－吸收式制冷從蒸發(fā)器流出的低溫氨氫混合氣體經(jīng)氣相熱交換器6的外套管和氣液熱交換器7的內(nèi)管，先后吸收氫氣和稀溶液的熱量后，流入貯液器8的上部，然后從吸收器的下部入口進入吸收器上行。其中的氨蒸氣則為在吸收器中下行的稀溶液所吸收，使溶液變濃后隨濃溶液流至貯液器，并經(jīng)溶液熱交換器返回發(fā)生器再次受熱汽化為氨蒸氣，完成制冷劑氨的循環(huán)。9/13/2023442擴散－－吸收式制冷從蒸發(fā)器流出的低溫氨氫混合氣體經(jīng)氣相2擴散－－吸收式制冷

從貯液器進入吸收器的氨氫混合氣體，在氨被吸收的同時，氫氣卻因不參與吸收過程而分離出來，并由于氫氣的容重小和不斷受熱，將繼續(xù)在吸收器中上行，再經(jīng)氣流熱交換器7和氣相熱交換器6蒸發(fā)器入口與氨液混合，完成氫氣的循環(huán)。9/13/2023452擴散－－吸收式制冷

從貯液器進入吸收器的氨氫混合氣體，2擴散－－吸收式制冷

平衡管14中充滿了氫氣，它連接在冷凝器4的出口與氣相熱交換器之間，而氣相熱交換器與蒸發(fā)器和吸收器都是相通的，這就是使得冷凝器與蒸發(fā)吸收回路之間的壓力得以平衡。9/13/2023462擴散－－吸收式制冷

平衡管14中充滿了氫氣，它連接在冷2.2吸收式制冷

設(shè)置貯氫器11，目的是在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，仍能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)的壓力，以保證制冷機的常年穩(wěn)定運行。小型醫(yī)療和移動吸收式制冷設(shè)備多采用擴散－－吸收式制冷。9/13/2023472.2吸收式制冷

設(shè)置貯氫器11，目的是在環(huán)境溫度發(fā)生變2.3半導(dǎo)體制冷原理前兩節(jié)介紹的制冷方法，都是利用制冷劑的液氣集態(tài)變化來實現(xiàn)制冷的。本節(jié)介紹利用熱電效應(yīng)的反效應(yīng)－－珀爾帖效應(yīng)來制冷的方法，稱為熱電式制冷。由于在應(yīng)用中，熱電式制冷采用半導(dǎo)體材料作電偶對，對這種制冷方式，又稱作半導(dǎo)體制冷。9/13/2023482.3半導(dǎo)體制冷原理前兩節(jié)介紹的制冷方法，都是利用制冷

2.3.1熱電效應(yīng)與珀爾帖效應(yīng)1熱電效應(yīng)如圖2.6(a)所示，將兩種不同的導(dǎo)體連接組成閉合環(huán)路，兩個連接點稱為節(jié)點。若加熱其中一個節(jié)點，冷卻另一個節(jié)點，環(huán)路中將有電流產(chǎn)生。這各由于溫差引起的電現(xiàn)象，稱為熱電效應(yīng)。發(fā)生熱電效應(yīng)的兩種不同導(dǎo)體的組合，稱為電偶對。9/13/202349

2.3.1熱電效應(yīng)與珀爾帖效應(yīng)1熱電效應(yīng)8/3/2圖2.6(a)9/13/202350圖2.6(a)8/3/202350圖2.6(b)

9/13/202351圖2.6(b)

8/3/202351

2珀爾帖效應(yīng)

如圖2.6(b)所示，若在電偶對組成的環(huán)路中拉入直流電源，那么其中一個節(jié)點的溫度會升高，向外界放出熱量；而另一節(jié)點的溫度將降低，吸收外界的熱量。這種與熱電效應(yīng)相反的電溫差效應(yīng)，稱為珀爾帖效應(yīng)。9/13/202352

2珀爾帖效應(yīng)

如圖2.6(b)所示，若在電偶對組成的環(huán)

3熱電效應(yīng)與珀爾帖效應(yīng)的應(yīng)用在熱電效應(yīng)中，熱節(jié)點與冷節(jié)點間的溫差越大，環(huán)路中的電流越大。若保持冷接點的溫度t0不變(如將冷接點置于0℃的冰水混合物中)，則電偶對中產(chǎn)生的電流大小，就僅由熱節(jié)點的溫度t決定。如圖2.7所示，在電偶對環(huán)路中拉入一電流計，此電流計的指標(biāo)，就可反映熱節(jié)點所處位置的溫度。這就是工程上熱工測量常用的熱電偶溫度計的測溫原理。9/13/202353

3熱電效應(yīng)與珀爾帖效應(yīng)的應(yīng)用在熱電效應(yīng)中，熱節(jié)點與冷節(jié)3熱電效應(yīng)與珀爾帖效應(yīng)的應(yīng)用反之，利用珀爾帖效應(yīng)，將電偶對的冷節(jié)點置于需致冷的空間部位，就可使該處致冷；而將電偶對的熱節(jié)點置于需供熱的空間部位，就可向該處供熱，這就是熱電式制冷和熱電式熱泵的基本原理。9/13/2023543熱電效應(yīng)與珀爾帖效應(yīng)的應(yīng)用反之，利用珀爾帖效應(yīng)，將電偶圖2.7

9/13/202355圖2.7

8/3/2023554珀爾帖效應(yīng)的微觀機理不同導(dǎo)體中自由電子的數(shù)密度大小不同，將兩種不同導(dǎo)體相連接時，在接觸處(即節(jié)點處)，自由電子將從其數(shù)密度大的導(dǎo)體向數(shù)密度小的導(dǎo)體擴散，從而在節(jié)點處出現(xiàn)電勢差，稱為接觸電勢差。當(dāng)有電流從高電勢端通過節(jié)點流向低電勢端時，其減少的電勢能將以熱能的形式向外界釋放，此節(jié)點就是向外界放熱的高溫節(jié)點，即熱節(jié)點；當(dāng)有電流從低電勢端通過節(jié)點流向高電勢端時，則需要以吸收熱量的形式從外界補充能量來提高它的電勢，此節(jié)點就成為向外界吸熱的低溫節(jié)點，即冷節(jié)點。9/13/2023564珀爾帖效應(yīng)的微觀機理不同導(dǎo)體中自由電子的數(shù)密度大小不同2.3.2半導(dǎo)體制冷器件

金屬導(dǎo)體的珀爾帖效應(yīng)十分微弱，對制冷沒有實用價值。如圖2.8所示，采用P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體用銅片焊接成電偶對時，珀爾帖效應(yīng)較為顯著。因此，實際應(yīng)用都采用半導(dǎo)體材料制作電偶對。9/13/2023572.3.2半導(dǎo)體制冷器件

金屬導(dǎo)體的珀爾帖效應(yīng)十分微弱2.3.2半導(dǎo)體制冷器件

一個半導(dǎo)體電偶對產(chǎn)生的致冷效應(yīng)一般約為1.163W，仍然較小。如將數(shù)十個半導(dǎo)體電偶對的冷熱兩端各放在一起，串聯(lián)組成熱電堆，就可獲得較大的制冷量。根據(jù)制冷所要求的溫差，熱電堆可制作成單級電堆和多級電堆。圖2.9(a)所示為單級電堆