低温工程.ppt

低 溫 工 程 第一章 制冷概論 1-1 如何制冷 1-2 低溫技術的發展 1-3 低溫技術的應用 第二章 低溫的獲得 2-1 溫區劃分 2-2 獲得低溫的方法 2-3 焦耳－湯姆遜係數 第三章 熱力循環 3-1 卡諾循環 3-2 理想之等溫源系統 3-3 等熵膨脹 1-1 如何制冷 利用物質的物理性質(例如 沸點.凝固點) 物理變化 (相變化) . 形成一個循環系統 藉由對系統環境吸熱或放熱的過程而 達到制冷的效果 . 1-2 低溫技術的發展歷史 完成氧氣液化初步實驗 Linde氏(慕尼黑)發現Linde Eismashinen AG Wroblewski氏製造出霧狀之液氫,完成氮氣及氧氣液化技術 1884 Wroblewski氏製造出霧狀之液氫 1892 Dewar氏(倫敦)成功地發展出採真空隔熱方式之低溫液容器 1895 Linde氏於德國取得空氣液化機之專利 1898 Dewar氏(倫敦)在倫敦皇家研究院完成氫氣液化 1902 Claude氏(法國)利用膨脹引擎原理(主要用來 預冷高壓欲液化之空氣) Linde氏在美國建立第一家空氣液化工廠,Claude 氏(法國)利用空氣液化工廠分離 - 氖氣 Onnes氏完成氦氣液化初步實驗及其它相關低 溫系統的研究(溫度達1.04K，約晚二年後) Linde氏發展一雙塔式空氣分離系統 Onnes氏首次發現水銀線在液氦沸點溫度以下 (極低溫)其電阻將趨近於零值，即所謂之超導(Superconductivity)現象 Goddard氏首次引用液氧－汽油當動力以推進火 火箭之飛行 . 同年 Giauque氏及Debye氏等人獨自地建議以絕熱去磁(Adiabatic demagnetization)方法以產生超低溫(Ultralow temperature)環境(低於0.1K)。 發明Freon冷媒 1938 在氦氣中之超流體現象被發現與進行相關研究 1-3 低溫技術的應用 超導技術方面的運用 空間技術方面的應用 真空技術方面的應用 紅外線技術方面的應用 醫學方面的應用 工業方面的應用 7. 固體物理方面的應用 2-1 溫區劃分 根據1971年國際制冷學會的建議 攝氏零度以下的低溫區可分為 普冷： 0 ℃ ~ －153 ℃ 普冷 ： －153 ℃ ~ － 272.7℃ 級低溫： － 272.7 ℃ 以下 2-2 獲得低溫的方法 相變制冷 : 利用物質相變潛熱的變化 達到熱量轉移的過程 熱電制冷 : 當迴路中通一電流時由於電 洞在P型半導體中的能階高於 在金屬片的能階,所以電洞從 金屬片流入P型半導體需要吸 熱進而達到制冷的效果 3.絕熱膨脹 (1) 等焓絕熱膨脹: 為1852年焦耳-湯姆遜效應 利用高壓氣體通過小孔絕 熱膨脹節流而變為低壓氣 體時會產生低溫效應 (2) 等熵絕熱膨脹: 1.等熵膨脹時氣體會對外作功， 導致氣體內能大幅降低。 2.等熵膨脹後氣體分子間平均距 離增大，導致分子間引力而產 生的位能也相對增加。 但是整個過程中沒有外界之熱 量與功輸入，因此只有降低分 子的動能使氣體溫度下降，產 生製冷能力。 2-3制冷循環 焦耳–湯姆遜 製冷器之原理 經過一節流裝置後會有一 壓降產生(或謂節流膨脹) 致使其溫度亦有一溫降現象 (除氫氣與氮氣外)，此早為 Joule氏與Thomson氏兩位 學者所發現 3-1卡諾循環 熱力循環是由二可逆絕熱過程 (等熵過程)及二等溫過程所構成 3-2 理想之等溫源系統 理想的等溫源系統所構建的 製冷器即是依卡諾循環所制 1. 過程1→2中工作介質(冷媒) 被壓縮時能量被棄之熱沉,使 維持冷媒溫度於一定常值， 此過程為一等溫壓縮過程 2.過程2→3中工作介質（冷媒） 由熱沉溫度TC進行可逆及絕熱 膨脹至熱源溫度TE，此過程為 一絕熱膨脹過程。 4.過程4→1中冷媒由熱源溫度TE 進行可逆及絕熱（等熵過程） 壓縮至熱沉溫度TC，此過程為 絕熱壓縮過程。 進行絕熱膨脹之氣體熱力 變化，即所謂之等熵膨