低溫發(fā)展史以及獲得方法

1、關(guān)于低溫發(fā)展史及獲得方法第一張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月制取和運(yùn)輸冰塊原始制冰機(jī) (1880年)第二張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Delivery of Cold (1900)Unloading bargesinto local ice storageLocal delivery by ice wagonThe local ice manHome ice boxIce harvestingUserSource第三張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Unloading bargesinto local ice storageLocal delivery by ic

2、e truckThe local ice manIce plantElectric power plantHome ice boxUserPowerlinesDelivery of Cold (1920)第四張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Unloading bargesinto local ice storageLocal delivery by ice truckThe local ice manIce plantElectric power plantHome refrigeratorUserPowerlinesFirst coupling of refrigerator to

3、 applicationDelivery of Cold (1930)第五張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Refrigerator Problems$714$4501922 Cost1922 Model-T Ford1922 RepairEvery 3 monthsAverage salary: $2000/yr1935 RepairToxic refrigerant leaksled to some deathsAdvancesRepairman bored第六張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1877 Pictet (法)空氣液化器第七張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022

4、年6月Sir James Dewar 1890年：低溫真空夾套容器，保持低溫Dewar（杜瓦）低溫杜瓦第八張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1895 Linde(德)空氣液化器第九張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Delivery of Cold (Cryogenics)Air Liquefaction and Separation100 t/d of O2 Typical Plant US Production3000 t/d (1955)1910 Plant2 t/d O2WeldingWelding, O2 steel furnace (1954)Air liquefie

5、r 1910 2td.jpgAir separation XB-98 Institute WV 1961.ppt1895Linde O2 liquefier10 L/hrLinde-2stage-10Lhr1895.jpg1950s Plant第十張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1908年：首次成功地把稱為永久氣體的氦液化，獲得4.2K（-2690C）的低溫源卡梅隆昂納斯1910：獲得1.04K，超流體1911：發(fā)現(xiàn)水銀電阻在4.2K時(shí)突然消失，即超低溫使物質(zhì)變成了新物態(tài)超導(dǎo)體。Onnes宣布這一發(fā)現(xiàn)時(shí)，還沒有看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當(dāng)成是有關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。第十一張，PPT共五

6、十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Helium Liquefaction (1950s)Collins helium liquefier Invented 1946; commercial 1947 4 L/h (original) 2 Expansion engines (Kapitza) 400 units worldwide (2005) Allowed 4 K research worldwideCollins2-1946.jpgCollins He liq schematic.tifCollins He liquefier-ADL.jpg第十二張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月20

7、世紀(jì)上半葉1902 Claude(法) 實(shí)用空氣液化系統(tǒng)，Air Liquide1907 Linde(德)公司 世界上第一個(gè)空氣液化工廠1908 Onnes(荷) 氦液化，凝聚態(tài)物質(zhì)研究之路，至今仍為物理研究主流方向 (Nobel Prize)1911 Onnes(荷) 發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性1926 Goddard(美) 液氧推進(jìn)劑火箭1926 Giaugue & Debye(美) 絕熱去磁 (Nobel Prize)1928 Keesom 超流性 (Nobel Prize)1933 1K低溫 磁制冷1934 Kapitza(俄) 氦液化膨脹機(jī) (Nobel Prize)1937 美 低溫粉末絕熱球罐1

8、942 德 V-2低溫液體推進(jìn)劑火箭試驗(yàn)成功第十三張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月20世紀(jì)下半葉1957 美國(guó) 液氫火箭1958 高真空多層絕熱1954 Gifford和McManhon(美) G-M制冷機(jī)1963 Gifford和Longsworth(美) 脈管制冷機(jī)1964 兩艘LNG船開始服役1966 Hall(英) 3He/4He稀釋制冷機(jī) (Nobel Prize) 1972 BCS理論:采用量子力學(xué)理論解釋超導(dǎo)性和超流性這些獨(dú)特而有趣的現(xiàn)象 (Nobel Prize) 1985 Klitzing 量子霍爾效應(yīng) (Nobel Prize) 1987 Muller和Bedno

9、rz(瑞士)氧化物高溫超導(dǎo)體(Nobel Prize) ；朱經(jīng)武(美），趙忠賢（中）, 高溫超導(dǎo)熱1990 De Gennes磁有序態(tài)(Nobel Prize) 1997 Chu et al.激光冷卻捕獲原子(Nobel Prize) 第十四張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、相變制冷（液體、固體）低溫獲得方法2、膨脹制冷節(jié)流，放氣3、熱電制冷、輻射制冷、吸附制冷4、磁制冷、氦3稀釋制冷第十五張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、相變制冷-液體汽化在制冷技術(shù)中最常采用的方法，此方法簡(jiǎn)單有效液體氣化的制冷量壓力，沸點(diǎn)，氣化潛熱，制冷量。為增大制冷量，液體在減壓下氣化是有利的。蒸

10、汽壓縮制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、蒸汽噴射制冷；氦液化裝置中用液氫、液氮預(yù)冷氦氣；低溫恒溫器保持物體低溫；液氮冷刀；液氦抽氣制冷（3He減壓氣化制取mK級(jí)低溫）等。第十六張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月原理：以固體制冷劑向高真空空間升華來(lái)獲得冷量。其工作溫度取決于制冷劑種類、系統(tǒng)壓力和熱負(fù)荷。如果改變蒸汽流量，從而改變系統(tǒng)背壓，就可以保持一個(gè)特定的溫度。制冷量應(yīng)用：冷卻紅外或射線探測(cè)器、機(jī)載紅外設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)：1)升華潛熱較高；2)儲(chǔ)存密度較大；3)固體制冷劑溫度較低，可提高紅外探測(cè)器的靈敏度相變制冷-固體升華第十七張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月常用固體制冷劑 固體TKrs

11、kJ/kgkg/m3固體TKrskJ/kgkg/m3H213.98.351.1900Ar83.847.8205.31710Ne24.513.5105.41490CH490.759.8494.2520N263.143.4152.0940CO2216.6125566.41700CO68.145.5295.01030NH3195.41501837.5800第十八張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月大多數(shù)實(shí)際制冷或液化系統(tǒng)都利用節(jié)流過程（焦耳-湯姆遜）來(lái)獲得低溫。氣體通過節(jié)流閥時(shí)，由于局部阻力。壓力顯著降低，稱為節(jié)流。截流時(shí)間短，可看作絕熱，如再忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化，可將節(jié)流過程看作等焓過程。h1

12、=h2由于摩擦阻力存在，實(shí)際節(jié)流過程是一個(gè)熵增的不可逆過程 2、節(jié)流無(wú)外功輸出膨脹過程氣體-節(jié)流第十九張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月焦耳-湯姆遜系數(shù) 理想氣體的焓值僅是溫度的函數(shù)，氣體節(jié)流時(shí)溫度保持不變，而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度會(huì)發(fā)生變化理想氣體： 第二十張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月節(jié)流時(shí)溫度降低 節(jié)流時(shí)溫度不變 節(jié)流時(shí)溫度升高 節(jié)流過程的物理特征第二十一張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月實(shí)際氣體的節(jié)流膨脹p2第二十二張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月轉(zhuǎn)化溫度 轉(zhuǎn)化溫度與壓力的關(guān)系 范德瓦爾狀態(tài)方程氣體轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線第二十三張

13、，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月氣體的最大轉(zhuǎn)化溫度氣體最大轉(zhuǎn)化溫度(K)氣體最大轉(zhuǎn)化溫度(K)He445氬Ar794H2205O2761氖Ne250CH4939N2621CO21500空氣603NH31994CO652轉(zhuǎn)化溫度低于環(huán)境溫度的氣體不能通過單獨(dú)節(jié)流獲得液化！預(yù)冷+節(jié)流 或 采用膨脹機(jī)第二十四張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月微分節(jié)流效應(yīng)：以焦-湯系數(shù)表示。積分節(jié)流效應(yīng)：等溫節(jié)流效應(yīng) ：節(jié)流效應(yīng)氣體經(jīng)等溫壓縮和節(jié)流膨脹之后具有制冷能力，是因?yàn)闅怏w經(jīng)等溫壓縮后焓值降低(在壓縮過程中不但將壓縮功轉(zhuǎn)化成的熱量傳給了環(huán)境介質(zhì)，且將焓差h0-h1也以熱量的方式傳給了環(huán)境介質(zhì))。

14、氣體的制冷能力是在等溫壓縮時(shí)獲得的，但通過節(jié)流才能表現(xiàn)出來(lái)，故等溫節(jié)流效應(yīng)是這兩個(gè)過程的綜合。對(duì)空氣、氧、氮、烷等常見氣體，當(dāng)提高節(jié)流前壓力或降低節(jié)流前溫度時(shí)，-hT值增加。 第二十五張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月有外功輸出的等熵膨脹 節(jié)流膨脹過程不能回收膨脹功，如采用帶膨脹機(jī)的等熵膨脹循環(huán)則可以回收膨脹功。克勞特液化系統(tǒng)、斯特林制冷機(jī)和維勒米爾制冷機(jī)等就是用絕熱膨脹的原理實(shí)現(xiàn)制冷的。微分等熵效應(yīng)：等熵膨脹時(shí)溫度隨壓力的變化率。 第二十六張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月氣體等熵膨脹時(shí)溫度總是降低的 等熵膨脹過程中，du+dw=duk+dup+dw=0。有外功輸出dw0，膨

15、脹后氣體的內(nèi)位能增大dup0，這些都需要消耗能量，只能由內(nèi)動(dòng)能來(lái)補(bǔ)償duk0降降降氣體液化流程和低溫制冷機(jī)好絕熱放氣00不回收降降降主要用于小型低溫制冷機(jī)中三種膨脹方式對(duì)比第三十四張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月可逆卡諾制冷循環(huán)冷 源 TR熱 源 T0 完全 絕熱 完全 絕熱 熵 s(a)可逆等溫壓縮；(b)可逆絕熱膨脹；(c)從低溫?zé)嵩次鼰岵⒖赡娴葴嘏蛎洠?d)可逆絕熱壓縮。T0TR卡諾-制冷循環(huán)第三十五張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月卡諾制冷機(jī)在T0=300K和低溫TR時(shí)的性能系數(shù)COP制冷溫度TR（K） 111.7 0.5932 1.686 77.4 0.3477 2

16、.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 卡諾制冷機(jī)COP第三十六張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、熱電制冷利用帕爾貼效應(yīng)制冷：在兩種不同金屬組成的閉合回路中，若通以直流電，就會(huì)使一個(gè)節(jié)點(diǎn)變冷，一個(gè)變熱，這種溫差電現(xiàn)象稱為帕爾貼效應(yīng)。在低溫制冷中不常采用。so(low entropy)sd(high entropy)Material 1Material 2ElectronFlow第三十七張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)

17、作于2022年6月利用物體向低溫冷源輻射散熱的方式進(jìn)行制冷。通常用于衛(wèi)星或空間飛行器，以宇宙空間為低溫冷源。由上海技物所為我國(guó)風(fēng)云3號(hào)氣象衛(wèi)星研制的中分辨率成像光譜儀輻射制冷器是新一代大冷量輻射制冷器。主要熱力學(xué)性能指標(biāo)：二級(jí)溫度達(dá)到82K，在97K下制冷量達(dá)到110mW，突破了100mW大關(guān)。 輻射制冷第三十八張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月蒸發(fā)制冷循環(huán)。利用吸附工質(zhì)液化后從外界吸熱蒸發(fā)制冷。間歇式基本循環(huán)，連續(xù)回?zé)嵫h(huán)（兩臺(tái)以上吸附器作為吸附壓縮機(jī)）。實(shí)際制冷方式為相變制冷。吸附制冷活性炭-甲烷物理吸附制冷機(jī) 2W/137K回?zé)嵝臀街评錂C(jī)第三十九張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于20

18、22年6月ACEQdQcACEQaQeA-吸附器；C-冷凝器；E-蒸發(fā)器；Qd-加熱顯熱及脫附熱；Qc-冷凝熱； Qa-冷卻顯熱及吸附熱, Qe-制冷量 吸附制冷 第四十張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月吸附式制冷系統(tǒng)中吸附和脫附從理論上來(lái)說是恒壓過程固體吸附劑受熱解吸出制冷劑，在制冷劑壓力達(dá)到冷凝壓力時(shí)即開始脫附-冷凝過程，制冷劑被冷凝成液體吸附與解吸過程吸附過程脫附過程第四十一張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月用于低溫溫區(qū)的吸附制冷工質(zhì)對(duì)只能采用低溫氣體工質(zhì)，吸附劑也主要采用活性炭、分子篩或一些化學(xué)吸附物質(zhì)由于采用J-T節(jié)流制冷方式，解吸出的氣體必須先經(jīng)預(yù)冷至轉(zhuǎn)化溫度以下，

19、否則不可能實(shí)現(xiàn)低溫氣體工質(zhì)的液化常用吸附式制冷工作對(duì)及其工作溫區(qū) 吸附工質(zhì)第四十二張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4、如何獲得更低的溫度采用氣體或液體作為制冷工質(zhì)，因?yàn)樵?.6K時(shí)所有其他材料均為固體，只能利用氦4或氦3減壓蒸發(fā)，所獲溫度取決于液體上方的壓力。1K/16Pa，0.6K/37.5mPa (He4)0.6K/72.6Pa (He3)實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所得到的溫度下限是：0.4K，而且維持低壓十分困難。如何得到更低的溫度？第四十三張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁熱效應(yīng)固體磁性物質(zhì)（磁性離子構(gòu)成的系統(tǒng)）在受磁場(chǎng)作用磁化時(shí)，系統(tǒng)的磁有序度加強(qiáng)（磁熵減?。?，對(duì)外放出熱量；再

20、將其去磁，則磁有序度下降（磁熵增大），又要從外界吸收熱量。這種磁性離子系統(tǒng)在磁場(chǎng)施加與除去過程中所出現(xiàn)的熱現(xiàn)象稱為磁熱效應(yīng)第四十四張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月最大偶極子熵為:為確保絕熱去磁過程成功的溫度條件為:溫度上限T0為: 絕熱去磁過程只能在極低溫下實(shí)現(xiàn)，若要實(shí)現(xiàn)顯著的溫降，晶格熱必須遠(yuǎn)小于順磁鹽的磁極熵。在極低溫下，晶格熵為:磁熱效應(yīng)基本原理第四十五張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁制冷發(fā)展歷史1907年Langevin：順磁體絕熱去磁過程中，溫度會(huì)降低1927年Debye和Giauque預(yù)言了可以利用此效應(yīng)制冷。順磁物質(zhì)可代替氣體或液體，磁場(chǎng)可代替流體的膨脹來(lái)得

21、到低溫1933年美國(guó)和荷蘭的科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了絕熱去磁制冷,獲得0.3K-0.09K的低溫。從此，在極低溫領(lǐng)域（mK級(jí)至16K范圍）磁制冷發(fā)揮了很大作用第四十六張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁制冷機(jī)磁制冷采用卡諾循環(huán)，磁材料用稀土順磁鹽理想磁制冷機(jī)的COP同卡諾制冷機(jī)的相同磁制冷機(jī)可以在失重狀態(tài)下運(yùn)行第四十七張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月理想狀況下，從儲(chǔ)存鹽中吸熱量為: 理想情況下，工質(zhì)鹽對(duì)外放熱為:對(duì)整個(gè)循環(huán)應(yīng)用第一定律，循環(huán)凈功為: 12：等溫磁化（排放熱量）23：絕熱退磁（溫度降低）34：等溫退磁（吸收熱量制冷）41：絕熱磁化（溫度升高） 熱力學(xué)循環(huán)第四十八張，PPT共

22、五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁制冷機(jī)的實(shí)際和理想性能第四十九張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁制冷研究現(xiàn)狀低溫磁制冷技術(shù)比較成熟。美國(guó)、日本、法國(guó)均研制出多種低溫磁制冷冰箱，為各種科學(xué)研究創(chuàng)造極低溫條件。例如用于衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器的參數(shù)檢測(cè)和數(shù)處理系統(tǒng)中，磁制冷還用在氦液化制冷機(jī)上。高溫區(qū)磁制冷尚處于研究階段。雖然1976年Brown就成功進(jìn)行了室溫磁制冷實(shí)驗(yàn)。但溫度20K以上，特別是近室溫附近，磁性離子系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)大大加強(qiáng)，順磁鹽中磁有序態(tài)難以形成，它在受外磁場(chǎng)作用前后造成的磁系統(tǒng)熵變大大減小，磁熱效應(yīng)也大大減弱。所以，進(jìn)入高溫區(qū)制冷，低溫磁制冷所采用的材料和循環(huán)都不適用。 第五十張，PPT共五十六頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁制冷研究現(xiàn)狀磁制冷不要壓縮機(jī)、噪聲小，小型量輕等優(yōu)點(diǎn)