制冷与低温应用之超导25页PPT

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11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
制冷就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克

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制冷与低温技术之
超导的应用
热能08—1班***第二小组

制冷技术的发展史
人工制冷技术是从19世纪中也开始发展的。 1834年美国发明家波尔金斯Jacob Perkins）首次造出了 以乙醚在封闭循环中膨胀制冷的蒸汽压缩式制冷机 1844年美国人戈里(John Garre)用空气封闭循环造出了世 界上第一台制冷和空调用的空气制冷机。 1858年美国人尼斯取得了制冷库设计的第一个美国专利， 从此商用食品冷藏事业开始了发展。 1859年法国人卡列设计制造了第一台氨水吸收式制冷机。 1910年莱兰克发明了蒸汽喷射式制冷机。 1929年发现了具有无毒、不燃烧性质的氟利昂制冷剂后， 制冷技术发展得更快了。20世纪80年代制冷行业步入新的 历史阶段，同时，新的降温方法扩大了低温范围，并进入 了超低温领域，现在低温制冷温度已达到mK级。
超导的发现
1911年，卡末林 ·昂内斯和他的学生一起， 选择了当时最容易提纯的水银作为实验材 料，在液氦的温度下进行了认真的研究。 实验的结果使他们大吃一惊。当温度降到 4.2 K 左右时，水银的电阻竟然突然地消失 了！经过反复检查后，卡末林· 昂内斯终于 证实了这是真实的情况。昂内斯因对物质 低温性质的研究和液氦的制备而获得1913 年度的诺贝尔物理学奖。
超导热持续升温，而且持续的时间在科学史上是最长的， 涉及的人数也是最多的，这是什么原因呢？正如高温超导 体一出现，世界的科学家们就断言：第四次工业革命即将 到来。因为高温超导体实现了在强电方面的应用，全球的 电力输送，从发电到供配电模式都将全部改变，若能做到 无损耗地输电，仅美国一个国家一年即可节省100 亿美元。 采用超导材料建设超导电子对撞机的电子贮存环，有可能 使达到40 万亿电子伏特的粒子发生对撞，对揭示神奇的 微观世界和物质结构元将有重大的贡献。超导在弱电应用 方面，如电子通讯、信息技术、精密仪表、核物理、医学、 军工、宇航的应用均有着广阔的前景。高温超导的超导量 子干涉仪已经诞生，为在上述领域中制备有关仪器打下了 基础。超导材料的成功应用。对电力工程、磁流体发电、 超导电子学、地球物理、国防科学、生物磁学、医学等十 几个学科都带来重大影响，高温超导材料在21 世纪无疑 会大放异彩。

超导技术在军事工业中也可 以发挥其特有的作用，超导扫雷 具就是其中之一。超导扫雷具的 工作原理是：超导扫雷具模拟舰 船磁场特性，采用两根大电流电 缆在海水中形成电极，并与海水 组成闭合电路产生磁场，或者在 船上安装一个电磁体产生磁场， 从而得以将磁水雷引爆
(6)科学工程和实验室应用
• 科学工程和实验室是超导技 术应用的一个重要方面，它 包括高能加速器、核聚变装 置等。高能加速器用来加速 粒子产生人工核反应以研究 物质内部结构，是基本粒子 物理学研究的主要装备。
当通过超导体中的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电 流称为临界电流 临界磁场(Hc): 逐渐增大磁场到达一定值后，超 导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电 性所需的最小磁场
临 界 温 度
(Tc)
临界磁场
逐渐增大磁场到 H 达一定值后，超导体 会从超导态变为正常 Hc(0) 态，把破坏超导电性 所需的最小磁场称为 临界磁场，记为Hc。
超导发电机
在电力领域，利用超导线 圈磁体可以将发电机的磁场强 度提高到5万～6 万高斯，并且 几乎没有能量损失，这种发电 机便是交流超导发电机。超导 发电机的单机发电容量比常规 发电机提高5～10倍，达1万兆 瓦，而体积却减少1/2，整机重 量减轻1/3，发电效率提高50％
超导限流器
超导限流器是利用超 导体的超导/正常态转变 特性，有效限制电力系 统故障短路电流，能够 快速和有效地达到限流 作用的一种电力设备。 超导限流器集检测、触 发和限流于一体，反应 速度快，正常运行时的 损耗很低，能自动复位， 克服了常规熔断器只能 使用一次的缺点 。
巴丁、库柏、施里弗
巴丁、库柏、施里弗获得了1972年诺贝 尔物理奖
BCS理论的三个观点

接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中 的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导 体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的 实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼 斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。
5:超导体的应用
❖ 电子学应用
自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术在 电子学中的应用揭开了新的篇章，经过多年的发展， 至今已有许多新型的超导电子器件研制成功，这些 超导电子器件包括：超导量子干涉器（SQUID）、 超导混频器、超导数字电路、超导粒子探测器等。
❖ 生物医学应用
超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成 像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR） 核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与 外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。
※BCS理论的一个基本近似是：取消了电－声子作用 对能量与动量的依赖关系，采用了常数截断处理。 实际上，该理论假设，只在费米面以外一定的能层 内，两电子间才会具有吸引作用而形成Cooper对， 且为作德用 拜势 频的 率大 。小 ）不实变际。上（在能晶层体范中围与为电子相D 关的相D 互， 作用是非常复杂的，因此虽然它能够解释低温超导 体大多数特征，但铅，汞，铌等几种元素的性质却 与BCS理论计算有相当的出入。——此时应当用强耦 合理论对其加以修正。
※伦敦方程的修正－Pippard非局域理论
JS与A(r)的非局域关系－Pippard方程：
j (r , t)
3
4l
d 3r
R
R A(r)
R4
eR/p
其中， 并且假设 a
nse2 m

其中超导体的研究是是当今最热话题之一，
也是很有应用前景的研究方向。
❖ 超导体可以有非常大的用途，这也是各国科学家努力研究 超导的重要原因。用超导体输送电能可以大大减少消耗， 用高温超导体材料加工的电缆，其载流能力是常用铜丝的 1200倍；利用超导体可以形成强大的磁场，可以用来制造 粒子加速器等，如用于磁悬浮列车，列车时速可达500千 米；利用超导体对温度非常敏感的性质可以制造灵敏的温 度探测器。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性， 因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳 态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场， 需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超 导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导 输电线路等。
於铌三锗合金(Nb3Ge)，其Tc为23.3 K （超导高低温材料分界点）
❖人们不得不以巨额投资设计和建造庞大的 液氦站，建立繁杂的辅助设备，把气态的 氦转变成液体氦，然后通过辅助设备送到 使用的装置上去。所以当超导材料的超导 转变温度还是在23.3K 的时候，科学家们的 美梦，只好冻结在漂渺的脑海之中。然而， 要提高超导材料的超导转变温度，并不是 一件轻而易举的事。经过75年的漫长岁月， 超导材料的超导转变温度从4.2K 到23.2K， 仅提高了19K，这种缓慢的进展速度，多么 令人困扰！
方面，如电子通讯、信息技术、精密仪表、核物理、医学、
军工、宇航的应用均有着广阔的前景。高温超导的超导量
子干涉仪已经诞生，为在上述领域中制备有关仪器打下了
基础。超导材料的成功应用。对电力工程、磁流体发电、
超导电子学、地球物理、国防科学、生物磁学、医学等十 几个学科都带来重大影响，高温超导材料在21 世纪无疑 会大放异彩。

机的完善度；
（2）COP，EER， 的定义在实际上是不同的，具体应
用应该根据标准 ；
（3）性能还可用SEER来评价。
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3.1 可逆制冷循环
• 逆卡诺制冷循环
C O P c Q 0 / W T L S / ( ( T H T L ) S ) 1 / ( T H / T L 1 )
逆卡诺循环的性能系数仅与TH和TL有关，与工质无关。
给定 T H , T L条件下具有的最好热力性能； （3）循环的热力性能仅与 T H , T L 和制冷剂有关。 • 作用：
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3.3 单级压缩式制冷的实际循环
• 实际循环与理论循环的比较（热力过程）
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3.3 单级压缩式制冷的实际循环
• 各种实际因素对循环的影响 （1）过冷度 （作用、获得方法）
吸收剂溶液的浓度越高， 制冷剂的分压力越低。
• 常用的吸收剂和制冷剂 对：溴化锂 – 水； 水–氨
• 使用的是热能；左边相 当于压缩机。
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热电制冷
• 工作原理 物理定律
• 系统简图 • 通过并联或串联方式，
可以改变制冷温度和 制冷量。 • 没有制冷工质和循环。 • 能量转换效率低，常 用于特殊场合。
目的：环保、提高热力性能，增加运行安全性。 选择原则：在环保、热力性能大致相当情况下， 优先共沸、近共沸、共沸。 原因：泄露会造成成分改变。 一般非共沸制冷剂传热比较差。
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3.4 制冷剂-----实用制冷剂
• 天然制冷剂环保最好，但是通常有些热力 性能和工作安全性的问题。氟利昂通常热 力性能好，价格贵，并注意环保问题。
比热容可查表或者用程序计算。
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3.4 制冷剂-----性质

56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
制冷与低温应用之超导
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
ห้องสมุดไป่ตู้

4.2~0.1
气体分离、超导、激光、
信息、空间技术、低温 生物与医学、低温物理 与低温技术
极低温0.1~0源自基础研究Heike Kamerlingh Onnes
系统包括压缩机、两端密封的 气缸、气缸中的位移器，和回 热器。
制冷效果影响因素： 回热器效率 沿着位移器的导热和壳体漏热 气体与回热器往复换热 回热器中存在的一定容积 G-M系统的突出优点之一是它可 实现多级化。多级系统中的所有 阀门都在室温下工作，三个位移 器由一个驱动机构操纵。
制冷室温120空调冷藏等低温12342气体分离超导激光信息空间技术低温生物与医学低温物理与低温技术超低温4201极低温010基础研究heikekamerlinghonnes系统包括压缩机两端密封的气缸气缸中的位移器和回制冷效果影响因素
名称
制冷
温度范围/K
室温~120
应用领域
空调、冷藏等
低温
超低温
123~4.2