自然冷却制冷技术第二版

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自然冷却制冷技术第二版

前言

目前普遍使用的制冷技术是压缩制冷。制冷过程是这样的:首先对制冷气体进行压缩,气体放热,接着风机将热量带走,然后气体解压,气体温度降低。这样技术能耗太高,不环保,是一种应该淘汰的技术。

另外还有一种不常用的激光制冷技术,即反斯托克斯荧光制冷。原理是利用激光来对特定原子进行照射,限制原子的运动,达到制冷的效果。由于实现起来比较难,一般只在实验室里面使用。

在这里,我要提出一种新型的环保的制冷技术,我把他叫做自然冷却制冷技术。这是一种很奇特的技术,无需消耗能量,而是利用物质的自身特性实现自然制冷。有人可能会说:“在日常生活中,我们看到的热量都是从高温的地方流到低温的地方。不通过能量去改变怎么行呢?”。要回答这个问题,首先要阐述这种技术的原理。

原理

基尔霍夫(Kirchhoff)辐射定律

根据基尔霍夫(Kirchhoff)辐射定律,在封闭系统中,当热辐射达到平衡时,物体的表征辐射能力的系数ε(λ)(发射率)与物体的表征吸收辐射能力的系数а(λ)(吸收率)相等。

热辐射无处不在,物体的分子和原子不断地向外发射能量,同时吸收外界辐射过来的能量。当发射和吸收平衡,那么物体的温度保持不变。对于透明体来说,每个分子和原子都向外辐射能量。对于非透明体,那么只有表面几微米深的分子和原子可以向外辐射能量。任何非透明体的表面深度为几微米的分子和原子可以看做透明体。换句话说,任何非透明体只要足够薄,那么可以看做是透明体。那么,在研究热辐射时,任何物质都可以等同于一个包含反射表面的黑体。

图1

如图1所示,在真空的封闭系统中放入一个普通物体和一个纯黑体(黑体2)。不管热辐射从黑体2辐射到物体,还是从物体辐射到黑体2,都会在物体表面发生反射。假设物体表面对射

出辐射的反射率为r1(λ),对射入辐射的反射率为r2(λ),那么得:

а(λ)=1-r2(λ);

ε(λ)=1-r1(λ)。

如果黑体1和黑体2的温度相同,根据玻尔兹曼定律,两个黑体辐射出的能量相同,如果辐射平衡,即ε(λ)等于а(λ),那么必然得到r1(λ)等于r2(λ)。即推出基尔霍夫(Kirchhoff)辐射定律,吸收能力强的物质那么发射能力也强,反之,发射能力强的物质,那么吸收能力也强。换一句话说,如果物质反射射入辐射能力强,那么反射射出辐射的能量也强。

密闭真空中热辐射物体之间的温差普遍存在

密闭真空中,当物质之间的热辐射达到平衡时,物质之间的温差普遍存在。

通过研究金属的反射率,我发现一个规律:

1、波长(λ)越短,反射率越低,波长(λ)越长,反射率越高;

2、入射角越小,反射率越低,入射角越大,反射率越越高;

3、P偏振辐射反射率低于S偏振辐射反射率;

4、平均反射率普遍存在r1(λ)>r2(λ),即射出的反射率大于射入的反射率;

5、某些金属P偏振反射率总体r1(λ)>r2(λ),入射角小时存在r1(λ)

6、入射角等于0度时,r1(λ)==r2(λ);

7、不同的物质的反射率不同。

从以上规律可以看出,根据兰贝特余弦定律,如果物体的辐射集中在法线方向,而且物体和黑体2尺寸较小,距离较远,那么可以认为r1(λ)==r2(λ),那么黑体1和黑体2的温度是基本相等的,这符合基尔霍夫热辐射定律。

当物体和黑体2之间的距离很近,那么总的r1(λ)>r2(λ),即总的ε(λ)<а(λ),那么黑体1和黑体2之间将会存在温差。

当ε(λ)<а(λ)时,为了达到热辐射平衡,那么黑体1必须比黑体2发射出更多能量,这时物体T1的温度将高于黑体2的温度T2。

由于黑体辐射能力和温度的4次方成正比,只要存在一点点温差,辐射能力就差别很大。要体现温差,必须寻找r1(λ)和r2(λ)相差较大的物质,否则,即使存在温度差,也无法测量出来。

通过研究金属的反射率,发现钛(Titanium/Ti)、铬(Chromium/Cr)、钴(Cobalt/Co)、镍(Nickel/Ni)等金属的在入射角较大时,r1(λ)和r2(λ)差别较大,可以使用这些金属来测试温差是否存在。

物体之间普遍存在温度差的论断和基尔霍夫(Kirchhoff)热辐射定律有出入。从上面论述可以知道,当两个物体之间的距离较远时,或者热辐射有较强的方向性时,使得r1(λ)和r2(λ)差别很小,那么基本是符合基尔霍夫(Kirchhoff)辐射定律的。当两个物体距离很近时,就会存在r1(λ)>r2(λ)的情况,达到辐射热平衡时,存在ε(λ)<а(λ)的情况,即存在温度差。

冷却管

应用上述的原理,可以设计一根冷却管,通过这根冷却管来实现自然冷却制冷。

图2

如图2所示,冷却管由两根管组成,每根管的内外涂上不同物质,使得管之间出现温差;每根管都是热的良导体。两根管中间抽成真空。由于每根管都是热的良导体,因此每根管的各自温度可以认为相同。

制冷流程

根据上述推论,内管和外管存在一个温度差ΔT。

当待冷却气体流过内管时,由于管是热的良导体,内管的温度等于气体的问题,即温度升高。为了保持这个温度差ΔT,内管会继续向外辐射更多的能量,内管的温度降低,待冷却的温度减低。外管温度升高,如果外管和大气相连,那么热量将被大气中的分子带走。

提高温度差

如图2所示,外管和内管之间存在一个温度差ΔT。这个温度差ΔT可能很小,可能在实际应用中没多大意义。

为了提高总的温差,可以使用多根管来组合。

图3

如图3所示,使用三根管,管与管之间抽成真空,那么外管和内管之间的温度差为2ΔT。同样原理,为了提高总温差,可以根据需要继续套管,直到温度差满足需要为止。

真空的代替方案

如果由很多管套在一起,要把他们都抽成真空,那么实现起来比较麻烦。可以考虑使用绝热透明材料来填充。如果管间的ΔT较高,那么是可以代替的。这个要根据实验结果来决定。

自然冷却的实现

使用冷却管可以实现无需能源的室内降温。

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