李欣武漢大學(xué)

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制冷技術(shù)的發(fā)展

李欣
武漢大學(xué)

摘要：制冷，即將環(huán)境溫度降低到或者維持在自然溫度以下，已經(jīng)擁有非常久遠(yuǎn)的歷史，隨著時(shí)代的進(jìn)步，這一技術(shù)也漸漸取得了一些突破性的發(fā)展，新興的一些技術(shù)有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，就中國(guó)目前的制造業(yè)水平來(lái)說(shuō)，仍舊有很長(zhǎng)的路要走，希望在穩(wěn)步發(fā)展與積極創(chuàng)新的共同作用之下，中國(guó)能在制冷技術(shù)領(lǐng)域取得更為深刻的進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：制冷；方法；蒸氣壓縮式制冷；熱聲制冷；中國(guó)制冷技術(shù)的現(xiàn)狀與前景

“制冷”指的是使自然界的某物體或某空間處于低于周圍環(huán)境的溫度，并使之維持在這個(gè)溫度。人類從自然環(huán)境開(kāi)創(chuàng)了滿足人類生產(chǎn)、生活所需的人工環(huán)境就是依靠“制冷”，“制冷”技術(shù)促進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展，推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步。但是在創(chuàng)造人工環(huán)境的同時(shí)也付出了大量的能源和環(huán)保代價(jià)。因此，我們不僅要?jiǎng)?chuàng)造更為優(yōu)越的人工環(huán)境，也要充分利用自然環(huán)境，以減少對(duì)能源的需求。就創(chuàng)造人工環(huán)境而言，可分為空間人居環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)境，人類對(duì)環(huán)境的需求包括兩個(gè)方面，一類是人類生產(chǎn)與生活環(huán)境，另一類是保障人類飲食安全的環(huán)境?？臻g人居環(huán)境主要是創(chuàng)造宜居舒適的生活環(huán)境，它涉及生理學(xué)和心理學(xué)，主觀因素和客觀因素。而生產(chǎn)環(huán)境則不同，它純屬于客觀因素，對(duì)環(huán)境溫濕要求較寬。

有兩種可以實(shí)現(xiàn)制冷的途徑，分別是利用天然冷源和人造冷源。公元前1000年人類就有計(jì)劃地存儲(chǔ)和應(yīng)用天然冰，用于食品存儲(chǔ)和環(huán)境降溫。14世紀(jì)開(kāi)始，人們利用冰和氯化鈉的混合物凍結(jié)食品。16世紀(jì)后，水蒸氣冷卻空氣的技術(shù)出現(xiàn)了。1890年左右空氣調(diào)節(jié)獲得了初步的發(fā)展，既有工業(yè)空調(diào)又有舒適空調(diào)，“空氣調(diào)節(jié)”這一名詞是在1906年出現(xiàn)的，從而出現(xiàn)一個(gè)巨大的企業(yè)——天然冰的儲(chǔ)配，同時(shí)也創(chuàng)造出一些人類所需要的溫濕的環(huán)境。自從19世紀(jì)中葉人工環(huán)境時(shí)代的開(kāi)創(chuàng)，1834年第一臺(tái)乙醚活塞制冷機(jī)問(wèn)世，1844年出現(xiàn)空氣制冷劑，1859年出現(xiàn)吸收式制冷劑，1890年制冰工業(yè)開(kāi)始，從而開(kāi)創(chuàng)了制冷空調(diào)工業(yè)。此外，由于1928年氟利昂R12的問(wèn)世，人類開(kāi)始從采用天然制冷劑邁向采用人工合成制冷劑的時(shí)代。這樣，人類從采用天然冷源邁向采用人造冷源的時(shí)代，創(chuàng)造出了各種人工環(huán)境，人類的生活發(fā)生了重大的變化。

實(shí)現(xiàn)人工制冷的方法有很多，按物理過(guò)程的不同可以分為：液體汽化法、氣體膨脹法、熱電法、固體絕熱去磁法等。制冷劑是制冷裝置中進(jìn)行循環(huán)制冷的工作物質(zhì)，又被稱為“工質(zhì)”。自從Ja-cob Perkins于1834年采用乙醚制造出蒸氣壓縮式制冷裝置以后，人們開(kāi)始嘗試采用CO2、NH3、SO2等等作為制冷劑；20世紀(jì)初，人們開(kāi)始采用一些碳?xì)浠衔镒鳛橹评鋭?，如乙烷、丙烷、氯甲烷等；而制冷技術(shù)的真正革新是在1928年Midgley和Henne制出R12即氟利昂族制冷劑，從此人類開(kāi)始從采用天然制冷劑步入合成制冷劑時(shí)代。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了一些共沸混合工質(zhì)，如R502等；60年代非共沸混合工質(zhì)開(kāi)始得到研究與使用。但是，20世紀(jì)70年代人們發(fā)現(xiàn)含氯或溴的合成制冷劑會(huì)造成大氣臭氧層的破壞，引起非常嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。所以，環(huán)境保護(hù)是現(xiàn)在選擇制冷劑需要納入考慮范圍的重要問(wèn)題。

理想制冷循環(huán)的關(guān)鍵就是制冷劑與冷源和熱源之間都必須在無(wú)溫差條件下進(jìn)行可逆的換熱過(guò)程。然而，實(shí)際的換熱過(guò)程都是存在溫差的，否則就要求蒸發(fā)器或冷凝器應(yīng)具有無(wú)限大的傳熱面積，這顯然是不合理的。這樣，有傳熱溫差的制冷循環(huán)的冷凝溫度必然高于冷卻劑的溫度，蒸發(fā)溫度必然低于被冷卻物的溫度，因此，與無(wú)溫差的理想過(guò)程相比，其制冷系數(shù)必然會(huì)降低，傳熱溫差越大，制冷系數(shù)下降的越多。在實(shí)際運(yùn)行中，我們需要通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的分析去選擇合理的傳熱溫差，使得初投資和運(yùn)行費(fèi)的綜合值最為經(jīng)濟(jì)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，熱聲制冷作為一種新的制冷技術(shù)倍受關(guān)注。與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷技術(shù)相比，熱聲制冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分顯著。熱聲制冷采用惰性氣體或其混合物代替了對(duì)環(huán)境有害的制冷劑作為工質(zhì)，降低了對(duì)環(huán)境的破壞作用；其基本機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，而且不需要貴重的材料，因此在成本上的優(yōu)勢(shì)很大；它們不需要油密封或潤(rùn)滑，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)使得其壽命得以延長(zhǎng)。熱聲制冷技術(shù)克服了傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)，有望成為制冷技術(shù)的新的發(fā)展方向。據(jù)了解，熱聲系統(tǒng)的工作原理是基于熱聲效應(yīng)，它是指當(dāng)在聲波稠密時(shí)加入熱量，在聲波稀疏時(shí)排出熱量時(shí)聲波得到加強(qiáng)；反之聲波稠密時(shí)排出熱量，在聲波稀疏時(shí)吸入熱量，則聲波得到削弱。當(dāng)然，實(shí)際的熱聲理論要比這復(fù)雜得多。

目前熱聲制冷的設(shè)計(jì)水平及制造工藝正在不斷的提高，各國(guó)也不斷地尋求技術(shù)上的突破。美國(guó)在熱聲領(lǐng)域內(nèi)處于領(lǐng)先地位，投入多，研究機(jī)構(gòu)廣泛，因而取得了許多突破性的進(jìn)展。在上個(gè)世紀(jì)90年代早期，美國(guó)海軍研究生院(NPS)的Garrett教授就開(kāi)發(fā)制造了熱聲制冷機(jī)；2000年左右，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的熱聲制冷機(jī)問(wèn)世。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱聲制冷必將成為未來(lái)制冷技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。近年來(lái)，我國(guó)的制冷技術(shù)發(fā)展較快，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在機(jī)器制造精度、加工工藝水平、材質(zhì)的選用等方面仍然還有很多不足之處。目前，我國(guó)在螺桿式制冷壓縮機(jī)的研發(fā)方面也取得了很大的進(jìn)步，由西安交通大學(xué)和煙臺(tái)冰輪集團(tuán)股份公司聯(lián)合研發(fā)的螺桿式制冷壓縮機(jī)技術(shù)榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，其能效和噪音等指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

雖然近些年國(guó)產(chǎn)制冷壓縮機(jī)在技術(shù)水平、加工工藝等方面取得了很大進(jìn)步，但由于目前所采用的材質(zhì)、加工精度、裝配技術(shù)等方面的問(wèn)題，與國(guó)外品牌的技術(shù)水平仍然存在著很大的差距，具體體現(xiàn)在機(jī)器的故障率高、噪音偏大，外形笨重等方面。隨著我國(guó)制冷壓縮機(jī)研發(fā)水平的不斷提高，資本積累過(guò)程的逐步完成，技術(shù)實(shí)力的進(jìn)一步加強(qiáng)，相信我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的壓縮機(jī)會(huì)逐漸在世界市場(chǎng)中占有一席之地。隨著中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展及中國(guó)自主創(chuàng)新能力的提高，中國(guó)的制冷技術(shù)行業(yè)一定會(huì)取得更長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介：李欣（1995-），女，漢族，安徽安慶人，在校大學(xué)生，武漢大學(xué)。