制冷技術(shù)的發(fā)展

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)擁有非常久遠的歷史，隨著時代的進步，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)有它獨特的優(yōu)勢，就中國目前的制造業(yè)水平來說，仍舊有很長的路要走，希望在穩(wěn)步發(fā)展與積極創(chuàng)新的共同作用之下，中國能在制冷技術(shù)領(lǐng)域取得更為深刻的進步。

關(guān)鍵詞：制冷；方法；蒸氣壓縮式制冷；熱聲制冷；中國制冷技術(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，并使之維持在這個溫度。人類從自然環(huán)境開創(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)促進了人類社會的發(fā)展，推動了人類文明的進步。但是在創(chuàng)造人工環(huán)境的同時也付出了大量的能源和環(huán)保代價。因此，我們不僅要創(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，人類對環(huán)境的需求包括兩個方面，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，對環(huán)境溫濕要求較寬。

有兩種可以實現(xiàn)制冷的途徑，分別是利用天然冷源和人造冷源。公元前1000年人類就有計劃地存儲和應(yīng)用天然冰，用于食品存儲和環(huán)境降溫。14世紀(jì)開始，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)一個巨大的企業(yè)——天然冰的儲配，同時也創(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)境時代的開創(chuàng)，1834年第一臺乙醚活塞制冷機問世，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)開始，從而開創(chuàng)了制冷空調(diào)工業(yè)。此外，由于1928年氟利昂R12的問世，人類開始從采用天然制冷劑邁向采用人工合成制冷劑的時代。這樣，人類從采用天然冷源邁向采用人造冷源的時代，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。

實現(xiàn)人工制冷的方法有很多，按物理過程的不同可以分為：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，人們開始嘗試采用CO2、NH3、SO2等等作為制冷劑；20世紀(jì)初，人們開始采用一些碳氫化合物作為制冷劑，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，從此人類開始從采用天然制冷劑步入合成制冷劑時代。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)境保護是現(xiàn)在選擇制冷劑需要納入考慮范圍的重要問題。

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溫差條件下進行可逆的換熱過程。然而，實際的換熱過程都是存在溫差的，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，與無溫差的理想過程相比，其制冷系數(shù)必然會降低，傳熱溫差越大，制冷系數(shù)下降的越多。在實際運行中，我們需要通過技術(shù)經(jīng)濟的分析去選擇合理的傳熱溫差，使得初投資和運行費的綜合值最為經(jīng)濟。

進入21世紀(jì)以來，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)勢十分顯著。熱聲制冷采用惰性氣體或其混合物代替了對環(huán)境有害的制冷劑作為工質(zhì)，降低了對環(huán)境的破壞作用；其基本機構(gòu)簡單、可靠，而且不需要貴重的材料，因此在成本上的優(yōu)勢很大；它們不需要油密封或潤滑，無運動部件的特點使得其壽命得以延長。熱聲制冷技術(shù)克服了傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的缺點，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)在聲波稠密時加入熱量，在聲波稀疏時排出熱量時聲波得到加強；反之聲波稠密時排出熱量，在聲波稀疏時吸入熱量，則聲波得到削弱。當(dāng)然，實際的熱聲理論要比這復(fù)雜得多。

目前熱聲制冷的設(shè)計水平及制造工藝正在不斷的提高，各國也不斷地尋求技術(shù)上的突破。美國在熱聲領(lǐng)域內(nèi)處于領(lǐng)先地位，投入多，研究機構(gòu)廣泛，因而取得了許多突破性的進展。在上個世紀(jì)90年代早期，美國海軍研究生院(NPS)的Garrett教授就開發(fā)制造了熱聲制冷機；2000年左右，太陽能驅(qū)動的熱聲制冷機問世。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱聲制冷必將成為未來制冷技術(shù)發(fā)展的新趨勢。近年來，我國的制冷技術(shù)發(fā)展較快，但與發(fā)達國家相比，我國在機器制造精度、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，我國在螺桿式制冷壓縮機的研發(fā)方面也取得了很大的進步，由西安交通大學(xué)和煙臺冰輪集團股份公司聯(lián)合研發(fā)的螺桿式制冷壓縮機技術(shù)榮獲國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎，其能效和噪音等指標(biāo)均達到了國際先進水平。

雖然近些年國產(chǎn)制冷壓縮機在技術(shù)水平、加工工藝等方面取得了很大進步，但由于目前所采用的材質(zhì)、加工精度、裝配技術(shù)等方面的問題，與國外品牌的技術(shù)水平仍然存在著很大的差距，具體體現(xiàn)在機器的故障率高、噪音偏大，外形笨重等方面。隨著我國制冷壓縮機研發(fā)水平的不斷提高，資本積累過程的逐步完成，技術(shù)實力的進一步加強，相信我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的壓縮機會逐漸在世界市場中占有一席之地。隨著中國制造業(yè)的發(fā)展及中國自主創(chuàng)新能力的提高，中國的制冷技術(shù)行業(yè)一定會取得更長遠的進步。

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