制冷技術的發展

李欣武漢大學

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制冷技術的發展

李欣
武漢大學

摘要：制冷，即將環境溫度降低到或者維持在自然溫度以下，已經擁有非常久遠的歷史，隨著時代的進步，這一技術也漸漸取得了一些突破性的發展，新興的一些技術有它獨特的優勢，就中國目前的制造業水平來說，仍舊有很長的路要走，希望在穩步發展與積極創新的共同作用之下，中國能在制冷技術領域取得更為深刻的進步。

關鍵詞：制冷；方法；蒸氣壓縮式制冷；熱聲制冷；中國制冷技術的現狀與前景

“制冷”指的是使自然界的某物體或某空間處于低于周圍環境的溫度，并使之維持在這個溫度。人類從自然環境開創了滿足人類生產、生活所需的人工環境就是依靠“制冷”，“制冷”技術促進了人類社會的發展，推動了人類文明的進步。但是在創造人工環境的同時也付出了大量的能源和環保代價。因此，我們不僅要創造更為優越的人工環境，也要充分利用自然環境，以減少對能源的需求。就創造人工環境而言，可分為空間人居環境和生產環境，人類對環境的需求包括兩個方面，一類是人類生產與生活環境，另一類是保障人類飲食安全的環境。空間人居環境主要是創造宜居舒適的生活環境，它涉及生理學和心理學，主觀因素和客觀因素。而生產環境則不同，它純屬于客觀因素，對環境溫濕要求較寬。

有兩種可以實現制冷的途徑，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用天然冰，用于食品存儲和環境降溫。14世紀開始，人們利用冰和氯化鈉的混合物凍結食品。16世紀后，水蒸氣冷卻空氣的技術出現了。1890年左右空氣調節獲得了初步的發展，既有工業空調又有舒適空調，“空氣調節”這一名詞是在1906年出現的，從而出現一個巨大的企業——天然冰的儲配，同時也創造出一些人類所需要的溫濕的環境。自從19世紀中葉人工環境時代的開創，1834年第一臺乙醚活塞制冷機問世，1844年出現空氣制冷劑，1859年出現吸收式制冷劑，1890年制冰工業開始，從而開創了制冷空調工業。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，創造出了各種人工環境，人類的生活發生了重大的變化。

實現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制冷的工作物質，又被稱為“工質”。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50年代出現了一些共沸混合工質，如R502等；60年代非共沸混合工質開始得到研究與使用。但是，20世紀70年代人們發現含氯或溴的合成制冷劑會造成大氣臭氧層的破壞，引起非常嚴重的溫室效應。所以，環境保護是現在選擇制冷劑需要納入考慮范圍的重要問題。

理想制冷循環的關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，否則就要求蒸發器或冷凝器應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的冷凝溫度必然高于冷卻劑的溫度，蒸發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，其制冷系數必然會降低，傳熱溫差越大，制冷系數下降的越多。在實際運行中，我們需要通過技術經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濟。

進入21世紀以來，熱聲制冷作為一種新的制冷技術倍受關注。與傳統的蒸氣壓縮式制冷技術相比，熱聲制冷技術的優勢十分顯著。熱聲制冷采用惰性氣體或其混合物代替了對環境有害的制冷劑作為工質，降低了對環境的破壞作用；其基本機構簡單、可靠，而且不需要貴重的材料，因此在成本上的優勢很大；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。熱聲制冷技術克服了傳統制冷系統的缺點，有望成為制冷技術的新的發展方向。據了解，熱聲系統的工作原理是基于熱聲效應，它是指當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。當然，實際的熱聲理論要比這復雜得多。

目前熱聲制冷的設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上的突破。美國在熱聲領域內處于領先地位，投入多，研究機構廣泛，因而取得了許多突破性的進展。在上個世紀90年代早期，美國海軍研究生院(NPS)的Garrett教授就開發制造了熱聲制冷機；2000年左右，太陽能驅動的熱聲制冷機問世。隨著科學技術的發展，熱聲制冷必將成為未來制冷技術發展的新趨勢。近年來，我國的制冷技術發展較快，但與發達國家相比，我國在機器制造精度、加工工藝水平、材質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方面也取得了很大的進步，由西安交通大學和煙臺冰輪集團股份公司聯合研發的螺桿式制冷壓縮機技術榮獲國家科學技術進步二等獎，其能效和噪音等指標均達到了國際先進水平。

雖然近些年國產制冷壓縮機在技術水平、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、加工精度、裝配技術等方面的問題，與國外品牌的技術水平仍然存在著很大的差距，具體體現在機器的故障率高、噪音偏大，外形笨重等方面。隨著我國制冷壓縮機研發水平的不斷提高，資本積累過程的逐步完成，技術實力的進一步加強，相信我國具有自主知識產權的壓縮機會逐漸在世界市場中占有一席之地。隨著中國制造業的發展及中國自主創新能力的提高，中國的制冷技術行業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，在校大學生，武漢大學。