制冷技术的发展

李欣武汉大学



制冷技术的发展

李欣
武汉大学

摘要：制冷，即将环境温度降低到或者维持在自然温度以下，已经拥有非常久远的历史，随着时代的进步，这一技术也渐渐取得了一些突破性的发展，新兴的一些技术有它独特的优势，就中国目前的制造业水平来说，仍旧有很长的路要走，希望在稳步发展与积极创新的共同作用之下，中国能在制冷技术领域取得更为深刻的进步。

关键词：制冷；方法；蒸气压缩式制冷；热声制冷；中国制冷技术的现状与前景

“制冷”指的是使自然界的某物体或某空间处于低于周围环境的温度，并使之维持在这个温度。人类从自然环境开创了满足人类生产、生活所需的人工环境就是依靠“制冷”，“制冷”技术促进了人类社会的发展，推动了人类文明的进步。但是在创造人工环境的同时也付出了大量的能源和环保代价。因此，我们不仅要创造更为优越的人工环境，也要充分利用自然环境，以减少对能源的需求。就创造人工环境而言，可分为空间人居环境和生产环境，人类对环境的需求包括两个方面，一类是人类生产与生活环境，另一类是保障人类饮食安全的环境。空间人居环境主要是创造宜居舒适的生活环境，它涉及生理学和心理学，主观因素和客观因素。而生产环境则不同，它纯属于客观因素，对环境温湿要求较宽。

有两种可以实现制冷的途径，分别是利用天然冷源和人造冷源。公元前1000年人类就有计划地存储和应用天然冰，用于食品存储和环境降温。14世纪开始，人们利用冰和氯化钠的混合物冻结食品。16世纪后，水蒸气冷却空气的技术出现了。1890年左右空气调节获得了初步的发展，既有工业空调又有舒适空调，“空气调节”这一名词是在1906年出现的，从而出现一个巨大的企业——天然冰的储配，同时也创造出一些人类所需要的温湿的环境。自从19世纪中叶人工环境时代的开创，1834年第一台乙醚活塞制冷机问世，1844年出现空气制冷剂，1859年出现吸收式制冷剂，1890年制冰工业开始，从而开创了制冷空调工业。此外，由于1928年氟利昂R12的问世，人类开始从采用天然制冷剂迈向采用人工合成制冷剂的时代。这样，人类从采用天然冷源迈向采用人造冷源的时代，创造出了各种人工环境，人类的生活发生了重大的变化。

实现人工制冷的方法有很多，按物理过程的不同可以分为：液体汽化法、气体膨胀法、热电法、固体绝热去磁法等。制冷剂是制冷装置中进行循环制冷的工作物质，又被称为“工质”。自从Ja-cob Perkins于1834年采用乙醚制造出蒸气压缩式制冷装置以后，人们开始尝试采用CO2、NH3、SO2等等作为制冷剂；20世纪初，人们开始采用一些碳氢化合物作为制冷剂，如乙烷、丙烷、氯甲烷等；而制冷技术的真正革新是在1928年Midgley和Henne制出R12即氟利昂族制冷剂，从此人类开始从采用天然制冷剂步入合成制冷剂时代。20世纪50年代出现了一些共沸混合工质，如R502等；60年代非共沸混合工质开始得到研究与使用。但是，20世纪70年代人们发现含氯或溴的合成制冷剂会造成大气臭氧层的破坏，引起非常严重的温室效应。所以，环境保护是现在选择制冷剂需要纳入考虑范围的重要问题。

理想制冷循环的关键就是制冷剂与冷源和热源之间都必须在无温差条件下进行可逆的换热过程。然而，实际的换热过程都是存在温差的，否则就要求蒸发器或冷凝器应具有无限大的传热面积，这显然是不合理的。这样，有传热温差的制冷循环的冷凝温度必然高于冷却剂的温度，蒸发温度必然低于被冷却物的温度，因此，与无温差的理想过程相比，其制冷系数必然会降低，传热温差越大，制冷系数下降的越多。在实际运行中，我们需要通过技术经济的分析去选择合理的传热温差，使得初投资和运行费的综合值最为经济。

进入21世纪以来，热声制冷作为一种新的制冷技术倍受关注。与传统的蒸气压缩式制冷技术相比，热声制冷技术的优势十分显著。热声制冷采用惰性气体或其混合物代替了对环境有害的制冷剂作为工质，降低了对环境的破坏作用；其基本机构简单、可靠，而且不需要贵重的材料，因此在成本上的优势很大；它们不需要油密封或润滑，无运动部件的特点使得其寿命得以延长。热声制冷技术克服了传统制冷系统的缺点，有望成为制冷技术的新的发展方向。据了解，热声系统的工作原理是基于热声效应，它是指当在声波稠密时加入热量，在声波稀疏时排出热量时声波得到加强；反之声波稠密时排出热量，在声波稀疏时吸入热量，则声波得到削弱。当然，实际的热声理论要比这复杂得多。

目前热声制冷的设计水平及制造工艺正在不断的提高，各国也不断地寻求技术上的突破。美国在热声领域内处于领先地位，投入多，研究机构广泛，因而取得了许多突破性的进展。在上个世纪90年代早期，美国海军研究生院(NPS)的Garrett教授就开发制造了热声制冷机；2000年左右，太阳能驱动的热声制冷机问世。随着科学技术的发展，热声制冷必将成为未来制冷技术发展的新趋势。近年来，我国的制冷技术发展较快，但与发达国家相比，我国在机器制造精度、加工工艺水平、材质的选用等方面仍然还有很多不足之处。目前，我国在螺杆式制冷压缩机的研发方面也取得了很大的进步，由西安交通大学和烟台冰轮集团股份公司联合研发的螺杆式制冷压缩机技术荣获国家科学技术进步二等奖，其能效和噪音等指标均达到了国际先进水平。

虽然近些年国产制冷压缩机在技术水平、加工工艺等方面取得了很大进步，但由于目前所采用的材质、加工精度、装配技术等方面的问题，与国外品牌的技术水平仍然存在着很大的差距，具体体现在机器的故障率高、噪音偏大，外形笨重等方面。随着我国制冷压缩机研发水平的不断提高，资本积累过程的逐步完成，技术实力的进一步加强，相信我国具有自主知识产权的压缩机会逐渐在世界市场中占有一席之地。随着中国制造业的发展及中国自主创新能力的提高，中国的制冷技术行业一定会取得更长远的进步。

参考文献：

[1]彦启森主编.制冷技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[2]邱忠岳译.世界制冷史[M].中国制冷学会，2001.

[3]马国远主编.制冷压缩机及其应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]张祗祐，石秉三主编.制冷及低温技术（上册）[M].北京：机械工业出版社，1981.

作者简介：李欣（1995-），女，汉族，安徽安庆人，在校大学生，武汉大学。