制冷技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用
摘要：制冷技術(shù)是為適應(yīng)人們對(duì)低溫條件的需要而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。制冷作為一門科學(xué)是指用人工的方法在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)將某物體或流體冷卻，使其溫度降到環(huán)境溫度以下，并保持這個(gè)溫度。制冷技術(shù)已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)藥、國(guó)防及建筑等領(lǐng)域。制冷技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用在各行業(yè)的生產(chǎn)過程，尖端科學(xué)研究及改善人們生活居住環(huán)境、食品貯藏保鮮等方面起到越來越重要的作用，同時(shí)也促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展。制冷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，與國(guó)計(jì)民生密切相關(guān)，甚至必不可少。
1. 制冷技術(shù)的發(fā)展歷程
制冷技術(shù)是為適應(yīng)人們對(duì)低溫條件的需要而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。制冷作為一門科學(xué)是指用人工的方法在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)將某物體或流體冷卻，使其溫度降到環(huán)境溫度以下，并保持這個(gè)溫度。
現(xiàn)代的制冷技術(shù)，是18世紀(jì)后期發(fā)展起來的。在此之前，人們很早已懂得冷的利用。我國(guó)古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降溫。馬可•波羅在他的著作《馬可•波羅游記》中，對(duì)中國(guó)制冷和造冰窖的方法有詳細(xì)的記述。
1755年愛丁堡的化學(xué)教師庫侖利用乙醚蒸發(fā)使水結(jié)冰。他的學(xué)生布拉克從本質(zhì)上解釋了融化和氣化現(xiàn)象，提出了潛熱的概念，并發(fā)明了冰量熱器，標(biāo)志著現(xiàn)代制冷技術(shù)的開始。
在普冷方面，1834年發(fā)明家波爾金斯造出了第一臺(tái)以乙醚為工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)，并正式申請(qǐng)了英國(guó)第6662號(hào)專利。到1875年卡利和林德用氨作制冷劑，從此蒸氣壓縮式制冷機(jī)開始占有統(tǒng)治地位。
在此期間，空氣絕熱膨脹會(huì)顯著降低空氣溫度的現(xiàn)象開始用于制冷。1844年，醫(yī)生高里用封閉循環(huán)的空氣制冷機(jī)為患者建立了一座空調(diào)站，空氣制冷機(jī)使他一舉成名。威廉•西門斯在空氣制冷機(jī)中引入了回?zé)崞?，提高了制冷機(jī)的性能。1859年，卡列發(fā)明了氨水吸收式制冷系統(tǒng)，申請(qǐng)了原理專利。1910年左右，馬利斯•萊蘭克發(fā)明了蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)。
到20世紀(jì)，制冷技術(shù)有了更大發(fā)展。全封閉制冷壓縮機(jī)的研制成功（美國(guó)通用電器公司）；米里杰發(fā)現(xiàn)氟里昂制冷劑并用于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)以及混合制冷劑的應(yīng)用；伯寧頓發(fā)明回?zé)崾匠凉衿餮h(huán)以及熱泵的出現(xiàn)，均推動(dòng)了制冷技術(shù)的發(fā)展。
在當(dāng)代社會(huì)，制冷技術(shù)已經(jīng)幾乎滲透到各個(gè)生產(chǎn)技術(shù)、科學(xué)研究領(lǐng)域，并在改善人類的生活質(zhì)量方面發(fā)揮著巨大作用。生活中，制冷廣泛用于食品冷加工、冷貯藏、冷藏運(yùn)輸，適性空氣調(diào)節(jié)，體育運(yùn)動(dòng)中制造人工冰場(chǎng)等；工業(yè)生產(chǎn)中，為生產(chǎn)環(huán)境提供必要的恒溫恒濕環(huán)境，對(duì)材料進(jìn)行低溫處理，利用低溫進(jìn)行零件間的過盈配合等；農(nóng)牧業(yè)中，對(duì)農(nóng)作物的種子進(jìn)行低溫處理等；建筑工程中，利用制冷實(shí)現(xiàn)凍土開采土方；現(xiàn)代醫(yī)學(xué)也離不開制冷，深低溫冷凍骨髓和外周血干細(xì)胞、手術(shù)中的低溫麻醉等；制冷技術(shù)還在尖端科學(xué)領(lǐng)域如微電子技術(shù)、新型材料、宇宙開發(fā)、生物技術(shù)的研究和開發(fā)中起著舉足輕重的作用?？梢哉f，現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步是伴隨著制冷技術(shù)發(fā)展起來的。
2.制冷技術(shù)的應(yīng)用
制冷技術(shù)已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)藥、國(guó)防及建筑等領(lǐng)域。制冷技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用在各行業(yè)的生產(chǎn)過程，尖端科學(xué)研究及改善人們生活居住環(huán)境、食品貯藏保鮮等方面起到越來越重要的作用，同時(shí)也促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展。制冷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，與國(guó)計(jì)民生密切相關(guān)，甚至必不可少。
2.1制冷技術(shù)在食品工業(yè)的應(yīng)用
制冷技術(shù)的重要應(yīng)用部門之一是食品工業(yè)。制冷在食品貯藏保鮮中起著決定作用。制冷機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，促進(jìn)了食品工業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了食品資源的開發(fā)和利用。大中型食品冷庫、冷藏船、冷藏列車及冷藏汽車的應(yīng)用，大大促進(jìn)了各國(guó)內(nèi)部和國(guó)際間的食品貿(mào)易和交流。制冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用已普及到食品工業(yè)各個(gè)部門和所以銷售環(huán)節(jié)，即形成了所謂“冷鏈”。由于食品采用了一定的低溫貯存加工，才能有效地延長(zhǎng)食品貯藏時(shí)間，并保持食品原有特有的色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分。
食品的生產(chǎn)、加工、凍結(jié)、貯藏和分配等環(huán)節(jié)廣泛采用制冷技術(shù)，適時(shí)向市場(chǎng)提供冷藏或冷凍食品，有效地調(diào)節(jié)了市場(chǎng)的供給，提高了食品的經(jīng)濟(jì)效益。各種商業(yè)冷藏柜、食品冷藏陳列柜的出現(xiàn)，大大地促進(jìn)了冷飲食品的發(fā)展和銷售。家用電冰箱的普及，有效地調(diào)節(jié)和豐富了人們的生活。冷凍干燥技術(shù)應(yīng)用于某些生物制品和糧食制品加工過程中，大大提高了生產(chǎn)效率，保證了生產(chǎn)質(zhì)量。制冷技術(shù)應(yīng)用于釀造工業(yè)，有效地控制發(fā)酵反應(yīng)過程并實(shí)現(xiàn)了低溫加工、包裝及貯藏。
工業(yè)上冷凍食品可以采用以下方法：氣流冷凍、接觸冷凍和低溫冷凍。氣流冷凍、接觸冷凍屬于傳統(tǒng)方式，冷凍的低溫主要由制冷壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這種方式主要使用通道式冷凍機(jī)或者流化床通過氣流進(jìn)行冷凍。將要冷凍的食品放在輸送帶上，冷空氣從通道上傳送過來，從食品上流過。通道式氣流冷凍適用于所有包裝食品、非包裝食品、規(guī)則形狀食品和非規(guī)則形狀食品。流化床冷凍時(shí)，底部網(wǎng)槽將冷空氣向上推動(dòng)，松散、未包裝的食品來回移動(dòng)，被冷空氣凍結(jié)。使用冷凍帶、柔性鋼帶或者旋轉(zhuǎn)氣缸是接觸冷凍中另一種傳統(tǒng)的冷凍方法。這種方法中，包裝食品被放在金屬板之間，冷卻劑在金屬板之間流動(dòng)，將金屬板冷卻到零下40°C左右。接觸冷凍主要用于冷凍塊狀食品例如魚片或者奶油菠菜等。
低溫冷凍機(jī)不同于傳統(tǒng)的冷凍機(jī)，因?yàn)榈蜏乩鋬鰴C(jī)的冷凍速率極高，可以達(dá)到每小時(shí)5厘米。舉例來說，制作奶酪和酸奶的發(fā)酵劑可以迅速被冷凍成松散的粒狀物。因?yàn)闇囟妊杆俳档?，高達(dá)95%的微生物可以存活。這樣，冷凍的發(fā)酵劑容易儲(chǔ)存，運(yùn)輸并在發(fā)酵過程中使用。傳統(tǒng)冷凍機(jī)的冷凍能力設(shè)計(jì)的時(shí)候是固定的，低溫冷凍機(jī)的冷凍范圍廣，可以冷凍很多新產(chǎn)品。
2.2制冷技術(shù)在空氣調(diào)節(jié)方面的應(yīng)用
空氣調(diào)節(jié)是制冷技術(shù)應(yīng)用面最廣的領(lǐng)域。大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)都需要利用制冷裝置進(jìn)行空氣的溫度、濕度調(diào)節(jié)，構(gòu)建人們所希望達(dá)到的環(huán)境條件。根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，空氣調(diào)節(jié)可分為舒適性空調(diào)和工藝性空調(diào)。
舒適性空調(diào)是為人們創(chuàng)造適宜的生活和工作環(huán)境。例如:家庭、辦公室用的局部空調(diào)裝置或房間空調(diào)器;大型建筑、辦公樓、車站、機(jī)場(chǎng)、賓館、E院、商廈、影劇院、游樂廳等公共場(chǎng)所安裝的集中式空調(diào)系統(tǒng);汽車、飛機(jī)、火車、輪船等交通工具上的空調(diào)設(shè)施等。舒適性空調(diào)的應(yīng)用不僅有益于人們的身心健康，而且可以提高生產(chǎn)和工作效率?！ ?
有些生產(chǎn)場(chǎng)所不僅需要為在惡劣環(huán)境中工作的人員提供一定程度的舒適條件，而且需要有利于設(shè)備工作和加工產(chǎn)品的工藝性空調(diào)。例如:高溫生產(chǎn)車間、紡織廠、造紙廠、印刷廠、膠片廠?！ ?
機(jī)器設(shè)備的操作控制房、精密儀器車間、精密加工車間、精密計(jì)量室、計(jì)算機(jī)房等場(chǎng)所需要空調(diào)系統(tǒng)，提供各生產(chǎn)環(huán)境必需的溫、濕度條件，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量或精密設(shè)備的正常工作特性。
2.3制冷技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)牧業(yè)的應(yīng)用
制冷在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用有:氣體液化、混合氣分離、天然氣的液化和貯運(yùn)、燃料及化肥的生產(chǎn)、帶走化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)熱等。機(jī)械制造中，利用制冷對(duì)鋼進(jìn)行低溫處理(-70--90℃)，可以改變其金相組織，便奧氏體變成馬氏體，提高鋼的硬度和強(qiáng)度。在鋼鐵工業(yè)中，高爐鼓風(fēng)需要用制冷的方法先將其除濕，然后再送人高爐，以降低鐵水的焦化比，保證鐵水質(zhì)量。在材料回收中，利用材料在低溫狀態(tài)下的冷脆性能，可以對(duì)物料進(jìn)行粉碎回收。目前，低溫粉碎技術(shù)是回收含鋼廢舊輪胎中橡膠的最有效方法。
農(nóng)牧業(yè)中，制冷用于對(duì)農(nóng)作物種子的低溫處理，建造人工氣候育秧室，保存優(yōu)良種高的精液和胚胎等。
2.4制冷技術(shù)在建筑工程的應(yīng)用
在建筑方面:澆制巨型混凝土大壩時(shí)，可用人工制冷方法來排除混凝土在凝固過程中析出的熱量，以防壩體裂縫，并可提高混凝土的強(qiáng)度;在流沙地區(qū)開掘礦井或隧道時(shí)，可先將其四周土壤凍結(jié)，然后在凍土中進(jìn)行施工，保證施工安全;拌和混凝土?xí)r，用冰代替水，利用冰的融化熱補(bǔ)償水泥的固化反應(yīng)熱，能有效地避免大型構(gòu)件因得不到充分散熱而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂縫等缺陷。此外，還可用人工制冷方法建造人工冰球場(chǎng)及溜冰場(chǎng)等。
2.5制冷技術(shù)在能源方面的應(yīng)用
制冷及空調(diào)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使能源消耗愈來愈大，因此，制冷、空氣調(diào)節(jié)的節(jié)能，余熱利用與回收，開展“二次能源”的研究，開發(fā)太陽能、風(fēng)能、地?zé)岬睦玫?，已成為世界各?guó)在制冷、空氣調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重要研究課題。
太陽能制冷具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前制冷界的研究熱點(diǎn)。太陽能屬于低品位、低密度熱源，太陽能制冷系統(tǒng)不同于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。目前，關(guān)于太陽能制冷系統(tǒng)的研究較多，從原理上看主要包括兩種，一種是以熱能為驅(qū)動(dòng)能源，如吸收式、吸附式、噴射式制冷等；另一種是以電能為驅(qū)動(dòng)能源，先把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后再利用電能來制冷，如光電式制冷，熱電式制冷等。太陽能制冷具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先是節(jié)能，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)際上用于民用空調(diào)所耗電能約占民用總耗電的50%。而太陽能是取之不盡，用之不竭的。太陽能制冷用于空調(diào)，將大大的減少電力消耗，節(jié)約能源；其次是環(huán)保，太陽能制冷一般采用非氟氯烴類物質(zhì)作為制冷劑，臭氧層破壞系數(shù)和溫室效應(yīng)系數(shù)為零，適合當(dāng)前環(huán)保要求，同時(shí)可以減少燃燒化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染。太陽能制冷的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是熱量的供給和冷量的需求在季節(jié)和數(shù)量上高度匹配。太陽能輻射越強(qiáng)、氣溫越高，冷量需求也越大。太陽能制冷還可以設(shè)計(jì)成多能源系統(tǒng)，充分利用余熱、廢氣、天然氣等其他資源。
雖然與壓縮式制冷相比，太陽能制冷技術(shù)目前還不成熟，但是因?yàn)槠洵h(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，決定了它良好的發(fā)展前景。目前，制約其廣泛應(yīng)用的主要原因是成本較高。太陽能制冷要降低成本，一方面要大力開發(fā)高效太陽能集熱板，提高熱力學(xué)性能；另一方面，走產(chǎn)業(yè)化發(fā)展道路。為此，可以與太陽能熱水器的應(yīng)用相結(jié)合，太陽能制冷與太陽能熱水器結(jié)合，實(shí)行冷熱聯(lián)產(chǎn)。太陽能熱水器的熱銷可以看出太陽能制冷的廣闊前景。
2.6制冷技術(shù)在國(guó)防工業(yè)的應(yīng)用
在各種冷卻技術(shù)中，熱電制冷由于具有體積小、重量輕、作用速度快、可靠性高、壽命長(zhǎng)、無噪聲和無需維護(hù)等特點(diǎn)，近年來在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的重視。另外，熱電制冷屬于固態(tài)制冷，抗震性能優(yōu)良，尺寸精確，特別適合替代超重狀態(tài)下不能使用的常規(guī)制冷方式。目前，熱電制冷器在航空航天領(lǐng)域已開始獲得實(shí)際應(yīng)，并且發(fā)展迅速，有取代機(jī)械制冷的趨勢(shì)。
在武器裝備方面，國(guó)外將半導(dǎo)體制冷技術(shù)用于紅外制導(dǎo)的空對(duì)空導(dǎo)彈紅外探測(cè)器探頭的冷卻，以降低工作噪音，提高靈敏度和探測(cè)率(如硫化鉛、硒化鉛紅外探測(cè)器在-10℃時(shí)的響應(yīng)比20℃時(shí)大幾倍，在-78℃時(shí)其探測(cè)率可提高一個(gè)數(shù)量級(jí))。如果將制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級(jí)半導(dǎo)體制冷器，可得到-78℃的溫度；如果使用四級(jí)制冷單元，則可得到-95℃的溫度，而包含散熱器及風(fēng)扇在內(nèi)的整個(gè)冷卻器重量只有0．75kg。例如，俄羅斯米格戰(zhàn)斗機(jī)配備的AA-8和AA-11系列導(dǎo)彈就采用熱電制冷對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行溫控。由于熱電制冷的抗震性能極好，它還經(jīng)常應(yīng)用于不能采用常規(guī)制冷的地方，如熱電制冷片用于冷卻安裝在噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)翼尖的無線電設(shè)備。
熱電制冷技術(shù)在空間探測(cè)方面也有許多應(yīng)用。例如，1995年由多國(guó)科學(xué)家組成的小組針對(duì)羅塞塔著陸器提出了一個(gè)擁有11個(gè)傳感器分系統(tǒng)的先進(jìn)組件方案，將一個(gè)二級(jí)熱電制冷器直接放在傳感器石英晶體后面，根據(jù)需要對(duì)晶體進(jìn)行加熱或冷卻。2002年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上安裝了近紅外相機(jī)和多目標(biāo)光譜儀，其中相機(jī)的三個(gè)熱保護(hù)板中有兩個(gè)采用熱電冷卻，即熱電冷卻內(nèi)板和熱電冷卻外板。將帶有熱保護(hù)板的相機(jī)裝在固體冷光學(xué)臺(tái)上，密封于氮／鋁泡沫杜瓦(瓶)中，可使相機(jī)的溫度保持在-215℃。。
熱電制冷也應(yīng)用于控制特殊環(huán)境中材料和結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性。例如，航天器在工作過程中，由于受到太陽輻照、地球輻射和陽光反照、3K冷黑空間以及各艙段和太陽帆板遮擋的交互作用，航天器朝向太陽的表面溫度可高達(dá)200℃，而背向太陽面的表面溫度最低可達(dá)到-200℃左右，從而給航天器中的一些結(jié)構(gòu)件內(nèi)部帶來較大的溫度梯度。特別是當(dāng)航天器工作姿態(tài)變化時(shí)，可能會(huì)加大結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的溫度梯度，進(jìn)而嚴(yán)重影響材料和結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性。因此，通過對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的溫度控制，降低其內(nèi)部的溫度梯度，是確保材料和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性的有效途徑。
國(guó)內(nèi)近年來針對(duì)熱電制冷在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也開展了大量研究。例如，中科院上海技術(shù)物理研究所針對(duì)星載紅外探測(cè)器需要在低溫下工作，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了紅外探測(cè)器溫度控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中采用了閉環(huán)反饋的控制方式，利用熱電制冷控制紅外探測(cè)器的工作溫度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在采用熱電制冷提高光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性、迅速達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)方面進(jìn)行了初步探索。北京航空航天大學(xué)目前在采用相變材料和熱電制冷研制智能溫控復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了探索研究，并取得了階段性進(jìn)展。該校采用國(guó)產(chǎn)熱電制冷器分別與金屬材料和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料結(jié)合，設(shè)計(jì)并制備了針對(duì)不同具體應(yīng)用的多種智能溫控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。模擬試驗(yàn)表明，該智能溫控復(fù)合材料可以根據(jù)預(yù)定指令進(jìn)行溫度控制。
2.7制冷技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用
一些醫(yī)療手術(shù)，如心臟、腫瘤、白內(nèi)障的切除，皮膚和眼球的移植手術(shù)及低溫麻醉等，都需要制冷技術(shù)。一些藥物、疫苗和血漿等生物樣品都需要在低溫下貯藏，諸多的現(xiàn)代醫(yī)療器械、治療儀、診斷儀也使用制冷技術(shù)，可以說現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)離不開制冷。制冷技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了醫(yī)療衛(wèi)生和醫(yī)藥制品的生產(chǎn)和發(fā)展。低溫醫(yī)療有效地提高了對(duì)某些疾病的醫(yī)療效果。低溫為生物器官的保存、移植提供了保證。低溫技術(shù)的應(yīng)用更促進(jìn)了低溫生物學(xué)和生物工程的發(fā)展。
除此之外，在微電子技術(shù)、大型計(jì)算機(jī)、新型材料、宇宙開發(fā)、生物技術(shù)等尖端科學(xué)領(lǐng)域中，制冷技術(shù)也起著十分重要的作用。在當(dāng)代社會(huì)，制冷技術(shù)已經(jīng)幾乎滲透到各個(gè)生產(chǎn)技術(shù)、科學(xué)研究領(lǐng)域，并在改善人類的生活質(zhì)量方面發(fā)揮著巨大作用。制冷技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用在各行業(yè)的生產(chǎn)過程，尖端科學(xué)研究及改善人們生活居住環(huán)境、食品貯藏保鮮等方面起到越來越重要的作用，同時(shí)也促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展。制冷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，與國(guó)計(jì)民生密切相關(guān)，必不可少。
