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,對中國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以乙醚為工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷機,并正式申請了英國第6662號專利。這是后來所有蒸氣壓縮式制冷機的雛型,但使用的工質(zhì)是乙醚,容易燃燒。到1875年卡利和林德用氨作制冷劑,從此蒸氣壓縮式制冷機開始占有統(tǒng)治地位。 在此期間,空氣絕熱膨脹會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)的空氣制冷機為患者建立了一座空調(diào)站,空氣制冷機使他一舉成名。威廉·西門斯在空氣制冷機中引入了回?zé)崞?,提高了制冷機的性能。 1859年,卡列發(fā)明了氨水吸收式制冷系統(tǒng),申請了原理專利。 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。全封閉制冷壓縮機的研制成功(美國通用電器公司);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),均推動了制冷技術(shù)的發(fā)展。 在低溫方面,1877年卡里捷液化了氧氣;1895年林德液化了空氣,建立了空氣分離設(shè)備;1898年杜瓦用液態(tài)空氣預(yù)冷氫氣,然后用絕熱節(jié)流使氫氣成為液體,溫度降至20.4K;1908年卡末林·昂納斯用液態(tài)空氣和液態(tài)氫預(yù)冷氦氣,再用絕熱節(jié)流將氦液化,獲得4.2K的低溫。杜瓦于1892年發(fā)明的杜瓦瓶,用于貯存低溫液體,為低溫領(lǐng)域的研究提供了重要條件。 1934年,卡皮查發(fā)明了先用膨脹機將氦氣降溫,再用絕熱節(jié)流使其液化的氦液化器;1947年柯林斯采用雙膨脹機于氦的預(yù)冷。大部分的氦液化器現(xiàn)已采用膨脹機,在制冷技術(shù)的開發(fā)和實際使用中獲得廣泛的應(yīng)用。 新的降低溫度方法的發(fā)明,擴大了低溫的范圍,并進入了超低溫領(lǐng)域。德拜和焦克分別在1926年和1927年提出了用順磁鹽絕熱退磁的方法獲取低溫,應(yīng)用此方法獲得的低溫現(xiàn)已達(dá)到(1×10-3~5×10-3)K;由庫提和西蒙等提出的核子絕熱去磁的方法可將溫度降至更低,庫提用此法于1956年獲得了20×10-3K。1951年倫敦提出并于1965年研制出的3He-4He混合液稀釋制冷法,可達(dá)到4×10-3K;1950年泡墨朗切克提出的方法,利用壓縮液態(tài)3He的絕熱固化,達(dá)到1×10-3K。 更近期的制冷技術(shù)發(fā)展主要緣于世界范圍內(nèi)對食品、舒適和健康方面,以及在空間技術(shù)、國防建設(shè)和科學(xué)實驗方面的需要,從而使這門技術(shù)在20世紀(jì)的后半期得到飛速發(fā)展。受微電子、計算機、新型原材料和其它相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進步的滲透和促進,制冷技術(shù)取得了一些突破性的進展,同時也面臨一場新的挑戰(zhàn)。突破性的進展在于: (1)微電子和計算機技術(shù)的應(yīng)用 “機電一體化”浪潮給制冷技術(shù)以巨大推動。 基礎(chǔ)研究方面:計算機仿真制冷循環(huán)始于1960年。如今,普冷和低溫領(lǐng)域中的各種循環(huán),如:焦-湯節(jié)流制冷循環(huán)(J-T循環(huán))、斯特林制冷循環(huán)、維勒米爾循環(huán)(VM循環(huán))、吉福特-麥克馬洪循環(huán)(G-M循環(huán))、索爾文循環(huán)(SV循環(huán))、逆向布雷頓循環(huán)、脈管式循環(huán)、吸收式制冷循環(huán)、熱電制冷循環(huán);利用聲制冷、光制冷、化學(xué)方法制冷的各種循環(huán);以及各種新型的混合型循環(huán),如:熱聲斯特林發(fā)動機驅(qū)動小型脈管制冷機的循環(huán)均廣泛應(yīng)用計算機仿真技術(shù)于循環(huán)研究。研究制冷系統(tǒng)的熱物理過程、系統(tǒng)及部件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性以及單一工質(zhì)和混合工質(zhì)的性質(zhì)等等,也離不開微電子和計算機技術(shù)的應(yīng)用。 在制冷產(chǎn)品的設(shè)計制造上:計算機現(xiàn)已廣泛用于產(chǎn)品的輔助設(shè)計和制造(CAD,CAM)。例如:結(jié)構(gòu)零件設(shè)計的有限元法和有限差分法以及用計算機控制精密機械加工。 計算機和微處理器對制冷技術(shù)的最大影響在于高級自動控制系統(tǒng)的開發(fā)。這是一項綜合技術(shù),涉及到先進的控制方法、可靠的集成塊芯片及專門的控制模塊、精良的傳感器。當(dāng)前制冷系統(tǒng)采用電腦控制已極為普遍,控制模式正在發(fā)生變化,由簡單的機械式控制發(fā)展到綜合控制,為提高產(chǎn)品性能作出貢獻。 (2)新材料在制冷產(chǎn)品上的應(yīng)用 陶瓷及陶瓷復(fù)合物(如熔融石英、穩(wěn)定氧化鋯、硼化鈦、氧化硅等)具有一系列優(yōu)良性質(zhì):比鋼輕、強度和韌性好、耐磨、導(dǎo)熱系數(shù)小、表面光潔度高。將陶瓷用燒結(jié)法滲入溶膠體制成零件或用作零件的表面涂釉,可改善零件的性能。 聚合材料(工程塑料、合成橡膠和復(fù)合材料)用于制冷產(chǎn)品中作為電絕緣材料、減振件 和軟管材料;利用聚合材料的熱塑性,以新工藝通過熱定型的方法制造壓縮機中的復(fù)雜零件(轉(zhuǎn)子、閥片等)。這些新材料的應(yīng)用,帶來產(chǎn)品性能、壽命的提高和成本的降低。 (3)機器、設(shè)備的發(fā)展 為滿足各種用冷的需要,新產(chǎn)品不斷推出,商品化程度不斷提高。 壓縮機以高效、可靠、低振動、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、成本低為追求目標(biāo),由往復(fù)式向回轉(zhuǎn)式發(fā)展。如新型螺桿式壓縮機、渦旋式壓縮機、擺線式壓縮機等,都具有優(yōu)良特性和競爭力。 在壓縮機的驅(qū)動裝置上,將變頻器用于空調(diào)、熱泵及集中式制冷系統(tǒng)的變速驅(qū)動,帶來了節(jié)能效果。 在低溫機器和設(shè)備方面,前述各種低溫循環(huán)雖早已提出,但近年來生產(chǎn)開發(fā)的產(chǎn)品在溫度,制冷量、啟動速度、可靠性、能耗、體積等方面均有長足的進步?,F(xiàn)在,氦液化器多數(shù)為膨脹型,中型的為雙膨脹機組成的柯林斯機器,大型的采用透平膨脹機。輻射制冷、固態(tài)制冷已經(jīng)實際應(yīng)用。利用3He-4He混合稀釋制冷原理的低溫制冷機已經(jīng)商品化,可作為磁制冷機的預(yù)冷設(shè)備。各種氣體分離設(shè)備,熱交換器,低溫恒溫器也在高效、緊湊、可靠等方面取得很大的進展。 (4)工質(zhì) 繼氟里昂和共沸混合工質(zhì)之后,由于1970年石油危機,節(jié)能意識提到重要地位,在開發(fā)新工質(zhì)上引人注目地研究出一系列非共沸工質(zhì),收到了節(jié)能的效果和滿足一些特定需要。 由于臭氧耗損和溫室效應(yīng)引起了嚴(yán)峻的環(huán)境保護問題,導(dǎo)致了80年代末開始全球禁止CFCs物質(zhì),進而波及到HCFC類物質(zhì),這既是一次歷史性的沖擊,同時又提供了新的發(fā)展機遇。近年來在替代工質(zhì)開發(fā)及其熱物理性質(zhì)研究方面取得的成就即是證明。 當(dāng)工質(zhì)處于很低溫度時,其量子特性變得十分重要,必須考慮其量子效應(yīng),此時循環(huán)的性能系數(shù)和制冷量不同于經(jīng)典表達(dá)式,而需要通過對量子熱力循環(huán)的研究得出。
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