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制冷技术的发展历史

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现代的制冷技术,是18世纪后期发展起来的。在此之前,人们很早已懂得冷的利用。我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降温。马可·波罗在他的著作《马可·波罗游记》中,对中国制冷和造冰窖的方法有详细的记述。 
1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象,提出了潜热的概念,并发明了冰量热器,标志着现代制冷技术的开始。 
在普冷方面,1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机,并正式申请了英国第6662号专利。这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型,但使用的工质是乙醚,容易燃烧。到1875年卡利和林德用氨作制冷剂,从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。 
在此期间,空气绝热膨胀会显著降低空气温度的现象开始用于制冷。1844年,医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站,空气制冷机使他一举成名。威廉·西门斯在空气制冷机中引入了回热器,提高了制冷机的性能。 
1859年,卡列发明了氨水吸收式制冷系统,申请了原理专利。 
1910年左右,马利斯·莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。 
到20世纪,制冷技术有了更大发展。全封闭制冷压缩机的研制成功(美国通用电器公司);米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环以及混合制冷剂的应用;伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现,均推动了制冷技术的发展。 
在低温方面,1877年卡里捷液化了氧气;1895年林德液化了空气,建立了空气分离设备;1898年杜瓦用液态空气预冷氢气,然后用绝热节流使氢气成为液体,温度降至20.4K;1908年卡末林·昂纳斯用液态空气和液态氢预冷氦气,再用绝热节流将氦液化,获得4.2K的低温。杜瓦于1892年发明的杜瓦瓶,用于贮存低温液体,为低温领域的研究提供了重要条件。 
1934年,卡皮查发明了先用膨胀机将氦气降温,再用绝热节流使其液化的氦液化器;1947年柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。大部分的氦液化器现已采用膨胀机,在制冷技术的开发和实际使用中获得广泛的应用。 
新的降低温度方法的发明,扩大了低温的范围,并进入了超低温领域。德拜和焦克分别在1926年和1927年提出了用顺磁盐绝热退磁的方法获取低温,应用此方法获得的低温现已达到(1×10-3~5×10-3)K;由库提和西蒙等提出的核子绝热去磁的方法可将温度降至更低,库提用此法于1956年获得了20×10-3K。1951年伦敦提出并于1965年研制出的3He-4He混合液稀释制冷法,可达到4×10-3K;1950年泡墨朗切克提出的方法,利用压缩液态3He的绝热固化,达到1×10-3K。 
更近期的制冷技术发展主要缘于世界范围内对食品、舒适和健康方面,以及在空间技术、国防建设和科学实验方面的需要,从而使这门技术在20世纪的后半期得到飞速发展。受微电子、计算机、新型原材料和其它相关工业领域的技术进步的渗透和促进,制冷技术取得了一些突破性的进展,同时也面临一场新的挑战。突破性的进展在于: 
(1)微电子和计算机技术的应用 
“机电一体化”浪潮给制冷技术以巨大推动。 
基础研究方面:计算机仿真制冷循环始于1960年。如今,普冷和低温领域中的各种循环,如:焦-汤节流制冷循环(J-T循环)、斯特林制冷循环、维勒米尔循环(VM循环)、吉福特-麦克马洪循环(G-M循环)、索尔文循环(SV循环)、逆向布雷顿循环、脉管式循环、吸收式制冷循环、热电制冷循环;利用声制冷、光制冷、化学方法制冷的各种循环;以及各种新型的混合型循环,如:热声斯特林发动机驱动小型脉管制冷机的循环均广泛应用计算机仿真技术于循环研究。研究制冷系统的热物理过程、系统及部件的稳态和瞬态特性以及单一工质和混合工质的性质等等,也离不开微电子和计算机技术的应用。 
在制冷产品的设计制造上:计算机现已广泛用于产品的辅助设计和制造(CAD,CAM)。例如:结构零件设计的有限元法和有限差分法以及用计算机控制精密机械加工。 
计算机和微处理器对制冷技术的最大影响在于高级自动控制系统的开发。这是一项综合技术,涉及到先进的控制方法、可靠的集成块芯片及专门的控制模块、精良的传感器。当前制冷系统采用电脑控制已极为普遍,控制模式正在发生变化,由简单的机械式控制发展到综合控制,为提高产品性能作出贡献。 
(2)新材料在制冷产品上的应用 
陶瓷及陶瓷复合物(如熔融石英、稳定氧化锆、硼化钛、氧化硅等)具有一系列优良性质:比钢轻、强度和韧性好、耐磨、导热系数小、表面光洁度高。将陶瓷用烧结法渗入溶胶体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、合成橡胶和复合材料)用于制冷产品中作为电绝缘材料、减振件 
和软管材料;利用聚合材料的热塑性,以新工艺通过热定型的方法制造压缩机中的复杂零件(转子、阀片等)。这些新材料的应用,带来产品性能、寿命的提高和成本的降低。 
(3)机器、设备的发展 
为满足各种用冷的需要,新产品不断推出,商品化程度不断提高。 
压缩机以高效、可靠、低振动、低噪声、结构简单、成本低为追求目标,由往复式向回转式发展。如新型螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、摆线式压缩机等,都具有优良特性和竞争力。 
在压缩机的驱动装置上,将变频器用于空调、热泵及集中式制冷系统的变速驱动,带来了节能效果。 
在低温机器和设备方面,前述各种低温循环虽早已提出,但近年来生产开发的产品在温度,制冷量、启动速度、可靠性、能耗、体积等方面均有长足的进步。现在,氦液化器多数为膨胀型,中型的为双膨胀机组成的柯林斯机器,大型的采用透平膨胀机。辐射制冷、固态制冷已经实际应用。利用3He-4He混合稀释制冷原理的低温制冷机已经商品化,可作为磁制冷机的预冷设备。各种气体分离设备,热交换器,低温恒温器也在高效、紧凑、可靠等方面取得很大的进展。 
(4)工质 
继氟里昂和共沸混合工质之后,由于1970年石油危机,节能意识提到重要地位,在开发新工质上引人注目地研究出一系列非共沸工质,收到了节能的效果和满足一些特定需要。 
由于臭氧耗损和温室效应引起了严峻的环境保护问题,导致了80年代末开始全球禁止CFCs物质,进而波及到HCFC类物质,这既是一次历史性的冲击,同时又提供了新的发展机遇。近年来在替代工质开发及其热物理性质研究方面取得的成就即是证明。 
当工质处于很低温度时,其量子特性变得十分重要,必须考虑其量子效应,此时循环的性能系数和制冷量不同于经典表达式,而需要通过对量子热力循环的研究得出。 
制冷和低温技术是充满勃勃生机的学科和工业领域。巨大的市场增长潜力和新技术的交叉渗透为它开辟了广阔的发展天地。

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制冷与空调的发展史 
在二十世纪六,七十年代,美国地区发生罕见的干旱天气,为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题,美国率先研制出风冷式冷水机,用空气散热代替冷却塔,其英文名称是:Air cool Chiller,简称为Chiller! 
    在空调历史中,美国已经发展和改进了有风管的中央单元式系统,并得到了正在现场安装和修理有风管的单元式空调系统的空调设备分销商和经销商的强力支持。WRAC是最简单和最便宜的系统,能够很容易的在零售商店中购得,并在持续高温来的时候自己安装。同时,无风管的SRAC和SPAC自70年代起在有别于美国市场的动力下在日本得到发展和改进。之后,设备设计和制造技术在90年代被转让到中国,这是通过与当地公司(包括主要元件如压缩机、热交换器、电劝机、精细阀和电子控制器的本地制造商)组成的合资公司进行的。在90年代中国也从其它先进国家吸收了较大型空调设备的先进高新技术,并与多数是美国的大公司组成合资企业。现今,中国已是一个顶级国家,她的当地主要工厂和合资企业制造了大量SRAC和SPAC以满足增长的国内市场和出口需要。日本过去几年在把SRAC和SPAC机组出口到中国、欧洲和中东以建立新的市场。但是中国现今已是最大的空调出口国,在2001年出口的WRAC,SRAC和SPAC机组总数达500万台,2002年预计有750或800万台机组出口,而日本正在失去出口的地位。

按国家进行回顾: 
++++美国

美国是最大的空调市场,占世界总空调设备销售额的28%,大多数是有风管的单元式空调系统。但是,热泵比例相对的低,在2001年以数量计占20%而以销售额计‘占30%。美国空调市场与其它国家的差别,一些明显的原因是:

大多数人居住在位于有广阔空间的郊区独立房屋内,可以更方便地为整个室内空间的舒适优先选择安装风管。

能源价格相对要低,全国范围有电力和燃气可以供应,在冬季可以通过天然气管路网络用燃气炉取暖。

大部分陆地在冬季的寒冷天气并不适用没有辅助电加热的热泵,而辅助电加热是不经济的。

强大工业分销商和经济商网络以相对低的安装费用和维修后缓支持推销有风管的中央空调系统。

++++日本 
住宅空调是从60年代由本地生产或从美国进口的WRAC开始的,基于人们大多数在生活区居住而只对单个房间的空调有强烈要求,一般不采用中央系统以节省很昂贵的电力费用。但是,许多人抱怨高的运转噪声和振动不能为卧室所接受。同时在房间内安装也不大方便。

在经过了WRAC痛苦的经历之后,后来发展了SRAC以便在室内挂壁安装,使房间空调机组运转安静并便于安装。在功能上,虽然SRAC丧失了诸如新鲜空气的进入和回风的排出等功能,但WRAC和SRAC对单个房间的空调在有人占用时几乎是相同的。在买方市场上了需要额外的小型SRAC机组,其特点是具有较低的噪声并可以在卧室中方便地安装为“添加机组”。热泵型式在制冷和采暖季节都能很好地为人们所接受。一些特点诸如较低的噪声、更足够的制热量、较低的功率消耗(也即较高的效率)以及较小的机组尺寸或改进的室内空气分布吸引了用户的注意力和兴趣。由于能源费用比电力来得便宜和在较低环境温度时有较高制热量,煤油炉仍然广泛在屋内用以加热空间。但是,SRAC热泵用于卧室对许多人来说是必不可少的,它可以安全运行且防止火灾,因为在睡眠时间室内温度低的时候房间空间是相当的好。生活方式从门窗大开以便在睡眠时间有新鲜空气吸入转变到为了市区安全而用锁紧装置将门窗关闭,这就需要在屋内购买更多的SRAC机组。在室内也安装强制通风机以吸入新鲜的室外空气和排出室内空气,藉使用热交换元件而达到节能的目的。80年代介入的突破性技术解决了热泵的固有缺点并推动了SRAC机组的销售。

在打折扣的商店里,如同包括发送和安装主费用在内的白色货物一样引发了价格大战。SRAC的安装十分容易和快捷,在现场技术水平较低的人员在几小时内即可完成机组的安装,制冷剂管路和接线。

过去存在一些质量问题,如制冷剂泄漏、元件故障以及直接涉及到制造商的修理或分包修理单位的综合性故障。

现在随着产品可靠性的改进,售后的修理电话已大大减少。但是,商业形式仍是一如既往,SRAC在通过折扣商店销售,费用较低,售后服务直接由制造商或其分包修理单位承担。

SPAC的销售与SRAC的轻型商业市场相似。制造商更从事于所谓的“建筑物多台SPAC”系统的销售,与空调系统设计人员和机械承包商接触并与制造商一起保持较高的附加值。1台压缩冷凝机组与多台室内机组联用的SPAC对于制冷剂管路安装在墙内的新建住宅正越来越普及。

政府和公用事业公司(如电力和煤气)以及负责制订国家能源政策的单位正在补贴新的技术开发并用吸引人的刺激计划来促进新的空调系统装置。这些产品涉及商能效的热泵、GHP和直接燃气吸收式冷水机组。打折扣的能源价格所带来的令人刺激的好处使用户愿意以低得多的操作能源费用安装新的节能空调系统或者用它来技术改造。这样,即使初始费用有所增加,投资回收也仍是很吸引人的。

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制冷的发展大事:

1820年--人造冰首次在实验室中制造出来 
1824年--揭示吸收式制冷原理 
1834年--人造冰的生产开始 
1855年--制造出吸收式制冷装置 
1890年--小块人造冰面市----机械制冰工业开始了 
1910年--家用机械冰箱出现 
1913年--制造出第一台手动家用冰箱

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