制冷技術發展及應用
摘要：制冷技術是為適應人們對低溫條件的需要而產生和發展起來的。制冷作為一門科學是指用人工的方法在一定時間和一定空間內將某物體或流體冷卻，使其溫度降到環境溫度以下，并保持這個溫度。制冷技術已廣泛用于工業、農業、商業、醫藥、國防及建筑等領域。制冷技術發展和應用在各行業的生產過程，尖端科學研究及改善人們生活居住環境、食品貯藏保鮮等方面起到越來越重要的作用，同時也促進了科學技術的進步和社會的發展。制冷技術的發展和應用，與國計民生密切相關，甚至必不可少。
1. 制冷技術的發展歷程
制冷技術是為適應人們對低溫條件的需要而產生和發展起來的。制冷作為一門科學是指用人工的方法在一定時間和一定空間內將某物體或流體冷卻，使其溫度降到環境溫度以下，并保持這個溫度。
現代的制冷技術，是18世紀后期發展起來的。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的記述。
1755年愛丁堡的化學教師庫侖利用乙醚蒸發使水結冰。他的學生布拉克從本質上解釋了融化和氣化現象，提出了潛熱的概念，并發明了冰量熱器，標志著現代制冷技術的開始。
在普冷方面，1834年發明家波爾金斯造出了第一臺以乙醚為工質的蒸氣壓縮式制冷機，并正式申請了英國第6662號專利。到1875年卡利和林德用氨作制冷劑，從此蒸氣壓縮式制冷機開始占有統治地位。
在此期間，空氣絕熱膨脹會顯著降低空氣溫度的現象開始用于制冷。1844年，醫生高里用封閉循環的空氣制冷機為患者建立了一座空調站，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熱器，提高了制冷機的性能。1859年，卡列發明了氨水吸收式制冷系統，申請了原理專利。1910年左右，馬利斯•萊蘭克發明了蒸氣噴射式制冷系統。
到20世紀，制冷技術有了更大發展。全封閉制冷壓縮機的研制成功（美國通用電器公司）；米里杰發現氟里昂制冷劑并用于蒸氣壓縮式制冷循環以及混合制冷劑的應用；伯寧頓發明回熱式除濕器循環以及熱泵的出現，均推動了制冷技術的發展。
在當代社會，制冷技術已經幾乎滲透到各個生產技術、科學研究領域，并在改善人類的生活質量方面發揮著巨大作用。生活中，制冷廣泛用于食品冷加工、冷貯藏、冷藏運輸，適性空氣調節，體育運動中制造人工冰場等；工業生產中，為生產環境提供必要的恒溫恒濕環境，對材料進行低溫處理，利用低溫進行零件間的過盈配合等；農牧業中，對農作物的種子進行低溫處理等；建筑工程中，利用制冷實現凍土開采土方；現代醫學也離不開制冷，深低溫冷凍骨髓和外周血干細胞、手術中的低溫麻醉等；制冷技術還在尖端科學領域如微電子技術、新型材料、宇宙開發、生物技術的研究和開發中起著舉足輕重的作用。可以說，現代技術進步是伴隨著制冷技術發展起來的。
2.制冷技術的應用
制冷技術已廣泛用于工業、農業、商業、醫藥、國防及建筑等領域。制冷技術發展和應用在各行業的生產過程，尖端科學研究及改善人們生活居住環境、食品貯藏保鮮等方面起到越來越重要的作用，同時也促進了科學技術的進步和社會的發展。制冷技術的發展和應用，與國計民生密切相關，甚至必不可少。
2.1制冷技術在食品工業的應用
制冷技術的重要應用部門之一是食品工業。制冷在食品貯藏保鮮中起著決定作用。制冷機的發明和應用，促進了食品工業的發展，也促進了食品資源的開發和利用。大中型食品冷庫、冷藏船、冷藏列車及冷藏汽車的應用，大大促進了各國內部和國際間的食品貿易和交流。制冷技術的廣泛應用已普及到食品工業各個部門和所以銷售環節，即形成了所謂“冷鏈”。由于食品采用了一定的低溫貯存加工，才能有效地延長食品貯藏時間，并保持食品原有特有的色、香、味及營養成分。
食品的生產、加工、凍結、貯藏和分配等環節廣泛采用制冷技術，適時向市場提供冷藏或冷凍食品，有效地調節了市場的供給，提高了食品的經濟效益。各種商業冷藏柜、食品冷藏陳列柜的出現，大大地促進了冷飲食品的發展和銷售。家用電冰箱的普及，有效地調節和豐富了人們的生活。冷凍干燥技術應用于某些生物制品和糧食制品加工過程中，大大提高了生產效率，保證了生產質量。制冷技術應用于釀造工業，有效地控制發酵反應過程并實現了低溫加工、包裝及貯藏。
工業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、接觸冷凍屬于傳統方式，冷凍的低溫主要由制冷壓縮機來實現。這種方式主要使用通道式冷凍機或者流化床通過氣流進行冷凍。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、規則形狀食品和非規則形狀食品。流化床冷凍時，底部網槽將冷空氣向上推動，松散、未包裝的食品來回移動，被冷空氣凍結。使用冷凍帶、柔性鋼帶或者旋轉氣缸是接觸冷凍中另一種傳統的冷凍方法。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，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。
低溫冷凍機不同于傳統的冷凍機，因為低溫冷凍機的冷凍速率極高，可以達到每小時5厘米。舉例來說，制作奶酪和酸奶的發酵劑可以迅速被冷凍成松散的粒狀物。因為溫度迅速降低，高達95%的微生物可以存活。這樣，冷凍的發酵劑容易儲存，運輸并在發酵過程中使用。傳統冷凍機的冷凍能力設計的時候是固定的，低溫冷凍機的冷凍范圍廣，可以冷凍很多新產品。
2.2制冷技術在空氣調節方面的應用
空氣調節是制冷技術應用面最廣的領域。大多數空調系統都需要利用制冷裝置進行空氣的溫度、濕度調節，構建人們所希望達到的環境條件。根據使用場合的不同，空氣調節可分為舒適性空調和工藝性空調。
舒適性空調是為人們創造適宜的生活和工作環境。例如:家庭、辦公室用的局部空調裝置或房間空調器;大型建筑、辦公樓、車站、機場、賓館、E院、商廈、影劇院、游樂廳等公共場所安裝的集中式空調系統;汽車、飛機、火車、輪船等交通工具上的空調設施等。舒適性空調的應用不僅有益于人們的身心健康，而且可以提高生產和工作效率。
有些生產場所不僅需要為在惡劣環境中工作的人員提供一定程度的舒適條件，而且需要有利于設備工作和加工產品的工藝性空調。例如:高溫生產車間、紡織廠、造紙廠、印刷廠、膠片廠。
機器設備的操作控制房、精密儀器車間、精密加工車間、精密計量室、計算機房等場所需要空調系統，提供各生產環境必需的溫、濕度條件，以保證產品的質量或精密設備的正常工作特性。
2.3制冷技術在工業生產及農牧業的應用
制冷在化學工業中的應用有:氣體液化、混合氣分離、天然氣的液化和貯運、燃料及化肥的生產、帶走化學反應中的反應熱等。機械制造中，利用制冷對鋼進行低溫處理(-70--90℃)，可以改變其金相組織，便奧氏體變成馬氏體，提高鋼的硬度和強度。在鋼鐵工業中，高爐鼓風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，保證鐵水質量。在材料回收中，利用材料在低溫狀態下的冷脆性能，可以對物料進行粉碎回收。目前，低溫粉碎技術是回收含鋼廢舊輪胎中橡膠的最有效方法。
農牧業中，制冷用于對農作物種子的低溫處理，建造人工氣候育秧室，保存優良種高的精液和胚胎等。
2.4制冷技術在建筑工程的應用
在建筑方面:澆制巨型混凝土大壩時，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度;在流沙地區開掘礦井或隧道時，可先將其四周土壤凍結，然后在凍土中進行施工，保證施工安全;拌和混凝土時，用冰代替水，利用冰的融化熱補償水泥的固化反應熱，能有效地避免大型構件因得不到充分散熱而產生內應力和裂縫等缺陷。此外，還可用人工制冷方法建造人工冰球場及溜冰場等。
2.5制冷技術在能源方面的應用
制冷及空調技術的迅速發展和廣泛應用，使能源消耗愈來愈大，因此，制冷、空氣調節的節能，余熱利用與回收，開展“二次能源”的研究，開發太陽能、風能、地熱的利用等，已成為世界各國在制冷、空氣調節技術發展中的一個重要研究課題。
太陽能制冷具有環保節能的優點，是當前制冷界的研究熱點。太陽能屬于低品位、低密度熱源，太陽能制冷系統不同于蒸汽壓縮式制冷系統。目前，關于太陽能制冷系統的研究較多，從原理上看主要包括兩種，一種是以熱能為驅動能源，如吸收式、吸附式、噴射式制冷等；另一種是以電能為驅動能源，先把太陽能轉化為電能，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優點。首先是節能，據統計，國際上用于民用空調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，將大大的減少電力消耗，節約能源；其次是環保，太陽能制冷一般采用非氟氯烴類物質作為制冷劑，臭氧層破壞系數和溫室效應系數為零，適合當前環保要求，同時可以減少燃燒化石能源發電帶來的環境污染。太陽能制冷的另一個優勢是熱量的供給和冷量的需求在季節和數量上高度匹配。太陽能輻射越強、氣溫越高，冷量需求也越大。太陽能制冷還可以設計成多能源系統，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，太陽能制冷技術目前還不成熟，但是因為其環保節能的特點，決定了它良好的發展前景。目前，制約其廣泛應用的主要原因是成本較高。太陽能制冷要降低成本，一方面要大力開發高效太陽能集熱板，提高熱力學性能；另一方面，走產業化發展道路。為此，可以與太陽能熱水器的應用相結合，太陽能制冷與太陽能熱水器結合，實行冷熱聯產。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制冷技術在國防工業的應用
在各種冷卻技術中，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、無噪聲和無需維護等特點，近年來在國內外得到廣泛的重視。另外，熱電制冷屬于固態制冷，抗震性能優良，尺寸精確，特別適合替代超重狀態下不能使用的常規制冷方式。目前，熱電制冷器在航空航天領域已開始獲得實際應，并且發展迅速，有取代機械制冷的趨勢。
在武器裝備方面，國外將半導體制冷技術用于紅外制導的空對空導彈紅外探測器探頭的冷卻，以降低工作噪音，提高靈敏度和探測率(如硫化鉛、硒化鉛紅外探測器在-10℃時的響應比20℃時大幾倍，在-78℃時其探測率可提高一個數量級)。如果將制冷系統設計為三級半導體制冷器，可得到-78℃的溫度；如果使用四級制冷單元，則可得到-95℃的溫度，而包含散熱器及風扇在內的整個冷卻器重量只有0．75kg。例如，俄羅斯米格戰斗機配備的AA-8和AA-11系列導彈就采用熱電制冷對紅外探測系統進行溫控。由于熱電制冷的抗震性能極好，它還經常應用于不能采用常規制冷的地方，如熱電制冷片用于冷卻安裝在噴氣式戰斗機翼尖的無線電設備。
熱電制冷技術在空間探測方面也有許多應用。例如，1995年由多國科學家組成的小組針對羅塞塔著陸器提出了一個擁有11個傳感器分系統的先進組件方案，將一個二級熱電制冷器直接放在傳感器石英晶體后面，根據需要對晶體進行加熱或冷卻。2002年，哈勃太空望遠鏡上安裝了近紅外相機和多目標光譜儀，其中相機的三個熱保護板中有兩個采用熱電冷卻，即熱電冷卻內板和熱電冷卻外板。將帶有熱保護板的相機裝在固體冷光學臺上，密封于氮／鋁泡沫杜瓦(瓶)中，可使相機的溫度保持在-215℃。。
熱電制冷也應用于控制特殊環境中材料和結構尺寸的穩定性。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200℃，而背向太陽面的表面溫度最低可達到-200℃左右，從而給航天器中的一些結構件內部帶來較大的溫度梯度。特別是當航天器工作姿態變化時，可能會加大結構件內部的溫度梯度，進而嚴重影響材料和結構的尺寸穩定性。因此，通過對材料和結構的溫度控制，降低其內部的溫度梯度，是確保材料和結構尺寸穩定性的有效途徑。
國內近年來針對熱電制冷在航空航天領域的應用也開展了大量研究。例如，中科院上海技術物理研究所針對星載紅外探測器需要在低溫下工作，設計并實現了紅外探測器溫度控制系統。在設計中采用了閉環反饋的控制方式，利用熱電制冷控制紅外探測器的工作溫度。哈爾濱工業大學在采用熱電制冷提高光纖陀螺慣導系統溫度穩定性、迅速達到穩定工作狀態方面進行了初步探索。北京航空航天大學目前在采用相變材料和熱電制冷研制智能溫控復合材料與結構方面進行了探索研究，并取得了階段性進展。該校采用國產熱電制冷器分別與金屬材料和碳纖維增強環氧復合材料結合，設計并制備了針對不同具體應用的多種智能溫控復合材料結構系統。模擬試驗表明，該智能溫控復合材料可以根據預定指令進行溫度控制。
2.7制冷技術在醫療方面的應用
一些醫療手術，如心臟、腫瘤、白內障的切除，皮膚和眼球的移植手術及低溫麻醉等，都需要制冷技術。一些藥物、疫苗和血漿等生物樣品都需要在低溫下貯藏，諸多的現代醫療器械、治療儀、診斷儀也使用制冷技術，可以說現代醫學已經離不開制冷。制冷技術的應用，促進了醫療衛生和醫藥制品的生產和發展。低溫醫療有效地提高了對某些疾病的醫療效果。低溫為生物器官的保存、移植提供了保證。低溫技術的應用更促進了低溫生物學和生物工程的發展。
除此之外，在微電子技術、大型計算機、新型材料、宇宙開發、生物技術等尖端科學領域中，制冷技術也起著十分重要的作用。在當代社會，制冷技術已經幾乎滲透到各個生產技術、科學研究領域，并在改善人類的生活質量方面發揮著巨大作用。制冷技術發展和應用在各行業的生產過程，尖端科學研究及改善人們生活居住環境、食品貯藏保鮮等方面起到越來越重要的作用，同時也促進了科學技術的進步和社會的發展。制冷技術的發展和應用，與國計民生密切相關，必不可少。
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