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低温技术发展过程概述

作者: 来源: 日期:2015/12/14 10:12:19 人气:810

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20.4K1908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(1×103~5×103K;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20×103K1951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4×103K1950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1×103K。 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(JT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(GM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(CADCAM)。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。 

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