制冷技术发展及应用
摘要：制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个温度。制冷技术已广泛用于工业、农业、商业、医药、国防及建筑等领域。制冷技术发展和应用在各行业的生产过程，尖端科学研究及改善人们生活居住环境、食品贮藏保鲜等方面起到越来越重要的作用，同时也促进了科学技术的进步和社会的发展。制冷技术的发展和应用，与国计民生密切相关，甚至必不可少。
1. 制冷技术的发展历程
制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个温度。
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。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。
在当代社会，制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。生活中，制冷广泛用于食品冷加工、冷贮藏、冷藏运输，适性空气调节，体育运动中制造人工冰场等；工业生产中，为生产环境提供必要的恒温恒湿环境，对材料进行低温处理，利用低温进行零件间的过盈配合等；农牧业中，对农作物的种子进行低温处理等；建筑工程中，利用制冷实现冻土开采土方；现代医学也离不开制冷，深低温冷冻骨髓和外周血干细胞、手术中的低温麻醉等；制冷技术还在尖端科学领域如微电子技术、新型材料、宇宙开发、生物技术的研究和开发中起着举足轻重的作用。可以说，现代技术进步是伴随着制冷技术发展起来的。
2.制冷技术的应用
制冷技术已广泛用于工业、农业、商业、医药、国防及建筑等领域。制冷技术发展和应用在各行业的生产过程，尖端科学研究及改善人们生活居住环境、食品贮藏保鲜等方面起到越来越重要的作用，同时也促进了科学技术的进步和社会的发展。制冷技术的发展和应用，与国计民生密切相关，甚至必不可少。
2.1制冷技术在食品工业的应用
制冷技术的重要应用部门之一是食品工业。制冷在食品贮藏保鲜中起着决定作用。制冷机的发明和应用，促进了食品工业的发展，也促进了食品资源的开发和利用。大中型食品冷库、冷藏船、冷藏列车及冷藏汽车的应用，大大促进了各国内部和国际间的食品贸易和交流。制冷技术的广泛应用已普及到食品工业各个部门和所以销售环节，即形成了所谓“冷链”。由于食品采用了一定的低温贮存加工，才能有效地延长食品贮藏时间，并保持食品原有特有的色、香、味及营养成分。
食品的生产、加工、冻结、贮藏和分配等环节广泛采用制冷技术，适时向市场提供冷藏或冷冻食品，有效地调节了市场的供给，提高了食品的经济效益。各种商业冷藏柜、食品冷藏陈列柜的出现，大大地促进了冷饮食品的发展和销售。家用电冰箱的普及，有效地调节和丰富了人们的生活。冷冻干燥技术应用于某些生物制品和粮食制品加工过程中，大大提高了生产效率，保证了生产质量。制冷技术应用于酿造工业，有效地控制发酵反应过程并实现了低温加工、包装及贮藏。
工业上冷冻食品可以采用以下方法：气流冷冻、接触冷冻和低温冷冻。气流冷冻、接触冷冻属于传统方式，冷冻的低温主要由制冷压缩机来实现。这种方式主要使用通道式冷冻机或者流化床通过气流进行冷冻。将要冷冻的食品放在输送带上，冷空气从通道上传送过来，从食品上流过。通道式气流冷冻适用于所有包装食品、非包装食品、规则形状食品和非规则形状食品。流化床冷冻时，底部网槽将冷空气向上推动，松散、未包装的食品来回移动，被冷空气冻结。使用冷冻带、柔性钢带或者旋转气缸是接触冷冻中另一种传统的冷冻方法。这种方法中，包装食品被放在金属板之间，冷却剂在金属板之间流动，将金属板冷却到零下40°C左右。接触冷冻主要用于冷冻块状食品例如鱼片或者奶油菠菜等。
低温冷冻机不同于传统的冷冻机，因为低温冷冻机的冷冻速率极高，可以达到每小时5厘米。举例来说，制作奶酪和酸奶的发酵剂可以迅速被冷冻成松散的粒状物。因为温度迅速降低，高达95%的微生物可以存活。这样，冷冻的发酵剂容易储存，运输并在发酵过程中使用。传统冷冻机的冷冻能力设计的时候是固定的，低温冷冻机的冷冻范围广，可以冷冻很多新产品。
2.2制冷技术在空气调节方面的应用
    空气调节是制冷技术应用面最广的领域。大多数空调系统都需要利用制冷装置进行空气的温度、湿度调节，构建人们所希望达到的环境条件。根据使用场合的不同，空气调节可分为舒适性空调和工艺性空调。
舒适性空调是为人们创造适宜的生活和工作环境。例如:家庭、办公室用的局部空调装置或房间空调器;大型建筑、办公楼、车站、机场、宾馆、E院、商厦、影剧院、游乐厅等公共场所安装的集中式空调系统;汽车、飞机、火车、轮船等交通工具上的空调设施等。舒适性空调的应用不仅有益于人们的身心健康，而且可以提高生产和工作效率。　　
　　有些生产场所不仅需要为在恶劣环境中工作的人员提供一定程度的舒适条件，而且需要有利于设备工作和加工产品的工艺性空调。例如:高温生产车间、纺织厂、造纸厂、印刷厂、胶片厂。　　
　　机器设备的操作控制房、精密仪器车间、精密加工车间、精密计量室、计算机房等场所需要空调系统，提供各生产环境必需的温、湿度条件，以保证产品的质量或精密设备的正常工作特性。
2.3制冷技术在工业生产及农牧业的应用
制冷在化学工业中的应用有:气体液化、混合气分离、天然气的液化和贮运、燃料及化肥的生产、带走化学反应中的反应热等。机械制造中，利用制冷对钢进行低温处理(-70--90℃)，可以改变其金相组织，便奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。在钢铁工业中，高炉鼓风需要用制冷的方法先将其除湿，然后再送人高炉，以降低铁水的焦化比，保证铁水质量。在材料回收中，利用材料在低温状态下的冷脆性能，可以对物料进行粉碎回收。目前，低温粉碎技术是回收含钢废旧轮胎中橡胶的最有效方法。
　　 农牧业中，制冷用于对农作物种子的低温处理，建造人工气候育秧室，保存优良种高的精液和胚胎等。
     2.4制冷技术在建筑工程的应用
在建筑方面:浇制巨型混凝土大坝时，可用人工制冷方法来排除混凝土在凝固过程中析出的热量，以防坝体裂缝，并可提高混凝土的强度;在流沙地区开掘矿井或隧道时，可先将其四周土壤冻结，然后在冻土中进行施工，保证施工安全;拌和混凝土时，用冰代替水，利用冰的融化热补偿水泥的固化反应热，能有效地避免大型构件因得不到充分散热而产生内应力和裂缝等缺陷。此外，还可用人工制冷方法建造人工冰球场及溜冰场等。
2.5制冷技术在能源方面的应用
制冷及空调技术的迅速发展和广泛应用，使能源消耗愈来愈大，因此，制冷、空气调节的节能，余热利用与回收，开展“二次能源”的研究，开发太阳能、风能、地热的利用等，已成为世界各国在制冷、空气调节技术发展中的一个重要研究课题。
太阳能制冷具有环保节能的优点，是当前制冷界的研究热点。太阳能属于低品位、低密度热源，太阳能制冷系统不同于蒸汽压缩式制冷系统。目前，关于太阳能制冷系统的研究较多，从原理上看主要包括两种，一种是以热能为驱动能源，如吸收式、吸附式、喷射式制冷等；另一种是以电能为驱动能源，先把太阳能转化为电能，然后再利用电能来制冷，如光电式制冷，热电式制冷等。太阳能制冷具有以下几个优点。首先是节能，据统计，国际上用于民用空调所耗电能约占民用总耗电的50%。而太阳能是取之不尽，用之不竭的。太阳能制冷用于空调，将大大的减少电力消耗，节约能源；其次是环保，太阳能制冷一般采用非氟氯烃类物质作为制冷剂，臭氧层破坏系数和温室效应系数为零，适合当前环保要求，同时可以减少燃烧化石能源发电带来的环境污染。太阳能制冷的另一个优势是热量的供给和冷量的需求在季节和数量上高度匹配。太阳能辐射越强、气温越高，冷量需求也越大。太阳能制冷还可以设计成多能源系统，充分利用余热、废气、天然气等其他资源。
虽然与压缩式制冷相比，太阳能制冷技术目前还不成熟，但是因为其环保节能的特点，决定了它良好的发展前景。目前，制约其广泛应用的主要原因是成本较高。太阳能制冷要降低成本，一方面要大力开发高效太阳能集热板，提高热力学性能；另一方面，走产业化发展道路。为此，可以与太阳能热水器的应用相结合，太阳能制冷与太阳能热水器结合，实行冷热联产。太阳能热水器的热销可以看出太阳能制冷的广阔前景。
2.6制冷技术在国防工业的应用
     在各种冷却技术中，热电制冷由于具有体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声和无需维护等特点，近年来在国内外得到广泛的重视。另外，热电制冷属于固态制冷，抗震性能优良，尺寸精确，特别适合替代超重状态下不能使用的常规制冷方式。目前，热电制冷器在航空航天领域已开始获得实际应，并且发展迅速，有取代机械制冷的趋势。
   在武器装备方面，国外将半导体制冷技术用于红外制导的空对空导弹红外探测器探头的冷却，以降低工作噪音，提高灵敏度和探测率(如硫化铅、硒化铅红外探测器在-10℃时的响应比20℃时大几倍，在-78℃时其探测率可提高一个数量级)。如果将制冷系统设计为三级半导体制冷器，可得到-78℃的温度；如果使用四级制冷单元，则可得到-95℃的温度，而包含散热器及风扇在内的整个冷却器重量只有0．75kg。例如，俄罗斯米格战斗机配备的AA-8和AA-11系列导弹就采用热电制冷对红外探测系统进行温控。由于热电制冷的抗震性能极好，它还经常应用于不能采用常规制冷的地方，如热电制冷片用于冷却安装在喷气式战斗机翼尖的无线电设备。
　　热电制冷技术在空间探测方面也有许多应用。例如，1995年由多国科学家组成的小组针对罗塞塔着陆器提出了一个拥有11个传感器分系统的先进组件方案，将一个二级热电制冷器直接放在传感器石英晶体后面，根据需要对晶体进行加热或冷却。2002年，哈勃太空望远镜上安装了近红外相机和多目标光谱仪，其中相机的三个热保护板中有两个采用热电冷却，即热电冷却内板和热电冷却外板。将带有热保护板的相机装在固体冷光学台上，密封于氮／铝泡沫杜瓦(瓶)中，可使相机的温度保持在-215℃。。　　
　　热电制冷也应用于控制特殊环境中材料和结构尺寸的稳定性。例如，航天器在工作过程中，由于受到太阳辐照、地球辐射和阳光反照、3K冷黑空间以及各舱段和太阳帆板遮挡的交互作用，航天器朝向太阳的表面温度可高达200℃，而背向太阳面的表面温度最低可达到-200℃左右，从而给航天器中的一些结构件内部带来较大的温度梯度。特别是当航天器工作姿态变化时，可能会加大结构件内部的温度梯度，进而严重影响材料和结构的尺寸稳定性。因此，通过对材料和结构的温度控制，降低其内部的温度梯度，是确保材料和结构尺寸稳定性的有效途径。
国内近年来针对热电制冷在航空航天领域的应用也开展了大量研究。例如，中科院上海技术物理研究所针对星载红外探测器需要在低温下工作，设计并实现了红外探测器温度控制系统。在设计中采用了闭环反馈的控制方式，利用热电制冷控制红外探测器的工作温度。哈尔滨工业大学在采用热电制冷提高光纤陀螺惯导系统温度稳定性、迅速达到稳定工作状态方面进行了初步探索。北京航空航天大学目前在采用相变材料和热电制冷研制智能温控复合材料与结构方面进行了探索研究，并取得了阶段性进展。该校采用国产热电制冷器分别与金属材料和碳纤维增强环氧复合材料结合，设计并制备了针对不同具体应用的多种智能温控复合材料结构系统。模拟试验表明，该智能温控复合材料可以根据预定指令进行温度控制。
　　 2.7制冷技术在医疗方面的应用
一些医疗手术，如心脏、肿瘤、白内障的切除，皮肤和眼球的移植手术及低温麻醉等，都需要制冷技术。一些药物、疫苗和血浆等生物样品都需要在低温下贮藏，诸多的现代医疗器械、治疗仪、诊断仪也使用制冷技术，可以说现代医学已经离不开制冷。制冷技术的应用，促进了医疗卫生和医药制品的生产和发展。低温医疗有效地提高了对某些疾病的医疗效果。低温为生物器官的保存、移植提供了保证。低温技术的应用更促进了低温生物学和生物工程的发展。
除此之外，在微电子技术、大型计算机、新型材料、宇宙开发、生物技术等尖端科学领域中，制冷技术也起着十分重要的作用。在当代社会，制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。制冷技术发展和应用在各行业的生产过程，尖端科学研究及改善人们生活居住环境、食品贮藏保鲜等方面起到越来越重要的作用，同时也促进了科学技术的进步和社会的发展。制冷技术的发展和应用，与国计民生密切相关，必不可少。