制冷与低温工程是什么?关于制冷与低温工程的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:52:49

制冷与低温工程(Refrigeration and Cryogenic Engineering)是指用人工的方法,在一定时间空间内对某物体或对象进行冷却,使其降低到环境温度以下。低温技术研究的是从μK~120K温度范围的问题,而制冷技术主要关注的是120K到常温这一温度范围内的问题。

制冷与低温技术是伴随工业革命而诞生、并逐渐发展起来的传统技术,而同时又随着科学技术的发展和人类文明、社会进步、经济发展而不断发展、产生新概念、萌发新技术、扩充新领域。在现代科学技术的发展中,制冷和低温学科提供重要的技术支撑和研究平台。无论是正负电子对撞的现代物理学研究还是受控热核聚变或低温超导等现代技术前沿,都需要制冷技术产生极端低温环境或提供精准的热环境状态。制冷和低温技术已经成为现代科学发展不可或缺的关键技术。

概述

制冷(Refrigeration)作为一门学科和技术,是指用人工的方法,在一定时间空间内对某物体或对象进行冷却,使其降低到环境温度以下。夏季使用空调降温、冰箱冷冻室等场景均采用的是制冷技术。但是通过辐射、对流向环境传热等自发传热降温过程不属于制冷。

制冷的温度范围是从环境温度开始,一直可以达到绝对零度(0 K)。习惯上把较低的温度成为低温。制冷与低温没有明确的温度界限,温区可以根据实际的需要进行划分。按照目前制冷学界的观点,可以将制冷的温度划分为如下几个领域:

  • 120K 以上称为制冷;

  • 4.2~120K称为低温制冷;

  • 4.2K 以下成为超低温制冷。

一般意义上的低温学(Cryogenics)研究的内容是温度低于120K时发生的一些现象中的科学和工程问题。如下表所示,低于120K时,常见的永气体(permanent gas)开始冷凝,会表现出诸多不同寻常物理性质,能够用在多种工程和实践应用中。低温的英文词汇cryogenic源自希腊语κρύο (cryo) 【"冷"】 和 γονική (genic) 【与生产相关】。

沸点低于120K温度的常用流体
流体名称 标准沸点 (K)
氪 Krypton 119.8
甲烷 Methane 111.6
氧 Oxygen 90.2
氩 Argon 87.3
氮 Nitrogen 77.4
氖 Neon 27.1
氢 Hydrogen 20.3
氦 Helium 4.2

因此可以说,低温技术研究的是从μK~120K温度范围的问题,而制冷技术主要关注的是120K到常温这一温度范围内的问题。

在现代科学技术的发展中,制冷和低温学科提供重要的技术支撑和研究平台。无论是正负电子对撞的现代物理学研究还是受控热核聚变或低温超导等现代技术前沿,都需要制冷技术产生极端低温环境或提供精准的热环境状态。制冷和低温技术已经成为现代科学发展不可或缺的关键技术。

制冷技术的发展

我国早在《诗经》一书中记载古人夏季降温的方法“二之日凿冰冲冲,三之日纳于凌阴”,也就是说冬天藏冰于冰窖,夏季温度升高时取出为室内降温。《艺文志》已有记载,“大秦国有五宫殿,以水晶为拱柱,称水晶宫,内实以冰,遇夏开放。”这是中国最早的空调房。魏国曹植在《大暑赋》中有: “积素冰于幽馆,气飞积而为霜” (清幽的馆舍里囤积了洁白的冰块,使飞舞的空气凝结为冰霜)的诗句,诗中的幽馆,就是指地下冰。金庸先生《天龙八部》中描绘西夏皇宫冰窖的情节,也是基于类似的构想。

1748年,化学家威廉·库仑发现乙醚蒸发会引起温度下降的现象,1755年威廉·库仑在爱丁堡发明了第一台采用减压水蒸发的制冷机,开创了人工制冷的新纪元。1834年,发明家泊尔金斯在伦敦造出第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机,这是后来所有蒸气压缩式制冷机的出行。1844年,美国医生高里在弗罗里达州利用刚发明的制冰机造出了第一台空调器,并于1851年获得美国专利。 

1875年,卡利和林德用氨作为制冷剂,从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。1910年,第一台以氨为工质的冰箱问世。1925年瑞典丽都公司开发了家用吸收式冰箱。1927年美国通用电气公司研制出全封闭式冰箱。1930年采用不同加热方式的空气冷却连续扩散吸收式冰箱投放市场。1931年研制成功新型制冷剂氟利昂12。50年代后半期开始生产家用热电冰箱,中国从50年代开始生产电冰箱。

2014年,我国家用电冰箱产量达到9529万台,国内保有量超过5.2亿台。中国制冷行业得到了突飞猛进的发展,从业企业超过千家,部分技术达到了世界先进水平,成为世界制冷行业第一大市场。

学科专业

制冷及低温工程是一级学科动力工程及工程热物理学下的二级学科。

下表是国内该专业的评估情况和排名。

排名 学校名称 评估结果
1 清华大学 A+
2 西安交通大学 A+
3 上海交通大学 A
4 浙江大学 A
5 天津大学 A-
6 华北电力大学 A-
7 哈尔滨工业大学 A-
8 华中科技大学 A-
9 北京航空航天大学 B+
10 北京理工大学 B+
11 大连理工大学 B+
12 哈尔滨工程大学 B+
13 华东理工大学 B+
14 上海理工大学 B+
15 东南大学 B+
16 江苏大学 B+
17 中国科学技术大学 B+
18 北京科技大学 B
19 同济大学 B
20 南京航空航天大学 B
21 南京工业大学 B
22 山东大学 B
23 重庆大学 B
24 中国石油大学 B
25 海军工程大学 B

制冷与低温的应用领域

低温制冷对现代科学、国防、国民经济及环保等各方面起到支撑作用,不可替代。

中国科学院理化技术研究所周远院士曾总结以下应用领域:

  • 航天及空间应用 (推进剂,卫星遥感遥测,低温风洞 )

  • 国防和军事 (红外制导,预警,夜视,光学系统,潜艇动力装置等 )

  • 科研 (低温液体、加速器,大科学工程中的低温系统等 )

  • 生命科学 (超导MRI ,SQUID,器官保存,低温外科 )

  • 工业 (氧炼钢,低温泵,气体液化分离,LNG)

  • 信息产业 (低温电子学,半导体器件、红外器件冷却等)

  • 交通 (磁悬浮,LNG ,LH2汽车 )

  • 能源 (超导储能,限流器,LNG,超导强电装置,深冷储能 )

  • 环境 (大气,地质,资源探测,环境检测,空调、冰箱 )

与其它学科的交叉

空气调节与人工环境

  1. 低温环境试验:产品在低温环境中的性能试验、温度冲击试验(产品承受快速低温温度循环的能力)

  2. 湿热试验:研究或检验温度、湿度对产品工作性能的影响

  3. 盐雾试验:产品放在高湿的盐雾环境中进行试验,以检验产品及部件的耐腐蚀性能

  4. 多种气候试验:包括温度、风速、雨、雪、沙的试验,又称为全天候试验

  5. 空间模拟试验:模拟飞行器进入高空的情况,其环境特点是低温和真空

食品冷冻与冷冻干燥

  1. 食品冷冻:引起食品腐烂变质的主要原因是微生物的作用和酶的催化作用,降低温度一般来说能够延缓食物腐烂变质的速度。

  2. 冷冻干燥:将食品或生物材料先进行低温固化,然后运用抽空的方法使冻结的水分以升华的形式从材料中抽出,使材料达成干燥的目的,又称作“低温真空干燥”或“冻干”,英文参见(freeze-drying 或者 lyophilisation)。

低温工程与物理学

无论是正负电子对撞的现代物理学研究还是受控热核聚变或低温超导等现代技术前沿,都需要制冷技术产生极端低温环境或提供精准的热环境状态。右图为大型强子对撞机,采用9T的磁场在1.8 K温度下运行。其极低的温度需要采用低温工程实现。

相关其他应用,可以参见美国宇航局设置在加州理工的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)(https://www.jpl.nasa.gov/)等单位的相关报道。