制冷的“前世今生”

姜夢(mèng)祥

提起制冷想必大家都不會(huì)陌生，我們?nèi)粘Ｉ钪欣洳厥澄锏谋洌蚴翘峁鏊孢m環(huán)境的空調(diào)，都離不開(kāi)制冷。那制冷究竟是從何時(shí)開(kāi)始？又經(jīng)歷怎么樣的發(fā)展才變成了今天的樣子呢？現(xiàn)在，就讓我們一起回顧一下吧！

人類(lèi)從蠻荒步入文明之后，為了求生存、求安定，不再為尋找食物而奔走遷徙，就必須儲(chǔ)存食物。于是我們聰明的祖先，發(fā)明了曬干、煙熏以及腌制等辦法，這些方法雖然能夠儲(chǔ)存食物，卻無(wú)法保持食物的新鮮原味。就在這時(shí)，我們的另一位祖先想到——為什么我們不能用天然的寒冷來(lái)冷凍食物呢？于是古代制冷技術(shù)就這樣萌發(fā)了。

中國(guó)是世界上最早利用儲(chǔ)冰制冷的國(guó)家之一，早在公元前1000年就建筑了世界上最古老的冰窖“凌陰”?！对?shī)經(jīng)》中曾這樣描寫(xiě)：“二之日鑿冰沖沖，三之日納于凌陰，四之日其蚤，獻(xiàn)羔祭韭?！卑唇裉斓脑拋?lái)說(shuō)，就是臘月里鑿冰沖沖響，正月里存冰入冰窖，二月里取出冰來(lái)，冰鎮(zhèn)羊羔肉和韭菜上供祭神。冰窖的形狀類(lèi)似于一個(gè)長(zhǎng)方形棱臺(tái)，內(nèi)部有很多網(wǎng)柱用于支撐屋面的重量，窖底和邊緣鋪有稻糠，冰塊上層覆蓋草墊，并涂泥封閉，用來(lái)隔熱。冰窖底部設(shè)有水道，與外河相通，融水可由此排出。窖底8.5m×9m，窖口10m×11.4m，深2m，可儲(chǔ)冰190m3。那儲(chǔ)存時(shí)是這么多，到夏天能剩多少呢？古人也有自己的經(jīng)驗(yàn)公式，即“三其凌”，也就是還剩1/3，約為64m3。冰窖出現(xiàn)的年代之早，設(shè)計(jì)之巧妙，皆世所罕見(jiàn)。

用天然冰制冷，最低只能達(dá)到0℃。如果想人工制冰，必須達(dá)到比0℃更低的溫度。于是，人們發(fā)現(xiàn)了冰鹽混合物。這種冷卻混合物的出現(xiàn)，是天然制冷向人工制冷的過(guò)渡。1550年，西班牙醫(yī)生烏拉加寬發(fā)現(xiàn)在雪中加入硝石（硝酸鉀），可以凍結(jié)奶油。冰鹽混合物制冷很快得到了商業(yè)應(yīng)用?，F(xiàn)在夏季必備的雪糕，就是那時(shí)走向了千家萬(wàn)戶。

產(chǎn)業(yè)革命的興起加速了征服制冷的步伐。傳統(tǒng)的制冷方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)適應(yīng)不了食物的長(zhǎng)期儲(chǔ)存和遠(yuǎn)途運(yùn)輸要求。于是，那個(gè)時(shí)代，許多具有開(kāi)拓精神的科學(xué)家和工程師紛紛致力于新的冷藏方法和冷凍機(jī)械的研究。

1834年，美國(guó)工程師帕金斯取得了世界上第一項(xiàng)有關(guān)冷凍機(jī)的專(zhuān)利。帕金斯的裝置已經(jīng)包括了現(xiàn)代蒸氣壓縮式制冷機(jī)的所有基本特征。乙醚蒸汽在壓縮機(jī)中被壓縮，然后進(jìn)入冷凝器，用水冷卻，變成液體。液態(tài)的乙醚經(jīng)過(guò)膨脹閥，變成氣液混合物，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱。蒸發(fā)器浸在鹽水中，從而得到低溫鹽水，滿足人們的需要。

相比于蒸氣壓縮式制冷機(jī)，更早得到實(shí)際應(yīng)用的是空氣壓縮式制冷裝置。1844年，美國(guó)一家醫(yī)院的院長(zhǎng)格里制成了這種冷凍機(jī)，并將它應(yīng)用在自家醫(yī)院的病房上。但由于格里的冷凍機(jī)經(jīng)濟(jì)性較差，未能得到普遍推廣。1862年，蘇格蘭人柯克制造了閉路循環(huán)空氣壓縮式制冷機(jī)。工程師科爾曼又對(duì)其改進(jìn)，獲得了Bell-科爾曼空氣壓縮制冷機(jī)，并被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船。其工作原理是空氣從冷凍室抽入壓縮缸，在壓縮缸壓縮升溫進(jìn)入冷卻器降溫。降溫后的空氣進(jìn)入膨脹缸做功，溫度降低，低溫氣體進(jìn)入冷凍室用于制冷。

在這兩種制冷技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，熱操作的吸收式制冷也發(fā)展起來(lái)。1859年，卡列成功制造了氨吸收式制冷機(jī)。該裝置以水為吸收劑，以氨氣為制冷劑。從蒸發(fā)器出來(lái)的氨蒸氣進(jìn)入吸收器被水吸收，成為濃氨水。濃氨水用泵輸入發(fā)生器中。在發(fā)生器里，氨水被加熱，蒸發(fā)出來(lái)的氨氣進(jìn)入冷凝器，經(jīng)水冷變成液態(tài)氨。液態(tài)氨經(jīng)節(jié)流閥膨脹至低壓態(tài)，變成低溫濕蒸氣，然后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量，恢復(fù)原狀，完成循環(huán)。

1834—1859年，短短25年間，各種制冷技術(shù)相繼誕生。他們?cè)谙嗷ジ?jìng)爭(zhēng)中成長(zhǎng)，共同促進(jìn)了制冷技術(shù)的進(jìn)步。至今也沒(méi)有哪一種制冷方式完全退出舞臺(tái)，各種制冷方式有各自的適應(yīng)性，并在不同的領(lǐng)域取得成功。

我們更應(yīng)該看到的是，首批制冷機(jī)的發(fā)明多半還是個(gè)人的天才創(chuàng)造，他們都沒(méi)有利用熱力學(xué)的知識(shí)，只是憑著經(jīng)驗(yàn)去探索。這啟示我們，如果有好的想法，不要猶豫，去實(shí)現(xiàn)它！暫時(shí)解釋不了也沒(méi)關(guān)系，先做出來(lái)！前輩的例子就擺在那里，也許下一個(gè)有著奠基性的發(fā)明就在你我的手中。當(dāng)發(fā)明完成之后，我們應(yīng)當(dāng)對(duì)它的科學(xué)原理進(jìn)行研究，這是作為科技工作者的本職工作，就像西門(mén)子和林德一樣。

隨著熱力學(xué)原理與人工制冷先驅(qū)者實(shí)踐的結(jié)合，我們迎來(lái)了制冷技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，制冷裝置也逐步走近我們的身邊。

1918年，1家公司推出了世界上第一臺(tái)家用電冰箱。1919年，美國(guó)芝加哥興建了第一座空調(diào)電影院。1930年，氟利昂制冷工質(zhì)的出現(xiàn)引起了制冷技術(shù)的重大革新。制冷裝置從這個(gè)時(shí)候開(kāi)始，普及到千家萬(wàn)戶。還是以冰箱為例，1921年，美國(guó)的電冰箱還只有5000臺(tái);到了1937年，49%的美國(guó)家庭都已經(jīng)購(gòu)置了電冰箱。很難想象，如果沒(méi)有空調(diào)和冰箱，我們要如何度過(guò)這炎熱的夏天。

但是，很快人們發(fā)現(xiàn)氟利昂的使用會(huì)導(dǎo)致大面積的臭氧空洞，危及地球的生命。而它的替代品，如我們常見(jiàn)的R134a（四氟乙烷，制冷劑），雖然不會(huì)破壞臭氧層，卻會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)。因此，新一輪的開(kāi)發(fā)使用制冷劑的競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)始在世界各國(guó)的實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)，人們期待更優(yōu)越、更環(huán)保的制冷劑問(wèn)世。除了制冷劑方面，新的制冷理論及實(shí)踐也取得了突破性的進(jìn)展，如熱聲制冷技術(shù)，還有對(duì)絕對(duì)零度的探索。

在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈、節(jié)能和環(huán)保迫切要求的當(dāng)下，制冷工業(yè)正處于飛速發(fā)展的時(shí)期，具備了新的發(fā)展前景。與已走過(guò)的歷程一樣，在未來(lái)，探索新的制冷技術(shù)的征途上，我們會(huì)遇到險(xiǎn)峰崎路，也會(huì)遇到迷霧荒原，但這不會(huì)阻擋住我們的腳步，追求真理的火種永遠(yuǎn)也不會(huì)熄滅，迎接我們的必將是更加奇妙的世界。