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漫谈空调技术与历史  

2015-05-31 22:30:00|  分类: 行业知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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漫谈空调技术与历史 - CHINA-CLO2 - 中国 消毒水网空消网

夏天到来,天气逐渐炎热,处于热带与亚热带的人们开始寻找避暑胜地与良计。居民楼的外墙上随处可见的铁盒子开始嗡嗡作响,汽车的玻璃也开始紧紧关闭,这是空调在工作。有一些大楼,虽然看不到嗡嗡作响的大铁盒子,但房间里依然凉爽。仔细观察,可以发现房间里天花板上有一些或方形或矩形的格栅在吹出阵阵凉风,这也是空调在工作。

与人类漫长的使用火加热的历史相比,人类使用工具降低居住环境温度的时间说长不长,说也短不短。李约瑟在《中国科学技术史》中提到,早在汉代时中国人就已发明了使用人力或者水力驱动的风扇。但在之后相当长的时间里,人类一直没能发明可以显著改变建筑内环境温度的工具。

直到1758年,降温技术才出现了里程碑式的发展。这一年,英国化学家、医生约翰·哈德利与合作者本杰明·富兰克林进行了一项实验。他们把乙醚喷到温度计上,发现温度计会迅速降温。改进后的实验甚至可以制取一些冰。这个实验是首次人工制冰。可惜,六年之后约翰·哈德利因病而逝。科学家富兰克林也把主要精力投入到了争取美国独立的政治事业中去。之后的数十年,人工降温的技术几乎完全没有进步。

1820年,著名的英国科学家迈克尔·法拉弟发现压缩可以使氨气液化,而液氨在蒸发时可以让空气冷却。对于即将诞生的空调来说,这个发现可以称之为通向正确道路的大门。不过,法拉弟虽然发现了氨的这个秘密,但要发明可以制冷的机器,却还要再等20年,还要等一名叫做约翰·戈里的美国医生。

1842年疟疾和黄热病在佛罗里达州流行。同时是旅馆老板、银行职员与医生约翰·戈里为了给病人降温,发明了一个形状怪异的装置,可以通过制取冰来冷却空气。这就是世界上第一台真正意义上的制冷机。

1851年的时候,约翰·戈里取得该装置的专利。约翰·戈里宏图远大,他不只是想给一座建筑物降温,甚至还想给整个城市降温。可惜约翰·戈里的心比天高,命比纸薄。投资者突然死亡使他没有财力进行新的研究。直到他1855年去世,他的制冷机也没再取得实质的进步。今天,在美国的佛罗里达州还有一个名叫“约翰·戈里州立博物馆”,用来纪念这位制冷业的先驱。馆中展示了一台按约翰·戈里发明的那台制冷机四分之三大小制作的模型。

在约翰·戈里获得专利的同一年,澳大利亚人詹姆斯·哈里森也制造出类似的制冷机,并于1854年卖给巴望河银行。这标志着制冷机进入到商业化时代。1855年,哈里森的乙醚蒸气压缩式空调获得专利。

在19世纪下半段,各种与制冷有关的技术纷纷获得专利。制冷设备成为一个行业并蓬勃发展起来。不过,这些设备都是机械式、由热机驱动的。它们体积庞大效率低下,功率也不能做的很大。很难普及使用。直到1902年一位名叫威利斯·开利的年轻人进行了改进之后,才真正开始普及。

威利斯·开利是布法罗铸造公司的机械工程师,他们的客户萨克特-威廉印刷出版公司需要一台制冷机。以前的机械式制冷机是先制冰再制冷。降低温度的同时,空气的湿度也大大增加,并不能用于印刷厂。布法罗铸造公司把任务交给了刚刚毕业的机械工程师威利斯·开利。据称开利研究了很长时间,灵感来源于他在火车站看到了凝结的露珠。空气的湿度跟温度密切相关,同样的含水量,温度越低,湿度越高,直到饱和后凝成水珠。开利利用了空气的这一特点。他让需要被冷却的空气通过一个狭小的空间把热量传导给制冷冷媒。这样可以把空气的温度降的很低而使含水量饱和凝结出水。水附着在冷媒容器的外壁上,聚集到一定量后排出。低温的空气离开换热装置后吸收周围空气的热量,温度升高到需要制冷的温度,湿度降低。空气因此变的既冷又干燥。这也是空调可以除湿的原因所在。开利出色的完成了任务。他制造的这台制冷机由电力驱动,使用空间狭小但面积巨大的换热装置,与现在的空调已没太大差别。空调行业也都认可这是世界上第一台“科学空调”。

萨克特-威廉印刷出版公司达到了自己的目的;布法罗铸造公司获得了巨大的成功;威利斯·开利也因此得到提拔。1906年的时候,威利斯·开利获得了该空调的专利。不过,布法罗铸造公司并未把空调业务当成公司的主营业务。1914年开利离开布法罗,并于次年与朋友合伙公办了一家以空调为主业的公司。这就是大名鼎鼎的开利空调公司。

由于开利的空调极大的提高了舒适性,广受市场青睐。据称,仅第一年就接到了四十套订单。1924年底特律的赫德森百货公司安装了开利空调;1925年纽约里沃利大剧院安装了开利空调;1928年美国白宫安装了开利空调;1929年参议院也安装了开利空调。到大萧条前,开利公司已为数百个剧院与大厦安装了空调。他与他的公司都获得了巨大的成功。

开利本人作为杰出的工程师,对市场也很敏感。他认为聚集着高级经理人与普通白领职员的写字楼都需要安装空调。并针对这种建筑设计了一种可以吊在天花板下的空调系统,既“导管式空调系统”。这种空调不仅可以让高层的大厦更加易于安装、使用空调,还不占用宝贵的地面空间。直到现在,“导管式空调系统”还是美国市场主要销售的产品之一。开利甚至还看到了家庭用空调巨大的市场。但受限于当时的技术,他对此投资的133万美元以惨痛的失败而告终。直到开利去世后的20世纪50年代,家庭用空调在技术的推动下变的小型化与价格低廉后才得以普及。为纪念开利的贡献,华盛顿国立博物馆收藏了开利公司于1922年制造的第一台离心式空调(一种空调压缩机的压缩形式)。

20世纪上半段,是空调行业的黄金发展期。空调(制冷)业很多耳熟能详的公司都诞生于那个时代。有一些公司虽然不是在那时成立的,但却也抓住了这一黄金时机。比如美国的通用与日本的东芝公司。

说起来,日本的空调行业起步并不晚。早在1935年,东芝公司就开始生产、销售空调产品。但日本公司一直生存在美国公司的阴影下,几十年间一直没什么起色。直到上个世纪70年代,随着能源供应的日益紧张,人们开始关注消耗掉整栋建筑大部分电能的空调的节能性。迫切需要一种更加灵活的产品来满足市场。

日本人发挥了他们工程技术方面的优势。在上世纪70年代发明了一种新型的空调压缩机。这种压缩机结构紧密,体积很小,效率较高,功率还比较大。这种压缩机让空调产品更加丰富多彩的同时,也让日本空调行业在世界上第一次占据主导的地位。在对空调至关重要的制冷剂方面,日本公司也与美国公司一道,共同持有新型环保冷媒的专利,成了把控市场的行业巨头。压缩机与制冷剂技术的发展让空调更加适用于各种场所。到今天,空调的类型之繁多,可能连很多从业者都说不清楚。比如利用土壤热、地下水热的所谓地温空调以及利用废热的吸收式空调。

上述所有的空调,无论如何变化,都利用了同一个叫逆卡诺循环的原理。逆卡诺循环是一个理想模型,由两个等温过程和两个绝热过程组成。工质(空调专业中称为制冷剂)吸热和放热过程中与冷源及高温热源是在等温下进行的,只发生压缩或者膨胀。其循环过程为:工质从冷源(对应空调的低温热库)吸取热量,但温度不升高,只膨胀。然后进行绝热压缩,使其温度升高至与高温热源(对应空调的高温热库)相同的温度(在制冷技术中,这个温度并不是环境温度,而是要高于环境温度)。 把工质输送到高温热库后再进行等温压缩,并向高温热源放出热量。最后再进行绝热膨胀,使其温度由降至与初始温度相同,从而完成一个循环。对空调来讲简要的描述就是压缩机对制冷剂做功,利用制冷剂的相变吸收热量的方式,可以将热量由低温物体转移到高温物体。

计算逆卡诺循环的制冷系数有一个公式,是低温热源的温度(指绝对温度,下同)除以高温热源的温度与低温热源的温度之差,既制冷系数=T低/(T高-T低)。由此公式可知,卡诺循环的效率跟工质无关,只跟低、高温热源的温度有关。从这个公式中还能看出,如果高、低温热源的温差小于低温热源的温度,制冷效率是可以大于100%的。这也是空调可以省电的原因。高、低温热源的温差越小,制冷效率也就越高。因此,降低高温热库的温度也成了提高空调效率的主要办法之一。变频空调技术就是通过相对降低高温热库的温度来提高制冷效率的。但并不是说变频空调的制冷效率一定就高。为了均衡,在设计变频空调时,在标准频率下,换热面积一般会设计的相对较小。只有在频率降低,单位时间内流过的制冷剂变少温度变低时,才能实现更高的效率。不过,也并不是频率越低越好。当频率低到一定的程度,循环过程中消耗掉的功占比过大,效率反而会有所降低。

空调不只用来制冷,还用来制热,可以用来制热的空调叫热泵式空调。原理跟制冷相同,只不过是把低、高温热库通过一个叫“四通阀”的装置进行调换。计算逆卡诺循环的制热系数也有一个公式,是高温热源的温度除以高温热源与低温热源的温度之差,既制冷系数==T高/(T高-T低)。比较它与制冷系数的公式,会发现它们的区别只在于分子不同。制冷系数的分子是低温热源的温度,制热系数是高源热源的温度。因此,一般情况下,空调的制热系数一般会比制冷系数高。制冷系数与制热系数通称为能效比,分别用EEP与COP表示。这是空调技术中最重要的指标。不过随着变频技术的发展,这两个只能表示额定制冷、制热系数的指标对变频空调不怎么适用,因此近年来又出现了一个叫“综合能效系数”的参数,用IPLV值表示。它是由空调在标准环境下分别工作在25%、50%、75%、100%的变频时的不同制冷系数(或制热系数)加权后得出的一个数值。

从公式中还能看出,由于空调的工作环境所限,通过降低高温热库的温度来提高空调的效率的幅度有限。那么是不是就说明空调已没有提高效率的空间了呢?实际情况并非这样。由于空调工作的环境并非理想环境,压缩机的效率、制冷剂与吸热与放热装置等,都影响着空调的最终效率。所以,现在空调技术的研发方向也着重于这些方面。研究更高效率的压缩机,以减少电能与机械能的转换损失;开发更高比热容的制冷剂,以减少循环制冷剂的质量;发明热传导效率更好的新材料或者装置。这都可以提高空调的能效比。

采用压缩机的压缩式空调是当今空调界的主流,但有一种空调虽然同样利用了逆卡诺循环原理,却不并使用压缩机,叫吸收式空调。这种空调的历史也相当悠久,可惜因电力能源的价格低廉与受使用环境的限制不能发展成为主流。吸收式空调利用了两种不同沸点的工质混合在一起组成的溶液,高沸点的工质作吸收剂,低沸点的作制冷剂,吸收剂对制冷剂有强吸收作用。当溶液温度升高后低沸点的制冷剂沸腾蒸发,蒸发后的制冷剂气体先冷凝成液体再进入到蒸发器吸热(实现制冷)。吸热后的制冷剂重新变成气体,回到一个叫吸收器的装置,被高沸点溶液吸收,再次成为混合溶液,同时对外释放热量。溶液回到一个叫发生器的装置被加热后再次分离,完成一个制冷循环。吸收式空调一般在有废热的工厂使用。废热可以用来加热发生器,发生器单位时间内吸收的热量越多,溶液的分离蒸发越激烈,制冷功率与效率也就越高。现在市场上的吸收式空调产品一般有两种混合溶液,水-氨与水-溴化锂。吸收式空调需要维持低压环境以降低制冷剂(一般是水)沸腾温度。水-溴化锂吸收式空调循环系统的压力一般只有1KPa左右,此时水的沸点只是几摄氏度。

除此之外,还有一类俗称“半导体制冷”的装置。依据的是由法国物理学家晋·查理·阿提鞍斯·帕尔帖于1834年发现的“帕尔帖效应”。该效应表明,给某种材料施加电压时,材料的一端会吸收热量,而另一端则会释放热量。这种技术与超导类似,发现的比较早,但进展缓慢。现在也只是用在一些空间狭小的地方。比如在民用领域,可以制冷的饮水机使用的就是这种“半导体制冷”技术。本文主要是讲日常所用空调的发展,所以只是简单的介绍此种技术,不做过多讲述。文中的“空调”也仅指逆卡诺循环的制冷机。

空调的原理虽然简单,但仍堪称人类最伟大的发明之一。它使酷暑变得清凉,极大的改善了人们的居住与工作环境,提高了生活质量。当我们按下空调的开关,等待着冷风扑面而来时,应该想到,科技的力量让生活更美好。

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