中国战略性新兴产业研究与发展·制冷空调
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1.1 高端应用

高端应用包括航空航天、生物医药、核技术等高技术领域。这类高技术领域的发展水平,直接反映了一个国家的综合国力水平,是国家政治经济地位、社会生活、甚至是国家安全的重要保障。自新中国成立以来,我国在各项高技术领域取得了举世瞩目的成就,制冷空调技术在上述高端应用中发挥着重要作用。

1.1.1 航空航天

世界航空航天事业的发展始于20世纪,是全球科学技术飞跃进步、社会生产突飞猛进的结果。中国航天事业起步于20世纪50年代,改革开放以来,我国的综合国力不断增强,国际地位显著提升,我国的航空航天事业也随之取得了显著的发展。在航空航天领域中,大量关键技术领域需要制冷空调技术的支持。典型技术领域包括:

(1)飞行器推进剂 在第二次世界大战中,V-2火箭使用酒精和液氧(正常沸点是-182.9℃)作为推进剂;后来火箭常用的推进剂为四氧化二氮—偏二甲肼,但是偏二甲肼有腐蚀性、毒性较大,也会严重污染环境,在灌注操作中非常危险;最为先进的火箭推进剂为液氢液氧,液氢液氧反应时只会产生水,无毒,对环境基本没有污染,应用于运载火箭上也可以显著提高火箭运送有效载荷的能力。将液氢液氧加注到火箭中时需对系统进行预冷,以防止火箭燃料设备在遇到低温液体时产生超出允许的冷缩应力而遭到破坏,也防止由于液氢液氧加注时遇到温度较高设备而大量沸腾汽化,从而形成超压和振动。液氢除用于火箭推进剂外,也可作为超高音速飞机的推进剂。液氢的高比热容还可以用来冷却因为极高速度飞行而产生摩擦热的机身表面,起到保护的作用。上述低温工质都需从包含这些工质的混合物中进行分离、纯化,常用手段为在温度较低情况下进行精馏,此过程需用到制冷技术(广义的概念,包括低温技术)。

(2)红外探测器冷却 遥感卫星常用于地球资源普查、环境监测、海洋资源调查、气象分析、天文观测等工作,这些卫星上通常装有空间红外光学遥感器。为减少仪器本体热噪声,屏蔽和排除视场外的热干扰,提高探测精度和灵敏度,使遥感器获得稳定、可靠的探测性能,就需为红外探测器和其他光电器件提供可靠冷源,降低红外遥感器的温度。可以使用的制冷方法主要包括:辐射制冷技术、斯特林制冷机、脉管制冷机和利用杜瓦贮存低温工质来实现制冷。其中,辐射制冷技术是空间应用最早、较为成熟的空间制冷技术,它利用高效辐射板将来自红外遥感器的热量以辐射换热的形式辐射到太空中(3~4K)。这种技术在工作期间没有运动部件,具有无振动、无噪声干扰、工作寿命长、可靠性高、极少消耗航天器能源等优点。上述制冷技术不仅可用在空间遥感技术上,在军事夜视装置红外探测器、红外成像制导导弹、低温固体物理、低温电子、超导技术、通信技术、低温医学、卫星气象观察、低温生物等也广泛应用。

(3)低温风洞 随着航空运输业的发展,先进飞行器在设计时要求有接近真实飞行情况的雷诺数下的气动数据作为支撑,现在一般是用风洞模拟得到相关数据。但是,如果风洞试验模拟的雷诺数不够大,试飞之后才发现设计与真实飞行存在差异,就可能会使制造出来的飞机无法正常飞行,从而导致飞行器设计方案更改、延误研制周期,造成经济损失甚至危及飞行人员安全。一般的风洞无法满足上述要求,所以,在高雷诺数风洞中进行飞行雷诺数试验,是实现飞行器气动力精细设计和飞行性能准确预测的前提和保证。低温风洞是最为有效的手段之一,通过降低吹过风洞的气流温度,使其密度增大,黏性系数降低,试验雷诺数得到提高,趋近真实飞行的情况。而且,低温风洞可以在试验过程中实现气流速度、总温和总压的独立调节,它具有常规风洞无法比拟的优点。现在世界上大部分运转的低温风洞都是采用液氮气化吸热的方法来降低和保持试验气体的温度。

(4)其他 在航空航天中,需要在地面上营造高真空的环境以模拟太空的空间条件,而这就需要用液氮和液氦冷却的低温泵产生。此外,液氧在航天器中除了作为助燃剂之外,也会被用于飞行器密闭空间的生命保障系统。

1.1.2 生物医药

生物医药行业被认为是全球21世纪的重要新兴技术领域之一。在全球范围内,大量金融资本开始向生物医药领域转移。2014年,全球药企研发支出前25位企业累计投入1004.41亿美元用于研发;全球生物医药领域风险投资、上市融资、并购重组总额达2248亿美元,创历史新高;医疗健康行业成为全球风险投资最活跃的领域,年交易数量居各行业之首,交易金额排名第二。在我国,生物制剂行业是我国医药工业快速发展的生力军,“十一五”期间的复合年增长率为33.61%,进入“十二五”,2011年及2012年分别增长32.38%和19.70%。2013年达2465亿元,同比增长29.38%。而我国的医药行业(包括化学原料药、化学药品制剂、生物制剂、医疗器械、卫生材料、中成药、中药饮片七大类)的工业总产值在“十一五”期间复合增长率也达到23.31%,进入“十二五”,仍然保持快速增长势头,在2011年及2012年分别增长了26.50%和20.10%。2013年达22297亿元,同比增长18.79%。

医药产业关系全民健康,市场需求巨大,2016年2月14日召开的国务院常务会议部署推动医药产业创新升级,明确发展的方向。在“十三五”期间,我国的生物医药行业将会有更大的发展。医药行业与制冷空调技术有着密切的联系,其中主要有:

(1)血液的保存 血液的冷冻保存研究开始于20世纪40年代,并于50年代用于临床。当前在临床上应用的冷冻红细胞制备方法基本上有两种,慢速和快速冷冻法。慢速冷冻法只需使用-65℃以下机械冰箱即可;快速冷冻法需要先将甘油化的红细胞置于液氮中(-196℃)迅速冷冻,再将冷冻后的红细胞放在液氮蒸气中(-156℃)贮存。冷冻技术也用于生殖细胞、某些动物的胚胎、骨髓等某些组织和器官的保存。

(2)低温技术用于医疗 利用低温对新陈代谢的延缓作用,可减轻代谢毒副产物对人体器官和大脑的伤害,为临床手术争取准备时间;也可以利用低温对人体细胞和组织的破坏作用,进行病变组织的临床治疗,例如一些囊肿或皮肤病。这种技术是用液氮产生深度低温,作用于局部组织,可以使病变组织周围的血管冻结达到止血的作用;也可以破坏神经末梢感受器,因而,有麻醉止痛的作用。这种技术具有简便、安全、迅速、有效、痛苦轻和并发症少等优点。

磁共振成像技术(MRI)是目前少有的对人体基本没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法,已经被许多医院所采用。其中,超导磁共振成像技术具有场强高、功耗小(磁体基本无功耗)、磁场均匀稳定和系统信噪比高等优点,近年来发展迅速。而这种设备正是通过向浸在低温液态工质(比如液氦)中的合金通电流产生机器运转所需要的磁场。

(3)洁净空调技术 在药品生产车间和医院手术室,都需要制冷空调系统为其提供稳定、洁净的空气热湿环境,以满足对生产和手术过程中避免污染药剂和病菌感染的发生。

洁净厂房是空气中悬浮粒子受控的生产空间。它的设计、建造和使用应尽量减少室内诱入、产生带菌粒子。室内其他有关参数,如温度、相对湿度、压力等也按要求进行控制。洁净厂房设计的重要性在于生产有特殊要求(无菌环境、温度、湿度、压力有特殊要求的环境等)的产品时,如果生产环境不能满足洁净厂房的设计要求,所生产出来的产品将无法满足产品的质量要求。

医院手术室对空气洁净度的要求非常高,即使是一般的医院手术室净化工程也需要使用粗效过滤器和亚高效过滤器;而一些特殊的情况,如隔离室、特定的测试和护理区域则需要使用高效过滤器。高洁净等级的手术室可显著降低医院内的感染率,尤其是手术和烧伤的感染率,为手术的成功提供了重要保障。

1.1.3 军事科技

(1)坦克、装甲车内空调 坦克、装甲车辆是现代地面战争的主要作战装备。但是,坦克、装甲车辆的乘员舱空间狭小,由于野外气候条件和行驶条件十分恶劣,舱内温度可达到45~50℃,严重影响乘员的工作能力。在坦克、装甲车辆内部仅采用通风(包括强制通风),难以实现舒适的温度保障,制冷空调对于营造该类密闭空间的温度必不可少。目前研制的装甲车辆空调装置有汽化物循环制冷空调、涡轮式空气制冷空调、变容式空气制冷空调、发动机余热式空调制冷装置等。

(2)导弹 导弹在现代化军事战争中发挥着重要作用,是夺取制空权的主要武器。红外导引系统是红外型导弹的重要组成部分,对导弹起着关键性作用。它通过敏感目标的红外辐射能量来探测、跟踪目标。红外探测器为红外导引系统的关键部分,为了提高探测器的探测能力与工作波长,工作在中红外和远红外的探测器均需制冷,使其在特定的低温条件下工作。例如,对于响应波段为1~3μm、3~5μm 和8~14μm的PbS、InSb和HgCaTe等弹载红外探测器都必须冷却到150~77 K 温区才能降低内部噪声、增大探测度和增大接收波长上限,从而提高导弹的作战性能。已经应用在导弹上的小型低温制冷机主要是J-T节流制冷机和斯特林制冷机。J-T节流制冷机利用高压气体的节流降温效应,来实现对被冷却单元的制冷。为了解决节流制冷机需要配置高压气源或高压压缩机且工作时间短的技术难题,人们已将斯特林制冷机应用到导弹上。

(3)热成像技术 红外夜视仪可以使士兵在黑暗环境中发现潜在的“敌人”,并精确瞄准,大大提高了单兵的作战能力,目前红外夜视仪已经成为各国军队普遍采用的装备。红外成像技术不仅用于单兵作战装备上,在一些大型的探测器上也有应用。热成像技术可以分为制冷型和非制冷型,其中制冷型需要将探测器冷却到100K左右,能提供更清晰的图像,比非制冷型更加灵敏、测温精度更高,重复性也好。热成像技术所用的制冷技术包括杜瓦储存液态工质直接冷却、节流制冷、斯特林制冷机、脉管制冷机等。

(4)潜艇中制冷技术 在潜艇中,空调制冷技术不仅可以给工作人员营造舒适的舱室环境,提高艇员的战斗力,减少或杜绝重大故障的发生,也能够用来保证现代武器装备对工作环境温度的要求,从而保证和提高武器装备的战斗力。空调装置在潜艇水下航行时用电约占全艇用电的37%,直接影响到了潜艇水下续航力。有学者开发出了常规潜艇用的蓄冷式空调技术,其原理是潜艇在水上(或通气管)充电航行时,利用柴油发电机组剩余功率启动蓄冷式空调进行蓄冷;潜艇在水下航行时,用所蓄得的冷量进行制冷。这种技术可显著减少空调耗电,将这部分电量用于航行可以增大潜艇水下续航力。而且,蓄冷式空调的应用可以减少因空调压缩机运行而产生的振动与噪声,因此可提高潜艇的隐蔽性,增强常规潜艇的战术性能。

1.1.4 化工、材料

化工行业中的很多工艺过程用到制冷技术。一些特殊化工原料需要在恒温环境下储存;针对不同的工艺过程,需要进行不同程度的冷却,如许多在化工反应釜中发生的化学反应产生高温热量,为保证产品质量需要让反应釜在一定的温度下正常工作,这就需要制冷装置通过冷源将冷媒液化,在反应釜的夹层里面流动时汽化,进行快速有效散热从而带走热量;再如,生产染料工艺中需要制冰机制冰来吸收颜料缩合反应所释放出来的热量,并且制出的冰也在需求温度为-5~0℃的工业生产领域里应用最为广泛;另外,一些化工行业的产品成品也要在恒温条件下储存,如天然气的液化、脱水、贮藏和运输也需要制冷设备提供足够的冷量。总之,制冷在化学反应要求和散热两方面,解决了化工行业生产等过程中必需的冷源。具体的供冷和换热方式多种多样,有间接式、直接式、风冷式和水冷式,换热装置和换热方式都有不同。

部分新型制冷技术也在化工行业有着广泛的应用前景。如半导体制冷(热电制冷)技术可应用于润滑油在线倾点分析仪、带有半导体制冷除水机构的尾气排放测试分析仪、半导体制冷氢气干燥设备、半导体制冷CO2超临界干燥装置等。由于其具有噪声小、质量尺寸小的特点,在化工蒸发、精馏、吸收过程中的应用前景较好。由于高效率的半导体制冷片价格昂贵,会在一定程度上限制它在化工上的大规模应用,但是,随着科学技术的发展,半导体优质材料的研制成功,半导体制冷效率将不断提高,价格也不断下降,半导体制冷技术在化工上的应用将会对化工产生深远的意义。此外,高温热泵技术也可应用于石油化工精馏过程的节能中。精馏过程能耗占整个石油化工装置总能耗的60%左右,降低石油化工装置能耗的关键是要做好精馏过程的节能。对于精馏塔,如果能把塔顶气相的热量用于加热塔底物料,就能节省外供热和外供冷所需能量,而利用高温热泵技术回收的潜热用于过程本身,又省去了塔顶冷凝器、冷却水和塔釜加热蒸汽,可使精馏的能耗明显降低,恰当地解决这一问题。

制冷技术在材料领域也有广泛应用,如钢生产过程中,利用制冷技术对钢进行低温(-90~-70℃)处理,可以改变其金相组织,将奥氏体变成马氏体,提高钢的硬度和强度;钢铁工业中,高炉鼓风需用制冷方法先将其除湿,然后再送入高炉,以降低铁水的焦化比,保证铁水质量;在材料回收过程中,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。一些工艺材料生产流程中,制冷所营造的低温环境是生产过程中不可或缺的环节,如刻蚀工艺设备中,由于不同刻蚀方法要求反应腔内的温度不同,需要冷却系统输出温度范围为-20~80℃、精度优于±0.5℃的循环冷却介质;硅片基底进行薄膜化学气相沉积工艺时,反应腔内温度达到30~1000℃,冷却系统的主要目的是带走内部大量热量,制冷功率达到100kW,甚至更高。高新技术领域的材料制备,也与制冷密不可分,如航天器在工作中,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,使航天器中的一些结构件内部具有较大的温度梯度。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。可以说,制冷技术渗透到了材料领域的方方面面。

1.1.5 核应用

核电是利用核燃料的核裂变反应所释放的核能来发电。核电是高效能源,消耗资源少,相对于火电站利用化石燃料燃烧释放化学能来发电,核能要比化学能大得多,所以,核电站所消耗的核燃料比同样功率的火电厂所消耗的化石燃料少得多。从我国当前核电形势来看,2020年的投运核电装机容量目标从4000万kW增至5800万kW,在建机组装机从1800万kW增至3000万kW以上。原定的4000万kW的投运机组装机容量则提前5年调整为“十二五”核电发展规划中投运机组容量目标,在建机组容量,目标定为2000万kW,为我国能源结构调整和能源安全提供重要支撑。

大型空调冷水机组是核电站重要的辅机设备之一,主要用于核电站内控制房的空调系统、动力房的通风系统和电缆散热的通风系统。在设计和配置冷水机组时,必须考虑核电站冷水机组的特殊要求,即除了对机组中各主要设备提出安全、质保和地震等级要求外,还必须考虑对周围环境的要求、安装和维护条件、控制和保护装置以及对冷水机组主要技术特性的要求。