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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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制冷的奥秘(上)

2018-06-11 22:53:00

  总统病房的实验

  1881年7月的一天,美国总统詹姆斯·加菲尔德在华盛顿车站突然遭到暗杀。一颗子弹打在他的脊椎上,鲜血淋漓,昏迷不醒,被立即送往医院抢救。

  华盛顿的夏天又闷又热,这一年更逢历史上罕见的高温。加菲尔德因流血过多,身体十分虚弱,躺在病床上不断地痛苦呻吟。虽然总统夫人和护士们一直守在身旁,但是医生还是提出,只有迅速降低室温才能为总统实施紧急手术。在那个年代,一般是用冰块制冷的。然而,面对这一突发事件,医院毫无准备。于是院长请来一位名叫多西的矿山技术员,把排除病房热气和湿气的任务交给了他。与此同时,华盛顿的海军工厂也接到紧急指令:立即向多西提供他需要的一切器材,不得有误。

  多西在矿山工作多年,掌握了向坑道内输送新鲜空气的技术。凭借经验,他推断:如果空气压缩,就会放出热量。把这种高温高压的气体用水冷却后,再让它膨胀还原,不就可以吸收热量,降低周围空间温度了吗?于是,多西立即在医院里装上一个很大的发动机,开始对空气进行压缩,并将一根吸热的管子连到总统的病房。机器一开动,室内温度很快从超过30℃,降到了25℃以下。

  虽然加菲尔德总统因伤势过重,术后两个月还是去世了,但多西的实验获得成功,揭开了人类发明空气调节装置的序幕。美中不足的是,进一步的研究表明,运用多西的设备降低室温需要很大功率的压缩机,因而要使空调装置进入千家万户,必须另辟蹊径……

  “空调之父”开利

  1901年夏,由于受到空气的温度、湿度变化影响,导致纸张缩张率不稳定,纽约布鲁克林印刷出版公司的印刷机无法生产出清晰的彩色印刷品。为此,公司找到制造供暖系统的布法罗铸造公司,希望对方能提供一种调节空气温度和湿度的设备。公司将这一任务交给了年轻的美国工程师威利斯·开利(Wills Carri-er)。开利设想:既然充满蒸汽的管道可以使周围的空气变暖,那么将蒸汽换成冷水也应该可以使周围的空气变冷。

  如果再设置喷雾装置应该能使潮湿空气中的水分在水管上冷凝成水珠滴落,最后剩下的就是更冷、更干燥的空气了。1902年7月17日,开利给出版公司安装了这台自己设计的设备,取得较好的效果。紧接着,纺织、化工、制药、食品甚至军工企业,都纷纷引进开利的空调技术,并将此誉为“世界上第一个空气调节系统”,简称“空调”(Air Condition-ing)。

  但是,头脑冷静的开利发现,这种直接利用“热传导”原理工作的空调系统,制冷力仍不够强。一个偶然的机会,他看到一篇关于用甲醚清洗过的铅字会变得非常“冷”的文章,这触发了他的灵感:如果用甲醚或者其他沸点较高的气体作为“制冷剂”,先开利博士发明第一台空调有一个故事:当时印刷作坊的印刷机由于空气湿度与纸张湿度的变化使得纸张伸缩不定,导致对位不准,印出来的东西模模糊糊。开利博士因此发明这项技术,为印刷提供了低热度及湿度的环境,令纸张面积及油墨的排列更准确。

  通过加压液化将放出来的热量设法除去,然后减小压力使液体再蒸发成气体时,必然大量吸收外界的热量,使周围的温度降低。理论计算和实践都表明,开利于1922年研制成功的这种离心式压缩机空调,大幅度提高了制冷效率,具有里程碑意义。1924年,开利公司为底特律的赫德逊大百货公司安装了空调;1925年,该公司又为纽约里沃利大剧院安装了中央空调;此后5年,开利公司给300多家商场和影剧院送去了清凉,从此空调进入迅猛发展的时代。

  1950年10月,开利因突发心脏病去世,享年74岁。为纪念这位“空调之父”,美国将1922年开利制造的第一台离心式空调机陈列于华盛顿国立博物馆。

  电冰箱问世前后

  冰箱已是人们离不开的一种家用电器。实际上,我国古代就已经发明了冰箱的雏形——“冰鉴”。战国时期有一种冰鉴,正上方是一个带有4个提梁的小盖子,盖子下面是一个盛酒的青铜容器,酒就放在这个容器里。容器与冰鉴的外壁之间保留有很大的空间,当夏天需要冰酒时,人们就把冬天储存在地窖中的冰,打碎后放进这个空间里。

  但是,这种天然冰的收集和保存都相当困难。直到1822年,英国科学家法拉第发现某些气体,经过压缩后可以变成液体。而这种液体在进行气化的过程中,又会吸收大量的热量,也就等于给周围制冷。1834年,68岁的科学家珀金斯首先申请了压缩机的专利。压缩机不仅可用于人工制冰,而且还催生了原始的“冰箱”。这种“冰箱”就是利用机械的方法,在一个很大的容器中,将气体压缩成液体,并加入食盒,再让液体气化,食盒中就生成了冰块。

  当时这种装置主要应用于长途运输食物过程中的保鲜。1876年,第一艘安装了用气态氨制冷冰箱的船,满载着羊肉从悉尼港出发。然而刚起航不久,由于设备故障,羊肉开始发臭,最终只能全部扔掉。但研制者并未灰心,3年之后又制造出一艘新的冷藏船。这一次从悉尼港出发前往英国伦敦的航程需要几个月,虽正值盛夏,但抵达伦敦打开船舱时,40吨牛羊肉依旧冻得硬邦邦的,冷藏运输终获成功。

  1923年,两个瑞典工程师改用电动机带动压缩机,从而发明了世界上第一台电冰箱。美国人购买了他们的专利,并在2年后大量生产投放市场。

  这种电冰箱的制冷系统以压缩机为中心,连接成一个循环的闭路:压缩机→冷凝器→干燥过滤器→毛细管→蒸发器→压缩机。制冷剂就在这个闭路里循环流动。

  压缩机内装配电动机和气缸,接通电源后,电动机就驱动气缸中的活塞往复运转,发出有节奏的响声。它源源不断地吸入蒸发器中处于低温低压的气态制冷剂,并将它们压缩成高温高压的气体,然后送至冷凝器。

  冷凝器具有快速散热的功能。

  它通过弯弯曲曲的管道和密密层层的翼片,扩大了与空气接触的有效面积,能够很快将热量散发出来。制冷剂变为高压低温液体,经过干燥过滤后进入又细又长的毛细管节流,并进入蒸发器。

  蒸发器是一个管径比毛细管大得多的金属腔体,安装在冷冻室内。从毛细管到蒸发器,在接口的地方,管径突然从小变大,液态制冷剂仿佛进入了一个无拘无束的“广阔天地”,压力顿时减小,迅速蒸发为气体,在进入下一个循环的同时,大量吸收冷冻室内的热量。这样周而复始地多次循环,直至达到要求的制冷温度,压缩机才自动停止运转。

  由此可见,无论电冰箱还是空调,充分发挥制冷功能的关键,都在于制冷剂的正确选择……

  为氟利昂“鞠躬尽瘁”

  实践表明,一种理想的制冷剂,需要同时具备以下4个条件:一是沸点在-40℃~0℃之间,即加压后容易液化;二是化学性质稳定;三是不易燃烧;四是无毒、无臭。

  人们最初选用的制冷剂是二氧化硫(SO2)和氨(NH3)。在一个大气压下,二氧化硫于-10℃时液化,氨于-33℃时液化。在常温下,二氧化硫和氨的液化,分别只需加2.34和8.8个大气压。这2种制冷剂的化学性质都比较稳定,也不易燃烧,缺点是有刺鼻的臭味,浓度大时有毒。此外,氨对压缩机还有腐蚀性。

  于是,从1930年开始,美国通用电气公司聘请工程化学家托马斯·密得烈开发新的制冷剂。密得烈从分析“化学地图”入手确定寻找的方向。他发现,非金属元素之间的化合物,较多的是液体气体,其中的惰性气体沸点太低,难以液化,硼、硅、磷、砷、硒和碘的气态化合物,一般稳定性较差或有毒,值得研究的只有碳、氮、氧、硫、氟、氯、溴等几种元素。当时使用的制冷剂,如氨、二氧化硫、氯甲烷、氯乙烷等,都是这些元素相互结合形成的化合物。虽然方向是正确的,但是这些元素之间形成的化合物数量惊人,必须缩小搜索范围。密得烈首先按照不易燃烧的要求,发现在元素周期表中,甲烷(CH4)是容易燃烧的天然气;往右,氨(NH3)较难燃烧;再往右,水(H2O)在一般情况下不燃烧。其规律是从左向右,化合物的易燃性依次减弱。

  再分析化合物的毒性。同一纵行内,砷化氢(AsH3)、磷化氢(PH3)比氨(NH3)的毒性强。水(H2O)无毒,而硫化氢(H2S)却有毒。显然,在同一纵行中,化合物的毒性从下向上逐渐减弱。另外,化合物的稳定性也是按碘化氢(HI)、溴化氢(HBr)、氯化氢(HCl)、氟化氢(HF)的次序逐渐增强的。

  于是,密得烈综合这三个方面,在元素周期表上从左向右,从下向上排查,最后“聚焦”到一个元素——“氟”上。

  密得烈从CI4、CBr4、CCl4 的沸点逐渐降低,CF(4四氟化碳)的沸点约为-136℃,CCl(4四氯化碳)的沸点是76.8℃,推测要制造-40℃~0℃之间的化合物,就应该在CF4中增加原子量较重的氯(Cl)原子。经过一番艰苦努力,密得烈终于合成了沸点为-29.8℃,无毒,无臭,不燃烧,化学性质稳定的制冷剂二氯二氟甲烷(CCl2F2,商品名为氟利昂)。当年,密得烈发表的论文在国际制冷学术界引起轰动并迅速得到公认,从而为冰箱、空调的大规模市场化、家庭化铺平了道路。

  氟利昂作为制冷剂,一直沿用了50多年。虽然后来人们发现它对地球的大气臭氧层具有破坏作用,因而努力寻找新的环保型“绿色”制冷剂,但是,密得烈对制冷技术的历史性重大贡献仍应被肯定。令人惋惜的是,由于长期接触化学原料,他的健康受到严重损害,终致盛年早逝……

本文来自《科学24小时》

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