制冷和热泵系统的发展

介绍

机械制冷技术已经建立了在一百年和50年,在经历了大约一百年的发展从最初的想法18世纪的商业稳定(Thevenot 1977)。最早的实验机械冷却由威廉·卡伦博士进行了世界上第一个化学系的创始人在格拉斯哥大学,从1750年起。第一个几百年来很少进展;部分原因是材料科学不够发达,部分是因为商业世界还不欣赏机械制冷会带来的好处。卡伦的最初实验液体的蒸发,包括吸收制冷的前身和真空冷却,没有直接导致商业开发,这是近80年,直到雅各布·珀金斯建造了第一技术上成功的蒸汽压缩系统,于1834年在伦敦。甚至这并不直接导致商业上的成功,这是20年前詹姆斯·哈里森还在伦敦,开始生产冰制造机器。几百年怀孕终于即将结束和哈里森掀起一阵创造力大西洋两岸的许多新概念来到了市场。现在,随着机械冷却技术走向第三世纪,有一个进一步长足发展需要应对21世纪的挑战。

不同的流派

新兴的制冷行业的中长期世纪末世纪创建了一些强烈的流派关于最合适的方法。他们驱动,由三个互相争生意的因素或多或少的得到和失去意义随着世界工业的发展,他们吸引了虔诚的支持者冠军优势,努力克服自己的缺点。三个互相争生意的因素是安全、可靠性和效率;所有受到经济可行性的商业现实。生产成本可以认为是第四个因素,但它以不同的方式运作,不断推动设计师和制造商节省三个因素为了更具竞争力。这些因素的上升和下降意义可以使用开发海洋制冷作为一个例子,但同样的故事上演在岸和离岸。

早期海洋系统是交通发达的肉来自澳大利亚、新西兰、南美、欧洲和一些试验后ether-based蒸汽压缩系统空气循环最初青睐,因为它本质上是安全的,简单。提供了蒸汽机驾驶这艘船仍在运行制冷系统也将函数。醚系统的支持者包括詹姆斯·哈里森在澳大利亚和查尔斯在法国代表。空气循环由莫特首选,总在澳大利亚和英国Bell-Coleman公司收到开尔文勋爵的支持和鼓励。吸收系统,由费迪南德Carre,也试过但被发现需要太多的燃料使其经济在长期的海上航行。

一次蒸汽压缩的可靠性改进足以使它在海洋市场接受,空气循环也开始失去市场份额的效率。大多数制冷剂当时高度易燃(二甲醚,乙醚)或剧毒(氨、二氧化硫)所以,尽管工程的挑战使系统高效、可靠、二氧化碳成为海洋市场的首选解决方案,因为它是不易燃的,被认为是无毒的。许多早期的采用者的空气循环系统,如J&E大厅,切换效忠二氧化碳和到1890年,几乎所有的海洋设施的首选解决方案。

有8个不同类型的制冷剂和制冷系统煽动在50年内从1835年到1885年。这些都是醚(c.1835) aircycle (c.1845)、吸收(c.1860),二氧化碳(c.1865),轻质烃馏分油(c.1865),氨(c.1870)、二氧化硫(c.1875)和氯甲烷(c.1885)。然而从1885年到1925年都没有。这是一段时间的整合和优化。许多制冷剂选项失宠第二40年时期,工业市场,无论是在离岸,只剩下氨和二氧化碳使用到1925年。这些方案的每一个都带来了优势,克服以前的不足,但是也提出了新的挑战。例如,空气循环系统不使用有毒或易燃工作流体,但他们的布雷顿或斯特林循环,非常低效的所以产生高的燃料消耗。效率是至关重要的,当应用程序在漫长的海上航行冷却产生的,因为所有的燃料必须进行董事会因此有限的船舶的有效负载。因此,一旦合适工作液体发现更有效的蒸汽压缩系统的吸收和空气循环系统拒绝受欢迎。介绍了二氧化硫相对较晚的50年过渡时期解决机械制造可靠的压缩机的挑战其他工作液体。 It is an unusual refrigerant because it acts as its own lubricant, but the severe toxicity risk it presented meant that it was ultimately rejected in favour of ammonia, also toxic but easier to handle, once the challenges of constructing sufficiently robust ammonia compressors had been overcome.

同期新技术在材料科学,工作流体、换热器设计和许多其他领域被引入工业制冷市场。图1(皮尔森,2018)显示时间的显著变化在150年期间从1865年到2015年。皱纹在每一个时间线显示的过渡,新技术取代前方法。注意,这并不总是一个完整的收购。例如在蒸汽机不再作为原动力,几乎所有的电动压缩机,往复式压缩机没有完全取代螺丝和事实上近年来取得了一种回归系统效率变得越来越重要了。

注意,在图1甲氨和二氧化碳,使一种回归近年来在工业市场和e m机电控制,这在很大程度上取代了手工和机械控制在战后被取代由可编程序逻辑控制器从1980年代开始。

从大约1910年起重要领域的发展已经取得了国内冷却系统包括冰箱和空调,尽管后者往往是集中的工厂服务整个公寓。氨和二氧化碳是适用于这些应用程序和系统使用二氧化硫和氯甲烷(剧毒)最初被开发。以下几个致命事故,丙烷在1920年代被提拔为“安全制冷剂”由于其良性毒理学,但市场主要是针对开发的含氟化合物毒性的解决问题和易燃性的设备很容易批量生产。引入二氯二氟甲烷(1930年有门路)用r12导致半个世纪的快速、全面发展广泛的产品从国内冰箱工业测试室,包括国内热泵和大型冷水机组。然而自1980年代中期有一连串的替代氯氟烃(cfc)由于意识的增强,持续的人造化学物质对环境造成的威胁。这些威胁包括臭氧层破坏,酸雨,人为温室效应和生物体内积累氟烷基物质(PFASs)。

有两个重要的趋势,注意从过去二百年和50年的机械制冷的发展。一百年才从威廉·卡伦的实验室好奇心詹姆斯哈里森的商业上的成功。80年才从哈里森的开端需要不易燃、无毒液体为国内市场,花了60年氯氟烃从分阶段逐步淘汰。逐步淘汰开始40年前开始时期,一个接一个的氟化继任者氯氟烃迎来了“解决方案”只有进一步被确定为一个关键组成部分环境问题。氟氯化碳取代氢氯氟碳化合物,高果糖玉米糖浆高频振荡器。现在正在审查高频振荡器由于自由水的三氟乙酸含量迅速增加,已与替换的r - 134 a r - 1234 yf移动空调。是非常有关的注意,这些曾被观察到在增加的第一个10年增加在汽车空调中使用r - 1234。在欧洲,尽管其他工业过程,与制冷,也被认为是在河道氟酸的来源(约旦et al ., 2021)。

开发周期的第二个趋势值得注意的是人们喜欢的方式把双方的辩论,会坚持自己的观点后似乎合理改变意见。瑞士物理学家拉乌尔Pictet,最出名的氧和氮的液化,是一个终身的支持者二氧化硫作为制冷剂从他1874年第一次系统。埃弗拉德赫斯基J&E大厅发达他在1880年代末二氧化碳压缩机和不加氨直到1910年公司的目录。詹姆斯哈里森坚持乙醚,尽管其固有的危险,从他早期的成功在1855年到1893年去世的时候,他花了他所有的钱追求他的梦想,和死于贫困。现代也见过类似的狂热。辩论的一方喜欢将他们的支持解决方案称为“自然”制冷剂(这意味着他们发现丰富的自然周期),尽管他们的对手是迅速指出,生产中使用的制冷剂系统几乎完全来自巨大的化工厂。相反的“自然”倡导者描述他们的对手的首选物质为“合成”或“化学”,暗示这些是非自然的,因此不健康。具有讽刺意味的是,根据化学的分支覆盖氟烷烃他们应该适当地称为“有机”制冷剂(尽管这也包括丙烷和丁烷)。之间的辩论可能会因此被定性为“自然”液体和“有机”的化合物。

似乎可以得出合理的结论,在现代辩论双方垄断真理和他们的许多说法欠更多的营销,而不是一门科学。除了上述有效投诉“自然”这个词,这个词的使用“hydrofluoroolefin”是开放的批评(RTOC 2018)。这些高频振荡器被吹捧为明显不同,高果糖玉米糖浆,他们将取代,但这只是些半真半假的东西而已。所有的化合物,包括r - 134 a和它的继任者,r - 1234 yf,含氢化合物、氟和碳。他们都是氢氟碳化物。特征的区别在于,烯烃描述符意味着有一个碳碳双键的分子。因此它应该更诚实称之为不饱和氢氟碳化合物(或uHFCs)而不是hydrofluoroolefins。双键意味着大气分子有一个短的生活,因此全球变暖潜力低于长期氯氟烃或高果糖玉米糖浆。然而,这提示的问题对环境的影响分解的产物。这个问题的答案是复杂的,但它是合理的假设,这些产品比最初的化合物和更稳定的,虽然他们可能没有任何显著影响温室气体,它们可能会导致其他环境挑战。也是虚伪的宣称高频振荡器有一百年全球变暖的潜力“不到一”,报道称,最准确的估计,碳氢化合物可以是“不到20”由于大气科学的不确定性。 Furthermore the value of “less than one” does not include the effect of energy use during manufacturing. A simple comparison with HFCs indicates the difficulty of this approach. R-134a has a global warming potential of 1300 on a 100 years time horizon according to the IPCC’s fifth assessment report. However this estimate has an uncertainty of ± 30% meaning that the value lies somewhere between 910 and 1690. It is estimated that the emissions from the manufacturing of R-134a account for a further GWP of about 5—negligible in comparison to the margin of error in the base estimate. In contrast, R-1234yf is said to have a GWP of “less than 1” but is also stated to be more energy intensive to produce than R-134a. It is reasonable to assume that the indirect GWP effect of the production process will be significantly higher than the estimated figure for R-134a; one study estimated it to be about 14, almost three times higher than for R-134a and clearly not insignificant in comparison to the direct effect on the environment.

辩论的另一方的有机氟制冷剂的支持者指出,能源效率的影响的生命周期气候性能安装系统可以比制冷剂排放的直接影响更显著,特别是在经济主要是由化石燃料。二氧化碳系统的主要缺陷是它们在温暖的天气变得非常低效的排热温度的方法,甚至超过了制冷剂的临界温度。这就产生了所谓的“超临界循环,加热提取,制冷剂的蒸发发生在临界温度但拒绝在升高温度高于临界点的31°C。人们常说,这使得性能系数在这些条件下非常贫穷,尽管实际上是在进口到蒸发器的闪蒸气体量增加,导致减少冷却效果没有减少所需的输入工作。对付这种效果需要额外的成本和复杂性在制冷系统的设计导致的观察,“有机”系统也可以显著提高如果他们花费同样多。然而很大一部分市场的制冷系统,特别是消费品像冰箱和空调或商业零售业的橱柜,值低的价格超过效率高。

这将导致进一步的二分法在辩论中“自然”和“有机”制冷剂之间。背后的科学的平衡效率、安全性、可靠性和经济显然是复杂和微妙的,但有必要在议员中,确实标准作家、商人和公众对于简单的度量来帮助他们区分对与错。这两个要求是相互排斥的。任何简化援助决策可能是开放的“方法简化”发挥作用的复杂问题,以及,在最坏的情况下可能会导致不恰当的决策,甚至昂贵的错误。

目前的研究空白

这样的审查论文只能简要地讨论的主题研究和暗示下缺口。后退一步,看着二百年和50年历史的机械制冷可以帮助显示优先级应该说谎。19到20世纪早期中期的发展是由市场需求的日益成熟,开始了被称为“工作”,然后通过阶段的进展“安全性和耐久性”“臭氧保护”以及最近更一般的气候保护(冷静,2012)。制冷剂的划分为上述两种竞争派系可以定性为分离直接气候保护一方面(使用易燃或有毒的制冷剂)和廉价、高效、可靠的解决方案,另一方面(也许不充分信心,没有普遍的,持久的环境效应)。每一方在这场战役中应该考虑采用认为反对派宣称的好处。研究领域的空白因此使廉价,高效可靠的含氟有机化合物更环保和发展更便宜、更可靠、更安全、更高效的系统环保自然制冷剂。有一些重要领域的研究在一些领域,例如最小化费用(Hrnjak 2019)或减少漏氟碳系统(Gartshore 2013),或者使用扩展器(Barta et al ., 2019)和喷射器(Hafner et al ., 2014)提高超临界二氧化碳系统的性能。然而还有许多其他的研究领域,目前不广泛利用。下面讨论一些示例。

材料科学的应用氨系统的建设使他们尽可能廉价制造氟碳系统能够产生重大效益在商业和轻工业市场(Exposito-Carrillo et al ., 2018)。目前氟碳系统充分利用了钎焊铜组件,一个便宜和快速的过程,而大多数氨系统使用碳钢或不锈钢管焊接,因此昂贵得多。高强度聚合物,可以通过一个合适的粘合剂可以彻底改变cold-joined氨市场。现在有几个半封闭式压缩机氨进入市场,但大多数系统仍然依靠机械轴密封保持系统泄漏紧(Lindborg, 2007;Pachai 2014)。

在氟碳烃系统和系统,也会带来巨大的好处,尽管是出于不同的原因,在发展中制冷剂的添加剂,不干扰系统的正常运行,但吸附压力信封内的制冷剂在发生泄漏。为碳氢化合物这可能大大扩大其在国内的使用和商业市场通过允许更大的电荷大小安全使用。碳氟化合物)将减少泄漏的气候效应,尽管在后一种情况下,如果鼓励发展系统所有者不重视的紧张系统,它可以被证明是适得其反。

对于所有类型的制冷剂有范围提高系统效率,以使用更少的能源。城市人口增长,特别是在撒哈拉以南非洲地区有可能推动冷链的扩张明显高于底层全球人口增长和能源基础设施需要约束的要求。更多地使用机器学习、数字双模型和自适应控制,所有的技术,广泛应用于其他行业,可以提供极大的好处,特别是如果他们可以改造现有系统具有成本效益的方式。

逐步淘汰化石燃料造成的能源匮乏,加上城市人口增长也将导致大幅增加有效需求和有效的热泵系统。全球热泵市场有潜力成为十倍的当前市场制冷和空调。随着制冷和冷却市场已经估计使用了世界上六分之一的电力发电能力很明显,冷却和加热系统的效率方面的迫切需要。限制化石燃料的使用也促使越来越多的热泵技术的兴趣。热泵经常被描述为“反向制冷系统”,但这并不完全正确,因为基本的蒸汽压缩循环以同样的方式运行。不同之处在于,热效应的焦点装置的热输出端(冷凝器)不是热量输入端(蒸发器)。然而仍有许多研究需要使热泵更广泛接受,包括操作温度和压力高于所需制冷、操作和新形式的蒸发器和冷凝器和更低的生产成本系统在经济上是可行的(胡锦涛等人。,2020年)。

结论

这三个影响因素的安全、可靠性和效率仍在,他们永远是今天。当前位置是安全,在广义上包括环境保护,严格监管,但监管领域的继续发展尤其是环境。这激发了持续不断的研究新的工作流体和蒸发压缩循环。效率是越来越规范的新设备设计但更难以控制系统的操作和依靠市场的力量来保持关注的问题。可靠性是给定的,但是受到内置过时和时尚和美学等非技术因素可能导致功能系统生命周期5 - 7年所取代,例如在超市的翻新。系统,研究在这种情况下需要的是廉价的制造,但足够健壮的生活来维持他们的表现在他们的操作。尽管二百年和50年的发展在机械冷却行业因此还需要一个非常大的技术增强在所有三个方面。希望未来30年展示了转型发展的机会在一个广泛的工程学科包括机器的力学、材料科学、人工智能、电气和电子工程和许多更多。这是一个很好的时间在制冷行业的工程师。

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这篇文章是由指定的通讯作者,美联社。

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