点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:春暖人间,你可能需要它冰爽一下!
首页> 光明科普云> 图文 > 正文

春暖人间,你可能需要它冰爽一下!

来源:蝌蚪五线谱2023-03-21 19:40

  春分时节,阳光明媚,天气回暖。

  本周,北京最高气温达到20℃,雪糕、冰淇淋等冷饮,冰箱、空调等制冷设备逐渐进入日常生活,而这些都离不开背后默默无闻工作的制冷剂。

  你知道世界上最早的冰箱吗?战国青铜冰鉴(图1),现藏于中国国家博物馆。《周礼·凌人》记载:“春始治鉴,凡外内饔之膳羞鉴焉,凡酒浆之酒醴亦如之,祭祀共冰鉴。”古人在尊击内装酒,鉴、岳壁之间的空间放置冰块,在春夏之季就可以喝到冰爽的酒。

  图1 世界上最早的冰箱——战国青铜冰鉴[3]

  制冷剂是什么?有什么作用?

  制冷剂(又称冷媒)是一种在制冷循环系统中用来吸收热量并转移热量的物质。

  在典型的蒸汽压缩式制冷循环系统中(图2),制冷剂先在蒸发器(低温区)吸收热量,后在冷凝器(高温区)释放热量,同时制冷剂从蒸发器转移到冷凝器,并将热量从低温区转移到高温区,实现低温区降温。

  日常生活中,冰箱(空调)对应的高温区和低温区分别冷冻室/冷藏室(房间)和屋内环境(屋外环境)。

  图2 蒸汽压缩式制冷循环系统示意图[1,2]

  制冷剂有哪些种类?

  ASHRAE(美国暖通空调工程师协会)标准34给出了100多种制冷剂,可按照化学组成、物理性质、应用领域、环境友好性等不同的方法进行分类,详见表1。

  表1 制冷剂的分类方法

  常见的分类方法是根据化学成分将制冷剂分为无机化合物、氯氟化碳(CFCs)氢氯氟化碳(HCFCs)、氢氟化碳(HFCs)和碳氢化合物(HCs),其中氯氟化碳(CFCs)、氢氯氟化碳(HCFCs)和氢氟化碳(HFCs)就是大家常说的氟利昂(图3)。

  氢氯氟化碳(HCFCs)制冷剂R22

  氢氟化碳(HFCs)制冷剂R32

  图3 氟利昂制冷剂产品[4]

  我们为什么需要制冷剂?

  制冷剂在现代社会扮演着不可或缺的角色(图4),通过以空调、冰箱、冷机等为代表的制冷设备吸收和释放热量实现温度控制。

  日常生活中,家用空调和冰箱的普及改善了人们的生活品质和生产效率;食品存储和运输行业,冷藏和冷冻技术可以保持食品的新鲜度,延长货物的保质期;医疗保健和生化领域,制冷剂常用于确保药品、器械和试剂等保存和使用的温度适宜[5];冰雪运动场地,制冰存冰过程更是离不开制冷剂。

  图4 制冷剂的广泛应用

  制冷剂对于人体和环境有没有破坏?

  部分早期使用的氟利昂制冷剂会对环境造成破坏,导致臭氧层漏洞和全球气候变暖(图5)。

  因此,联合国制定了《蒙特利尔议定书》,包括我国在内的多数国家已于1987年8月签署该议定书,逐步淘汰和禁止使用氟利昂制冷剂。具体来说:

  氯氟化碳(CFCs)破坏臭氧层,导致紫外线辐射增加,也会影响生态系统和全球气候。《蒙特利尔议定书》列为一类受控物质,2010年全球范围内已淘汰并禁产。

  氢氯氟化碳(HCFCs)对臭氧层的破坏比氯氟化碳(CFCs)小许多,目前是后者的最重要过渡性替代物质,《蒙特利尔议定书》中部分被限定2020年或2030年淘汰。

  氢氟化碳(HFCs)不破坏臭氧层,但导致气候变暖的潜能很大,《蒙特利尔议定书》没有规定使用期限,《联合国气候变化框架公约》京都协议书中定性为温室气体。

  此外,氯氟化碳(CFCs)和氢氯氟化碳(HCFCs)因其毒性而可能引起皮肤、呼吸系统等症状。

  然而,随着新技术和环保意识的不断提高,这些破坏性的制冷剂已经逐渐被二氧化碳、碳氢化合物(HCs)等 环保、安全和健康的新型绿色制冷剂所替代。

  北京大学张信荣教授采用二氧化碳跨临界制冷系统研制出冬奥史上最环保的冰面雪道[10],应用到国家速滑馆“冰丝带”(图4d)。

  图5 臭氧层漏洞和全球气候变暖

  制冷剂回收的必要性体现在哪?

  制冷剂的使用需综合考虑能效、环保、安全、成本等诸多因素。

  在我国,制冷剂是除甲烷和氧化亚氮外,第三大非二氧化碳温室气体排放源(图6),估算年排放量超过5亿吨二氧化碳当量,其中在设备使用、维修和拆除过程的排放总和占到全生命期排放总量的90%以上。

  制冷剂回收可以减少大气环境的污染,降低温室效应,节省成本和资源,促进可持续发展。

  然而目前,我国制冷剂年回收量不足年使用量的3%,与发达国家的差距明显。

  造成这一问题主要原因有回收成本高、缺乏制冷剂生命期管理制度设计、用户及从业者环保意识淡薄等[13]。

  图6 2014年我国非二氧化碳温室气体排放占比[14]

  国内制冷剂发展情况如何?

  过去几十年,我国的制冷剂行业发展迅速,一直处于快速增长的阶段,近年来制冷剂的供需关系逐渐进入平衡。

  我国已成为主要的制冷剂生产国(图7)和消费国,同时也出台了一系列涉及制冷剂的环保政策和法规(表2),以促进可持续发展。

  例如,2010年颁布《消耗臭氧层物质管理条例》,限制使用和生产CFC和其他臭氧层空气污染物。

  目前,国内制冷剂正逐步向更加环保、节能、智能化和可持续的方向发展。

  图7 2016-2020年我国R22和R32制冷剂产量[15]

  表2 制冷剂有关政策和法规

  国际上制冷剂发展得怎么样?

  国际上制冷剂朝着绿色环保、高效节能、与时俱进等趋势发展,主要表现在以下几个方面:

  绿色环保型制冷剂的使用增加:早期的氯氟化碳(CFCs)制冷剂已被淘汰或禁用,越来越多的国家和地区正在使用绿色环保制冷剂,以满足环保要求并降低温室气体排放。

  制冷系统的节能优化:提高制冷系统的能效和减少能源消耗能够满足日益严苛的节能减排要求。

  多功能制冷剂的应用扩展:除了传统的空调、冰箱等领域,制冷剂被越来越广泛地应用于医疗保健、生命科学、工业制造等多个领域。

  制冷剂回收和再生技术的发展:制冷剂回收和再生技术得到了更多的关注[16],日本等国家和地区甚至制定了强制性的法规和政策。

  图8 日本2003-2018年各领域制冷剂回收情况[16]

  参考文献:

  [1] 王如竹, 丁国良, 吴静怡, 等. 制冷原理与技术[M]. 北京: 科学出版社, 2003.

  [2] 石文星, 王宝龙, 邵双全. 小型空调热泵装置设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013.

  [3] 青铜冰鉴[EB/OL]. 中国国家博物馆, [2023-03-14] .https://www.chnmuseum.cn/zp/zpml/kgdjp/202008/t20200824_247219.shtml.

  [4] 制冷剂[EB/OL]. 山东华安新材料有限公司, [2023-03-15] .http://www.sdhazl.com/cn/cold.html.

  [5] 刘静. 低温生物医学工程学原理[M]. 北京: 科学出版社, 2007.

  [6] 美的冰箱[EB/OL]. [2023-03-14] .https://www.midea.cn/1/1000000000400692349799.html.

  [7] 助力出口大闸蟹空降新加坡,让“中国生鲜”走出国门[EB/OL]. [2023-03-15] .https://intl-img.sf-express.com/zh/xwgg/20171103/838.html.

  [8] Cryopreservation: Applications and Advances[EB/OL]. Cell Science from Technology Networks, [2023-03-15] .http://www.technologynetworks.com/cell-science/articles/cryopreservation-applications-and-advances-349021.

  [9] 国家速滑馆“冰丝带”首次制冰取得成功[EB/OL]. 新华网, [2023-03-15] .http://www.xinhuanet.com/politics/2021-01/22/c_1127015176.htm.

  [10] 冬奥对话 | 专访北大工学院张信荣:研制出冬奥史上最环保的冰面雪道[EB/OL]. 北京大学, [2023-03-15] .https://www.coe.pku.edu.cn/newsfocus/topic/11285.html.

  [11] GRAY E. NASA Reports Arctic Ozone Hit Record Low in March[EB/OL]. NASA, 2020-04-15.(2020-04-15)[2023-03-15] .http://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-reports-arctic-stratospheric-ozone-depletion-hit-record-low-in-march.

  [12] Past eight years confirmed to be the eight warmest on record[EB/OL]. World Meteorological Organization, 2023-01-11.(2023-01-11)[2023-03-15] .https://public.wmo.int/en/media/press-release/past-eight-years-confirmed-be-eight-warmest-record.

  [13] 全国政协委员唐俊杰:加强制冷剂回收[EB/OL]. 2023年全国两会, [2023-03-07] .https://www.spb.gov.cn/gjyzj/2022lhjytap/202303/320e80e1a6db4c62ba9de23762c7d39c.shtml.

  [14] 清华大学气候变化与可持续发展研究院项目综合报告编写组. 《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》综合报告[J]. 中国人口·资源与环境, 2020, 30(11): 1–25.

  [15] 高恩元, 韩美顺. 2020年度中国制冷剂产品市场分析[J]. 制冷技术, 2021, 41(S1): 51–59.

  [16] 高欢, 顾昕, 丁国良. 制冷剂回收与再生现状分析[J]. 制冷学报, 2021, 42(5): 17–26.

  供稿单位:北京制冷学会

  作者:张旋 北京理工大学机械与车辆学院副教授,入选北京市科协2023-2025年度青年人才托举工程项目

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 中朝新鸭绿江大桥开通仪式举行

  • 一箭十星 朱雀二号改进型遥四运载火箭发射成功

独家策划

推荐阅读
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
长久以来,古生物学界与教科书普遍认为琥珀皆源自种子植物(裸子或被子植物),最古老的确切记录定格在美国约3.2亿年前的石炭纪晚期。
2026-10-15 09:48
在芯片制造、航空发动机等高端硬核制造领域,技术迭代具有长周期、累积性、阶梯式特征,遵循循序渐进、层层突破的线性攻关规律。新征程上,持续深耕创新生态建设、迭代升级现代化创新体系,必能培育形成扎根中国、联通世界、内生增长、开放共生的创新新格局。
2026-10-15 09:46
受困于“小散弱”的格局,长期以来,我国科技期刊在国际学术传播体系中缺少属于自己的“拳头产品”与平台话语权——“在精品化发展方面,经过70余年积淀,我国已形成以《中国科学》《科学通报》《国家科学评论》等刊群为代表的高水平期刊方阵。
2026-10-15 09:45
AI时代,科研的“源头活水”是什么?不是算力,不是数据,而是人对未知世界的好奇与追问。
2026-10-14 11:28
截至8月末,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数7.04亿户,比上年末净增1365万户;三家基础电信企业及中国广电的移动电话用户总数18.49亿户,其中5G移动电话用户13.11亿户。
2026-10-14 09:34
自然资源部会同国家发展改革委12日发布《矿产资源目录》。自然资源部矿产资源保护监督司负责人表示,矿产资源目录是矿产资源管理制度的重要基础,是制定矿产资源规划、实施矿业权管理、规范矿产资源勘查开采行为、征缴矿产资源税费、制定产业政策等工作的依据。
2026-10-14 09:40
与共康村相邻的巴达村,是第一批参与试种的村,也是西藏首个高海拔水稻实测亩产破千斤的村子,村民把“海拔3175米种水稻”写进村史。一粒水稻种子,不只改写了亩产数字,更改变了“西藏水稻只能在察隅、墨脱海拔1500米以下种植”的历史,为高原水稻纳入地方主粮增添可能。
2026-10-14 09:41
如今,AI正改变许多行业的底层逻辑,固守单一思维模式将面临严峻挑战,文理兼备、跨界融合才是稀缺能力——既有理科生的技术思维和逻辑能力,又有文科生的人文洞察和情感素养。未来更有竞争力的,可能不是最典型的文科生或理科生,而是既有专业深度,又能跨学科解决问题的人。
2026-10-14 09:48
不久前,在海南三亚崖州湾科技城,一场名为“青年π”的海洋主题对话临海开讲。高频下潜试出的不只有装备可靠性,也不断刷新人们对深海的认识。同一园区,由哈尔滨工程大学南海研究院孵化的海南水之声海洋科技有限公司,正给海洋装备搭水下“Wi-Fi”。
2026-10-14 09:49
目前各地正在开展流感疫苗接种。今年开始,国家对农村地区“一老一小”重点人群实施免费接种等相关支持性政策。为什么要接种流感疫苗?去年接种过,今年是否还需要接种?到哪里接种?
2026-10-13 10:03
我国城市盲道总里程以万公里计,公共场所无障碍设施持续铺开。数字世界的“盲道”畅通起来。精神文化的“视界”也在扩大。中国传媒大学师生发起的“光明影院”项目,近十年间每年制作上百部无障碍电影,把电影送到视障朋友耳边,今年还走进联合国教科文组织总部举办专场放映。
2026-10-13 10:01
记者近期从中国互联网络信息中心获悉:截至今年上半年,我国生成式人工智能用户规模超7亿人,普及率超50%。
2026-10-13 09:58
高校辅导员队伍建设要把握高校思政工作的“变”与“不变”,着眼于增强辅导员对人工智能的趋势感知力、技术理解力、实践创新力和伦理判断力,将政策理念、形势挑战、技术发展、实践案例相结合,精心设计课程,切实增强人工智能赋能质效,全时空陪伴“数字一代”。
2026-10-13 09:57
今年10月12日,是我国首批国家公园设立五周年。五年来,各国家公园统筹推进山水林田湖草沙一体化保护和系统治理,实施栖息地修复、生态廊道连通、人为活动管控等系列举措,区域生态本底持续巩固。
2026-10-13 09:51
巴山蜀水,苍茫山林间,大熊猫安然栖息,川金丝猴、珙桐等同域珍稀动植物共生于此。多年前,栖息地面积缩减一度令大熊猫濒临灭绝;圈养大熊猫也长期面临繁殖难、育幼难等难题,维系大熊猫种群数量极为不易。
2026-10-12 10:09
近年来,河北省唐山市丰南区积极调整农业结构,引导农户发展特色农业,通过“南果北移”“南苗北育”模式,引进优良甘蔗品种种植,促进农业增效农民增收。图为10月11日,唐山市丰南区黄各庄镇宣庄六街的农民在田间收获甘蔗。
2026-10-12 10:08
加拿大外长阿南德也表示,北极在关键矿产、能源、交通等方面拥有巨大潜力,但关键在于要让“当地人受益”。赵隆指出,特朗普2025年重返白宫后美国再度退出《巴黎协定》,加深了其与盟友在气候政策上的分歧。
2026-10-12 10:07
6时30分起,各类等待审核、签发的预报预警材料堆满了陈涛的案头;一个半小时后,全国天气会商准时开始,陈涛快步走上首席预报发言岗位——多方预报意见不断交汇,最终产生预报结论。
2026-10-12 10:07
加载更多