制冷的奧秘（上）

王震元

總統(tǒng)病房的實(shí)驗(yàn)

1881年7月的一天，美國總統(tǒng)詹姆斯·加菲爾德在華盛頓車站突然遭到暗殺。一顆子彈打在他的脊椎上，鮮血淋漓，昏迷不醒，被立即送往醫(yī)院搶救。

華盛頓的夏天又悶又熱，這一年更逢歷史上罕見的高溫。加菲爾德因流血過多，身體十分虛弱，躺在病床上不斷地痛苦呻吟。雖然總統(tǒng)夫人和護(hù)士們一直守在身旁，但是醫(yī)生還是提出，只有迅速降低室溫才能為總統(tǒng)實(shí)施緊急手術(shù)。在那個(gè)年代，一般是用冰塊制冷的。然而，面對這一突發(fā)事件，醫(yī)院毫無準(zhǔn)備。于是院長請來一位名叫多西的礦山技術(shù)員，把排除病房熱氣和濕氣的任務(wù)交給了他。與此同時(shí)，華盛頓的海軍工廠也接到緊急指令：立即向多西提供他需要的一切器材，不得有誤。

多西在礦山工作多年，掌握了向坑道內(nèi)輸送新鮮空氣的技術(shù)。憑借經(jīng)驗(yàn)，他推斷：如果空氣壓縮，就會放出熱量。把這種高溫高壓的氣體用水冷卻后，再讓它膨脹還原，不就可以吸收熱量，降低周圍空間溫度了嗎？于是，多西立即在醫(yī)院里裝上一個(gè)很大的發(fā)動機(jī)，開始對空氣進(jìn)行壓縮，并將一根吸熱的管子連到總統(tǒng)的病房。機(jī)器一開動，室內(nèi)溫度很快從超過30℃，降到了25℃以下。

雖然加菲爾德總統(tǒng)因傷勢過重，術(shù)后兩個(gè)月還是去世了，但多西的實(shí)驗(yàn)獲得成功，揭開了人類發(fā)明空氣調(diào)節(jié)裝置的序幕。美中不足的是，進(jìn)一步的研究表明，運(yùn)用多西的設(shè)備降低室溫需要很大功率的壓縮機(jī)，因而要使空調(diào)裝置進(jìn)入千家萬戶，必須另辟蹊徑……

“空調(diào)之父”開利

1901年夏，由于受到空氣的溫度、濕度變化影響，導(dǎo)致紙張縮張率不穩(wěn)定，紐約布魯克林印刷出版公司的印刷機(jī)無法生產(chǎn)出清晰的彩色印刷品。為此，公司找到制造供暖系統(tǒng)的布法羅鑄造公司，希望對方能提供一種調(diào)節(jié)空氣溫度和濕度的設(shè)備。公司將這一任務(wù)交給了年輕的美國工程師威利斯·開利（Wills Carrier）。開利設(shè)想：既然充滿蒸汽的管道可以使周圍的空氣變暖，那么將蒸汽換成冷水也應(yīng)該可以使周圍的空氣變冷。如果再設(shè)置噴霧裝置應(yīng)該能使潮濕空氣中的水分在水管上冷凝成水珠滴落，最后剩下的就是更冷、更干燥的空氣了。1902年7月17日，開利給出版公司安裝了這臺自己設(shè)計(jì)的設(shè)備，取得較好的效果。緊接著，紡織、化工、制藥、食品甚至軍工企業(yè)，都紛紛引進(jìn)開利的空調(diào)技術(shù)，并將此譽(yù)為“世界上第一個(gè)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)”，簡稱“空調(diào)”（Air Conditioning）。

清代琺瑯番蓮紋冰鑒

但是，頭腦冷靜的開利發(fā)現(xiàn)，這種直接利用“熱傳導(dǎo)”原理工作的空調(diào)系統(tǒng)，制冷力仍不夠強(qiáng)。一個(gè)偶然的機(jī)會，他看到一篇關(guān)于用甲醚清洗過的鉛字會變得非常“冷”的文章，這觸發(fā)了他的靈感：如果用甲醚或者其他沸點(diǎn)較高的氣體作為“制冷劑”，先通過加壓液化將放出來的熱量設(shè)法除去，然后減小壓力使液體再蒸發(fā)成氣體時(shí)，必然大量吸收外界的熱量，使周圍的溫度降低。理論計(jì)算和實(shí)踐都表明，開利于1922年研制成功的這種離心式壓縮機(jī)空調(diào)，大幅度提高了制冷效率，具有里程碑意義。1924年，開利公司為底特律的赫德遜大百貨公司安裝了空調(diào);1925年，該公司又為紐約里沃利大劇院安裝了中央空調(diào);此后5年，開利公司給300多家商場和影劇院送去了清涼，從此空調(diào)進(jìn)入迅猛發(fā)展的時(shí)代。

1950年10月，開利因突發(fā)心臟病去世，享年74歲。為紀(jì)念這位“空調(diào)之父”，美國將1922年開利制造的第一臺離心式空調(diào)機(jī)陳列于華盛頓國立博物館。

電冰箱的制冷系統(tǒng)

電冰箱問世前后

冰箱已是人們離不開的一種家用電器。實(shí)際上，我國古代就已經(jīng)發(fā)明了冰箱的雛形——“冰鑒”。戰(zhàn)國時(shí)期有一種冰鑒，正上方是一個(gè)帶有4個(gè)提梁的小蓋子，蓋子下面是一個(gè)盛酒的青銅容器，酒就放在這個(gè)容器里。容器與冰鑒的外壁之間保留有很大的空間，當(dāng)夏天需要冰酒時(shí)，人們就把冬天儲存在地窖中的冰，打碎后放進(jìn)這個(gè)空間里。

但是，這種天然冰的收集和保存都相當(dāng)困難。直到1822年，英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)某些氣體，經(jīng)過壓縮后可以變成液體。而這種液體在進(jìn)行氣化的過程中，又會吸收大量的熱量，也就等于給周圍制冷。1834年，68歲的科學(xué)家珀金斯首先申請了壓縮機(jī)的專利。壓縮機(jī)不僅可用于人工制冰，而且還催生了原始的“冰箱”。這種“冰箱”就是利用機(jī)械的方法，在一個(gè)很大的容器中，將氣體壓縮成液體，并加入食盒，再讓液體氣化，食盒中就生成了冰塊。

當(dāng)時(shí)這種裝置主要應(yīng)用于長途運(yùn)輸食物過程中的保鮮。1876年，第一艘安裝了用氣態(tài)氨制冷冰箱的船，滿載著羊肉從悉尼港出發(fā)。然而剛起航不久，由于設(shè)備故障，羊肉開始發(fā)臭，最終只能全部扔掉。但研制者并未灰心，3年之后又制造出一艘新的冷藏船。這一次從悉尼港出發(fā)前往英國倫敦的航程需要幾個(gè)月，雖正值盛夏，但抵達(dá)倫敦打開船艙時(shí)，40噸牛羊肉依舊凍得硬邦邦的，冷藏運(yùn)輸終獲成功。

1923年，兩個(gè)瑞典工程師改用電動機(jī)帶動壓縮機(jī)，從而發(fā)明了世界上第一臺電冰箱。美國人購買了他們的專利，并在2年后大量生產(chǎn)投放市場。

這種電冰箱的制冷系統(tǒng)以壓縮機(jī)為中心，連接成一個(gè)循環(huán)的閉路：壓縮機(jī)→冷凝器→干燥過濾器→毛細(xì)管→蒸發(fā)器→壓縮機(jī)。制冷劑就在這個(gè)閉路里循環(huán)流動。

壓縮機(jī)內(nèi)裝配電動機(jī)和氣缸，接通電源后，電動機(jī)就驅(qū)動氣缸中的活塞往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)出有節(jié)奏的響聲。它源源不斷地吸入蒸發(fā)器中處于低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，并將它們壓縮成高溫高壓的氣體，然后送至冷凝器。

冷凝器具有快速散熱的功能。它通過彎彎曲曲的管道和密密層層的翼片，擴(kuò)大了與空氣接觸的有效面積，能夠很快將熱量散發(fā)出來。制冷劑變?yōu)楦邏旱蜏匾后w，經(jīng)過干燥過濾后進(jìn)入又細(xì)又長的毛細(xì)管節(jié)流，并進(jìn)入蒸發(fā)器。

蒸發(fā)器是一個(gè)管徑比毛細(xì)管大得多的金屬腔體，安裝在冷凍室內(nèi)。從毛細(xì)管到蒸發(fā)器，在接口的地方，管徑突然從小變大，液態(tài)制冷劑仿佛進(jìn)入了一個(gè)無拘無束的“廣闊天地”，壓力頓時(shí)減小，迅速蒸發(fā)為氣體，在進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)的同時(shí)，大量吸收冷凍室內(nèi)的熱量。這樣周而復(fù)始地多次循環(huán)，直至達(dá)到要求的制冷溫度，壓縮機(jī)才自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

由此可見，無論電冰箱還是空調(diào)，充分發(fā)揮制冷功能的關(guān)鍵，都在于制冷劑的正確選擇……

為氟利昂“鞠躬盡瘁”

實(shí)踐表明，一種理想的制冷劑，需要同時(shí)具備以下4個(gè)條件：一是沸點(diǎn)在-40℃～0℃之間，即加壓后容易液化;二是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定;三是不易燃燒;四是無毒、無臭。

人們最初選用的制冷劑是二氧化硫（SO2）和氨（NH3）。在一個(gè)大氣壓下，二氧化硫于-10℃時(shí)液化，氨于-33℃時(shí)液化。在常溫下，二氧化硫和氨的液化，分別只需加2.34和8.8個(gè)大氣壓。這2種制冷劑的化學(xué)性質(zhì)都比較穩(wěn)定，也不易燃燒，缺點(diǎn)是有刺鼻的臭味，濃度大時(shí)有毒。此外，氨對壓縮機(jī)還有腐蝕性。

于是，從1930年開始，美國通用電氣公司聘請工程化學(xué)家托馬斯·密得烈開發(fā)新的制冷劑。密得烈從分析“化學(xué)地圖”入手確定尋找的方向。他發(fā)現(xiàn)，非金屬元素之間的化合物，較多的是液體或氣體，其中的惰性氣體沸點(diǎn)太低，難以液化，硼、硅、磷、砷、硒和碘的氣態(tài)化合物，一般穩(wěn)定性較差或有毒，值得研究的只有碳、氮、氧、硫、氟、氯、溴等幾種元素。當(dāng)時(shí)使用的制冷劑，如氨、二氧化硫、氯甲烷、氯乙烷等，都是這些元素相互結(jié)合形成的化合物。

雖然方向是正確的，但是這些元素之間形成的化合物數(shù)量驚人，必須縮小搜索范圍。密得烈首先按照不易燃燒的要求，發(fā)現(xiàn)在元素周期表中，甲烷（CH4）是容易燃燒的天然氣;往右，氨（NH3）較難燃燒;再往右，水（H2O）在一般情況下不燃燒。其規(guī)律是從左向右，化合物的易燃性依次減弱。

再分析化合物的毒性。同一縱行內(nèi)，砷化氫（AsH3）、磷化氫（PH3）比氨（NH3）的毒性強(qiáng)。水（H2O）無毒，而硫化氫（H2S）卻有毒。顯然，在同一縱行中，化合物的毒性從下向上逐漸減弱。另外，化合物的穩(wěn)定性也是按碘化氫（HI）、溴化氫（HBr）、氯化氫（HCl）、氟化氫（HF）的次序逐漸增強(qiáng)的。

于是，密得烈綜合這三個(gè)方面，在元素周期表上從左向右，從下向上排查，最后“聚焦”到一個(gè)元素——“氟”上。

密得烈從CI4、CBr4、CCl4的沸點(diǎn)逐漸降低， CF4（四氟化碳）的沸點(diǎn)約為-136℃，CCl4（四氯化碳）的沸點(diǎn)是76.8℃，推測要制造-40℃～0℃之間的化合物，就應(yīng)該在CF4中增加原子量較重的氯（Cl）原子。經(jīng)過一番艱苦努力，密得烈終于合成了沸點(diǎn)為-29.8℃，無毒，無臭，不燃燒，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的制冷劑二氯二氟甲烷（CCl2F2，商品名為氟利昂）。當(dāng)年，密得烈發(fā)表的論文在國際制冷學(xué)術(shù)界引起轟動并迅速得到公認(rèn)，從而為冰箱、空調(diào)的大規(guī)模市場化、家庭化鋪平了道路。

氟利昂作為制冷劑，一直沿用了50多年。雖然后來人們發(fā)現(xiàn)它對地球的大氣臭氧層具有破壞作用，因而努力尋找新的環(huán)保型“綠色”制冷劑，但是，密得烈對制冷技術(shù)的歷史性重大貢獻(xiàn)仍應(yīng)被肯定。令人惋惜的是，由于長期接觸化學(xué)原料，他的健康受到嚴(yán)重?fù)p害，終致盛年早逝……

（未完待續(xù)）

二氯二氟甲烷（氟利昂）的發(fā)明者托馬斯·密得烈