二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)將在北京冬奧會(huì)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用

將是奧運(yùn)史上首次大規(guī)模使用二氧化碳制冷劑

號(hào)稱當(dāng)前最先進(jìn)制冰技術(shù)之一的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)絕非浪得虛名。除去綠色環(huán)保、易獲取等屬性外，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)還具有溫度控制準(zhǔn)、冰面質(zhì)量?jī)?yōu)、制冰效率高等優(yōu)勢(shì)。

北京冬奧會(huì)的腳步漸行漸近，截至目前，北京賽區(qū)15塊冰面已全部完成場(chǎng)地建設(shè)。除首都體育館外，其他所有競(jìng)賽場(chǎng)館均在進(jìn)行制冰設(shè)備調(diào)試，將于今冬全部完成制冰。

首都體育館快人一步，已成功制出北京冬奧會(huì)首塊由二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)制出的冰面。二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)是當(dāng)前冬季運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館最先進(jìn)的制冰技術(shù)之一，將在北京冬奧會(huì)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。

體育場(chǎng)館的大塊冰面如何制成?二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)到底有多先進(jìn)?相比其他制冰技術(shù)，它又有哪些優(yōu)勢(shì)呢?12月1日，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授馬一太接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪，對(duì)這些問題進(jìn)行了解答。

“元老”制冷劑復(fù)興，北京冬奧顯身手

二氧化碳在制冷領(lǐng)域并非“新貴”。事實(shí)上由于其簡(jiǎn)單易得、價(jià)格低廉，早在100多年前，歐洲剛出現(xiàn)蒸氣壓縮式制冷技術(shù)時(shí)，二氧化碳就被作為制冷劑使用。

但隨著人工合成制冷劑技術(shù)的發(fā)展，二氧化碳逐漸被臨界溫度高、易液化的人工合成制冷劑氟利昂所取代。到了上世紀(jì)七八十年代，各國開始意識(shí)到臭氧層破壞和溫室效應(yīng)兩大環(huán)境問題與人工合成制冷劑有關(guān)，紛紛開始停止其使用。

“根據(jù)1987年國際社會(huì)簽訂的《蒙特利爾議定書》，我國在2010年前，已經(jīng)淘汰了對(duì)臭氧層有嚴(yán)重破壞力的制冷劑，有代表性的是氟利昂R12;到2030年，我國還將淘汰對(duì)臭氧層有輕微破壞力的制冷劑，有代表性的是氟利昂R22。”馬一太介紹說，“2016年，全世界197個(gè)國家簽訂的《蒙特利爾議定書基加利修正案》要求發(fā)達(dá)國家到2035年，發(fā)展中國家到2045年，逐年削減強(qiáng)溫室效應(yīng)的合成制冷劑使用，其中具有代表性的是目前大量使用的R134a、R410A和R507等，這些制冷劑雖然不破壞臭氧層，但產(chǎn)生的溫室效應(yīng)強(qiáng)烈，1公斤制冷劑產(chǎn)生的溫室氣體相當(dāng)于數(shù)千甚至更多的二氧化碳當(dāng)量(1公斤二氧化碳的二氧化碳當(dāng)量是1)。”

由于人工合成制冷劑存在種種弊端，使得二氧化碳這一“元老級(jí)”制冷劑又重回人們視野。

馬一太說：“二氧化碳作為大氣的組成成分之一，不會(huì)對(duì)臭氧層產(chǎn)生破壞。二氧化碳雖是溫室氣體，但溫室效應(yīng)遠(yuǎn)低于其他人工合成制冷劑。”

正是由于二氧化碳制冷的這一環(huán)保屬性，此次冬奧會(huì)北京賽區(qū)的15塊冰面中將有7塊采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)。這使得北京2022年冬奧會(huì)將成為歷史上首次大規(guī)模使用二氧化碳制冷劑的奧運(yùn)會(huì)。

制冷原理像冰箱，制作細(xì)節(jié)見真章

作為短道速滑和花樣滑冰比賽場(chǎng)館的首都體育館已于11月中旬完成制冰，冰面尺寸為31米×61米。制冰過程中，多臺(tái)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)同時(shí)運(yùn)作，冰板層里制冷管道內(nèi)低溫二氧化碳與冰板混凝土進(jìn)行換熱，冰板混凝土溫度逐步降到零下十幾攝氏度，制冷團(tuán)隊(duì)不停地在冰板上灑水作業(yè)，凍成每層幾毫米的冰面，經(jīng)過很多次這樣的工序，厚度幾十毫米的冰面才能凍結(jié)成功。

小到家用冰箱，大到商業(yè)冷庫，所有制冷活動(dòng)的核心都是制冷機(jī)。制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器4個(gè)部分組成，其中的關(guān)鍵物質(zhì)就是制冷劑，不同的制冷劑可以達(dá)到的最低溫度也不同。

馬一太向記者解釋了制冷機(jī)的工作原理，首先是氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)的壓縮，制冷劑溫度升高;然后，這種溫度較高、壓強(qiáng)較大的制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器，在這里高壓蒸氣放熱變成高壓液體，熱量在這一環(huán)節(jié)通過冷凝器排到外界或進(jìn)行余熱利用;接著高壓液體通過膨脹閥的降壓，變成低壓蒸氣加液體的混合物進(jìn)入蒸發(fā)器;最后，液態(tài)制冷劑在由于壓縮機(jī)的抽吸作用而保持很低壓強(qiáng)的蒸發(fā)器中迅速蒸發(fā)變成氣體，吸收熱量，溫度降低，此時(shí)如果周圍有水就會(huì)凍結(jié)成冰。最后變成氣體的制冷劑又被吸入壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

“二氧化碳可以像氟利昂或氨一樣作為制冷劑，它的制冷循環(huán)原理與普通制冷劑基本相同，都是蒸氣壓縮制冷(或熱泵)循環(huán)，但是在細(xì)節(jié)上又有所不同。”馬一太介紹說，通常二氧化碳液體罐中儲(chǔ)存有較多的液體二氧化碳，通過二氧化碳泵，以制冷需求量的1.5—2.5倍供液，可以保證冰場(chǎng)各處的溫度更均勻;壓縮機(jī)多為數(shù)臺(tái)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)制冷量的變化控制開啟臺(tái)數(shù);由電腦控制的電子膨脹閥可根據(jù)制冷量大小以及環(huán)境溫度變化精確地控制二氧化碳蒸發(fā)溫度。

省去制冷“二傳手”，溫度易控效率高

號(hào)稱當(dāng)前最先進(jìn)制冰技術(shù)之一的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)絕非浪得虛名。除去綠色環(huán)保、易獲取等屬性外，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)還具有溫度控制準(zhǔn)、冰面質(zhì)量?jī)?yōu)、制冰效率高等優(yōu)勢(shì)。

這項(xiàng)技術(shù)之所以能夠準(zhǔn)確地控制制冰溫度，保證冰面質(zhì)量，與其采用直接蒸發(fā)冷卻密切相關(guān)。

以往一些體育場(chǎng)館制作冰面時(shí)通常應(yīng)用間接制冷，即載冷劑制冷的方式。間接制冷是指將直接蒸發(fā)冷卻得到的冷量通過載冷劑傳遞給冰面以完成降溫的過程。馬一太介紹到，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)冰場(chǎng)地下埋管的強(qiáng)度要求很低，只要不漏液就可以，通常可以用塑料管。耐壓的部分都在制冷機(jī)裝置里。這對(duì)于臨時(shí)的冰場(chǎng)，如舞臺(tái)表演或冬季冰雪嘉年華來說，是很好的選擇。但對(duì)于應(yīng)用于正式比賽的冰場(chǎng)，它最大的問題是冰面的溫度不一致。因?yàn)橥ǔＷ鳛檩d冷劑的物質(zhì)，無論是鹽水還是乙二醇水溶液，都不是在一個(gè)比較固定的溫度放熱，載冷劑管道一定有進(jìn)出口溫差。當(dāng)進(jìn)出口溫差過大時(shí)，冰面就會(huì)出現(xiàn)軟硬不一的情況，而要降低進(jìn)出口溫差，載冷劑的流量就要加大，制冷的能耗也就上升了。

“此外，在大型比賽場(chǎng)館的制冰中，制冰溫度需要非常準(zhǔn)確，溫差要控制在±0.5℃，相應(yīng)的，制冷設(shè)備中制冷劑的蒸發(fā)溫度也要控制在一個(gè)準(zhǔn)確的溫度(通常比冰面溫度低5℃—7℃)。”馬一太強(qiáng)調(diào)，加之在比賽中，冰場(chǎng)附近有運(yùn)動(dòng)員、教練、裁判、服務(wù)人員和數(shù)量不等的觀眾，冰面上還有照明和空調(diào)，同時(shí)室外的環(huán)境溫度也在變化。這些因素都提升了維持冰面溫度的難度。

“直接蒸發(fā)冷卻是制冷劑在冰場(chǎng)地下管道中直接蒸發(fā)，傳熱系數(shù)和制冷效率都很高，并且原則上能夠?qū)囟瓤刂圃谝粋€(gè)固定值，加之用泵供液實(shí)現(xiàn)倍率循環(huán)，可將溫差控制在±0.5℃，冰場(chǎng)各處溫度基本一致，這對(duì)于像周長(zhǎng)約400米的大道速滑尤為重要。”馬一太說。

同時(shí)，二氧化碳跨臨界直接蒸發(fā)冰場(chǎng)的冷熱綜合利用能效比較高，制冷過程中排出的余熱還可以回收，滿足運(yùn)動(dòng)員生活熱水、融冰池融冰、冰面維護(hù)澆冰等能源需求。

“北京2022年冬奧會(huì)將向全世界展示綠色奧運(yùn)先進(jìn)理念，同時(shí)也必將推動(dòng)我國和世界的制冷技術(shù)達(dá)到更高的水平。”馬一太說。