谁发明了空调

我在现场官方账号 2024-06-28 05:20:49

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与人类漫长的使用火加热的历史相比，人类使用工具降低居住环境温度的时间说长不长，说也短不短。李约瑟在《**科学技术史》中提到，早在汉代时**人就已发明了使用人力或者水力驱动的风扇。但在之后相当长的时间里，人类一直没能发明可以显著改变建筑内环境温度的工具。直到1758年，降温技术才出现了里程碑式的发展。这一年，英国化学家、医生约翰·哈德利与合作者本杰明·富兰克林进行了一项实验。他们把**喷到温度计上，发现温度计会迅速降温。改进后的实验甚至可以制取一些冰。这个实验是首次人工制冰。可惜，六年之后约翰·哈德利因病而逝。科学家富兰克林也把主要精力投入到了争取美国独立的**事业中去。之后的数十年，人工降温的技术几乎完全没有进步。1820年，著名的英国科学家迈克尔·法拉弟发现压缩可以使氨气液化，而液氨在蒸发时可以让空气冷却。对于即将诞生的空调来说，这个发现可以称之为通向正确道路的大门。不过，法拉弟虽然发现了氨的这个秘密，但要发明可以制冷的机器，却还要再等20年，还要等一名叫做约翰·戈里的美国医生。1842年疟疾和黄热病在佛罗里达州流行。同时是旅馆老板、银行职员与医生约翰·戈里为了给病人降温，发明了一个形状怪异的装置，可以通过制取冰来冷却空气。这就是世界上第一台真正意义上的制冷机。在约翰·戈里获得专利的同一年，澳大利亚人詹姆斯·哈里森也制造出类似的制冷机，并于1854年卖给巴望河银行。这标志着制冷机进入到商业化时代。1855年，哈里森的**蒸气压缩式空调获得专利。在19世纪下半段，各种与制冷有关的技术纷纷获得专利。制冷设备成为一个行业并蓬勃发展起来。不过，这些设备都是机械式、由热机驱动的。它们体积庞大效率低下，功率也不能做的很大。很难普及使用。直到1902年一位名叫威利斯·开利的年轻人进行了改进之后，才真正开始普及。威利斯·开利是布法罗铸造公司的机械工程师，他们的客户萨克特-威廉印刷出版公司需要一台制冷机。以前的机械式制冷机是先制冰再制冷。降低温度的同时，空气的湿度也**增加，并不能用于印刷厂。布法罗铸造公司把任务交给了刚刚毕业的机械工程师威利斯·开利。据称开利研究了很长时间，灵感来源于他在火车站看到了凝结的露珠。空气的湿度跟温度密切相关，同样的含水量，温度越低，湿度越高，直到饱和后凝成水珠。开利利用了空气的这一特点。他让需要被冷却的空气通过一个狭小的空间把热量传导给制冷冷媒。这样可以把空气的温度降的很低而使含水量饱和凝结出水。水附着在冷媒容器的外壁上，聚集到一定量后排出。低温的空气离开换热装置后吸收周围空气的热量，温度升高到需要制冷的温度，湿度降低。空气因此变的既冷又干燥。这也是空调可以除湿的原因所在。开利出色的完成了任务。他制造的这台制冷机由电力驱动，使用空间狭小但面积巨大的换热装置，与现在的空调已没太大差别。空调行业也都认可这是世界上第一台“科学空调”。由于开利的空调极大的提高了舒适性，广受市场青睐。据称，仅第一年就接到了四十套订单。1924年底特律的赫德森百货公司安装了开利空调；1925年纽约里沃利大剧院安装了开利空调；1928年美国白宫安装了开利空调；1929年参议院也安装了开利空调。到大萧条前，开利公司已为数百个剧院与大厦安装了空调。他与他的公司都获得了**。开利本人作为杰出的工程师，对市场也很敏感。他认为聚集着高级经理人与普通白领职员的写字楼都需要安装空调。并针对这种建筑设计了一种可以吊在天花板下的空调系统，既“导管式空调系统”。这种空调不仅可以让高层的大厦更加易于安装、使用空调，还不占用宝贵的地面空间。直到现在，“导管式空调系统”还是美国市场主要销售的产品之一。开利甚至还看到了家庭用空调巨大的市场。但受限于当时的技术，他对此投资的133万美元以惨痛的失败而告终。直到开利去世后的20世纪50年代，家庭用空调在技术的推动下变的小型化与价格低廉后才得以普及。为纪念开利的贡献，华盛顿国立博物馆收藏了开利公司于1922年制造的第一台离心式空调（一种空调压缩机的压缩形式）。20世纪上半段，是空调行业的黄金发展期。空调（制冷）业很多耳熟能详的公司都诞生于那个时代。有一些公司虽然不是在那时成立的，但却也抓住了这一黄金时机。比如美国的通用与日本的东芝公司。说起来，日本的空调行业起步并不晚。早在1935年，东芝公司就开始生产、销售空调产品。但日本公司一直生存在美国公司的阴影下，几十年间一直没什么起色。直到上个世纪70年代，随着能源供应的日益紧张，人们开始关注消耗掉整栋建筑大部分电能的空调的节能性。迫切需要一种更加灵活的产品来满足市场。日本人发挥了他们工程技术方面的优势。在上世纪70年代发明了一种新型的空调压缩机。这种压缩机结构紧密，体积很小，效率较高，功率还比较大。这种压缩机让空调产品更加丰富多彩的同时，也让日本空调行业在世界上第一次占据主导的地位。在对空调至关重要的制冷剂方面，日本公司也与美国公司一道，共同持有新型环保冷媒的专利，成了把控市场的行业巨头。压缩机与制冷剂技术的发展让空调更加适用于各种场所。到今天，空调的类型之繁多，可能连很多从业者都说不清楚。比如利用土壤热、地下水热的所谓地温空调以及利用废热的吸收式空调。上述所有的空调，无论如何变化，都利用了同一个叫逆卡诺循环的原理。逆卡诺循环是一个理想模型，由两个等温过程和两个绝热过程组成。工质（空调专业中称为制冷剂）吸热和放热过程中与冷源及高温热源是在等温下进行的，只发生压缩或者膨胀。其循环过程为：工质从冷源（对应空调的低温热库）吸取热量，但温度不升高，只膨胀。然后进行绝热压缩，使其温度升高至与高温热源（对应空调的高温热库）相同的温度（在制冷技术中，这个温度并不是环境温度，而是要高于环境温度）。把工质输送到高温热库后再进行等温压缩，并向高温热源放出热量。最后再进行绝热膨胀，使其温度由降至与初始温度相同，从而完成一个循环。对空调来讲简要的描述就是压缩机对制冷剂做功，利用制冷剂的相变吸收热量的方式，可以将热量由低温物体转移到高温物体。计算逆卡诺循环的制冷系数有一个公式，是低温热源的温度（指绝对温度，下同）除以高温热源的温度与低温热源的温度之差，既制冷系数=t低/（t高-t低）。由此公式可知，卡诺循环的效率跟工质无关，只跟低、高温热源的温度有关。从这个公式中还能看出，如果高、低温热源的温差小于低温热源的温度，制冷效率是可以大于100%的。这也是空调可以省电的原因。高、低温热源的温差越小，制冷效率也就越高。因此，降低高温热库的温度也成了提高空调效率的主要办法之一。变频空调技术就是通过相对降低高温热库的温度来提高制冷效率的。但并不是说变频空调的制冷效率一定就高。为了均衡，在设计变频空调时，在标准频率下，换热面积一般会设计的相对较小。只有在频率降低，单位时间内流过的制冷剂变少温度变低时，才能实现更高的效率。不过，也并不是频率越低越好。当频率低到一定的程度，循环过程中消耗掉的功占比过大，效率反而会有所降低。空调不只用来制冷，还用来制热，可以用来制热的空调叫热泵式空调。原理跟制冷相同，只不过是把低、高温热库通过一个叫“四通阀”的装置进行调换。计算逆卡诺循环的制热系数也有一个公式，是高温热源的温度除以高温热源与低温热源的温度之差，既制冷系数==t高/（t高-t低）。比较它与制冷系数的公式，会发现它们的区别只在于分子不同。制冷系数的分子是低温热源的温度，制热系数是高源热源的温度。因此，一般情况下，空调的制热系数一般会比制冷系数高。制冷系数与制热系数通称为能效比，分别用eep与cop表示。这是空调技术中最重要的指标。不过随着变频技术的发展，这两个只能表示额定制冷、制热系数的指标对变频空调不怎么适用，因此近年来又出现了一个叫“综合能效系数”的参数，用iplv值表示。它是由空调在标准环境下分别工作在25%、50%、75%、100%的变频时的不同制冷系数（或制热系数）加权后得出的一个数值。采用压缩机的压缩式空调是当今空调界的主流，但有一种空调虽然同样利用了逆卡诺循环原理，却不并使用压缩机，叫吸收式空调。这种空调的历史也相当悠久，可惜因电力能源的价格低廉与受使用环境的限制不能发展成为主流。吸收式空调利用了两种不同沸点的工质混合在一起组成的溶液，高沸点的工质作吸收剂，低沸点的作制冷剂，吸收剂对制冷剂有强吸收作用。当溶液温度升高后低沸点的制冷剂沸腾蒸发，蒸发后的制冷剂气体先冷凝成液体再进入到蒸发器吸热（实现制冷）。吸热后的制冷剂重新变成气体，回到一个叫吸收器的装置，被高沸点溶液吸收，再次成为混合溶液，同时对外释放热量。溶液回到一个叫发生器的装置被加热后再次分离，完成一个制冷循环。吸收式空调一般在有废热的工厂使用。废热可以用来加热发生器，发生器单位时间内吸收的热量越多，溶液的分离蒸发越激烈，制冷功率与效率也就越高。现在市场上的吸收式空调产品一般有两种混合溶液，水-氨与水-溴化锂。吸收式空调需要维持低压环境以降**冷剂（一般是水）沸腾温度。水-溴化锂吸收式空调循环系统的压力一般只有1kpa左右，此时水的沸点只是几摄氏度。除此之外，还有一类俗称“半导体制冷”的装置。依据的是由法国物理学家晋·查理·阿提鞍斯·帕尔帖于1834年发现的“帕尔帖效应”。该效应表明，给某种材料施加电压时，材料的一端会吸收热量，而另一端则会释放热量。这种技术与超导类似，发现的比较早，但进展缓慢。现在也只是用在一些空间狭小的地方。比如在民用领域，可以制冷的饮水机使用的就是这种“半导体制冷”技术。本文主要是讲日常所用空调的发展，所以只是简单的介绍此种技术，不做过多讲述。文中的“空调”也仅指逆卡诺循环的制冷机。空调的原理虽然简单，但仍堪称人类最伟大的发明之一。它使酷暑变得清凉，极大的改善了人们的居住与工作环境，提高了生活质量。当我们按下空调的开关，等待着冷风扑面而来时，应该想到，科技的力量让生活更美好。 20210311

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