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2. 采用二氧化碳的制冷機

隨著氨制冷機的意外頻頻發(fā)生，19世紀的科學家和工程師們將目光轉向了二氧化碳，它無毒無害，不會爆炸，極易制備。即使設備出現(xiàn)泄露，也完全不用擔心，直接把它排入空氣就好。

1869年，美國人洛威以二氧化碳作為制冷劑制造了一臺制冰機，由此拉開了二氧化碳制冰之路的帷幕。不過由于二氧化碳制冷設備的運行壓力高出氨制冷系統(tǒng)幾倍，它始終沒能把氨系統(tǒng)給淘汰。隨后的幾十年里，在制冰行業(yè)里二氧化碳和氨系統(tǒng)平分秋色。

3. 采用氟利昂等人工合成制冷劑的制冷機

在20世紀，合成化工高速發(fā)展給各行各業(yè)都帶來了影響，二氧化碳、氨這些天然制冷劑逐漸被以氟利昂為代表的氯氟烴以及氫氟碳化物所代替。這一類人工合成制冷劑有著很好的制冷性能，并且沒有二氧化碳的高壓困擾以及氨氣的毒性，也因此在開發(fā)伊始便被迅速推廣。

但這類化合物對環(huán)境卻不太友好，氟利昂等氯氟烴類制冷劑在紫外線的照射下會與臭氧分子快速反應，地球臭氧層被極大破壞，局部地區(qū)例如南極上空甚至出現(xiàn)了巨大的臭氧層空洞；

用以替代氟利昂類制冷劑的氫氟碳化物制冷劑則是很難在大氣中分解，這一類物質停留在大氣中，會嚴重阻礙地球向外的散熱，直接促進全球變暖的進程，這類物質對全球變暖的貢獻值甚至達到了二氧化碳的成百上千倍。

南極上空的臭氧層空洞（圖片來源NASA）

聯(lián)合國為了避免工業(yè)產品中的氟氯碳化物對地球臭氧層繼續(xù)造成惡化及損害，于1987年9月16日邀請所屬26個會員國在加拿大蒙特利爾所簽署的環(huán)境保護公約，我國也于1991年加入《蒙特利爾議定書》締約國。1997年12月在日本京都由聯(lián)合國氣候變化框架公約參加國簽訂了《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》，這兩項合約的簽訂正式標志著氟利昂類以及氫氟碳化物類制冷劑的淘汰提上了日程。

綠色制冰，二氧化碳出手了

舊制冷劑的淘汰就意味著新制冷劑的推出，但找到性能優(yōu)良卻對環(huán)境沒有影響的制冷劑卻異常困難。

我們都知道奧卡姆剃刀原則：如無必要，勿增實體，這句話對大自然也同樣適用。因此，被淘汰許久的天然制冷劑又重新回到了人類視野之中。

經(jīng)過了上百年的發(fā)展，人們在機械制造上早已與19世紀有了云泥之別。當初受限的設備問題已經(jīng)可以被輕松解決，二氧化碳這一安全無毒的制冷劑，更是從無人問津一躍成為了當紅明星。

通過種種現(xiàn)代制冷手段，人們已經(jīng)可以制造出滿足日常生活絕大多數(shù)需求的低溫。隨著人類在制冷行業(yè)的快速發(fā)展。各類制冰設備的推廣使得人們不再需要花費巨大的代價便可以得到足夠的冰雪場地。

1908年，第4屆夏季奧運會上增加了花樣滑冰項目，1924年，首屆正式的冬季奧林匹克運動會在法國舉辦。2022年，首屆完全實現(xiàn)“碳中和”的綠色冬季奧運會將在北京舉辦。除了可再生能源、材料的使用，現(xiàn)代綠色制冷技術的應用也是零碳排放冬奧會的關鍵，其中的代表之作便是國家速滑館的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術應用，這是世界上首個采用該技術的大型冰雪運動場館。

二氧化碳是怎么制冰的？

我們都知道，物質存在三種不同的相態(tài)：氣相、液相以及固相。而超臨界狀態(tài)則是氣液兩相的分界線消失的一種特殊狀態(tài)。當物質處于超臨界狀態(tài)時，它同時存在液體和氣體的性質，也因此有許多獨特的特性。

二氧化碳在不同溫度、壓力下的相態(tài)（圖片來源維基百科）

超臨界二氧化碳是超臨界物質應用之中的佼佼者，它的臨界溫度只有31.3℃，臨界壓力（7.3MPa）和常溫時的飽和氣壓（5.7MPa）相比也不高。所以，在設備允許的情況下，利用二氧化碳作為制冷劑的系統(tǒng)很容易跨過臨界點來運行。超臨界二氧化碳的傳熱能力十分優(yōu)秀，并且密度高于其他制冷劑，這讓跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)的體積可以更小，系統(tǒng)的效率也可以更高。

國家速滑館正是使用了跨臨界二氧化碳制冷機組。制冷循環(huán)大致分為以下步驟：

二氧化碳氣體被吸入壓縮機，經(jīng)過機械壓縮后跨越臨界點成為了高溫、高壓的超臨界流體；

高溫二氧化碳流體被送入熱回收器，流過被冷水包裹的管道，把冷水加熱到50-70℃，這一部分水將被送往場館用于生活用水、融冰池融冰以及冰面維護澆水，大幅度減少了電力消耗；

另一邊，被逐級降溫后的二氧化碳最終跌下臨界溫度成為液態(tài)，再通過節(jié)流閥膨脹后，其溫度大幅度降低達到-20℃；液態(tài)低溫二氧化碳經(jīng)過液體循環(huán)泵被均勻輸送到埋設在場館冰面之下的蒸發(fā)盤管中，給冰面提供所需的低溫。

蒸發(fā)后的二氧化碳再進入壓縮機中進行下一次循環(huán)。

經(jīng)過研究人員測算，國家速滑館的二氧化碳制冰系統(tǒng)每年可以節(jié)省約180萬度電量。

更快、更高、更強是奧運會一貫的宗旨，而科學家在技術上的一次次突破，也正是人類為了應對全球氣候變化而不懈努力的縮影。

（文章原載于微信公眾號“科學大院”，觀察者網(wǎng)已獲授權轉載。）