物理不好 劝你不要点开这篇文章
2021-12-30 19:44:47  出处:蝌蚪五线谱  作者:蝌蚪君 编辑:上方文Q     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

如果想验证一下自己的物理知识储备,请继续阅读。

还记得餐厅中这种仙气飘飘的冰镇食物吗?

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或者美轮美奂的舞台......

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制造这种场景的材料就是干冰,是二氧化碳的固体状态。

二氧化碳是一种温室气体,但是如果它能够造冰,是不是颠覆了你的认知!

冬奥赛场上最不可或缺的就是各式各样的冰,如何制出符合比赛要求的高质量冰面非常重要。

在北京赛区,冬奥赛场上的15块冰面中有7块是通过二氧化碳跨临界直冷制冰技术制得的,这使得2022年北京冬奥会成历史上首次大规模使用二氧化碳制冷剂的奥运会。

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首都体育馆完成场地制冰,图片来源新京报(北京市重大项目办供图)

历史首次?难道二氧化碳跨临界直冷制冰技术有什么玄机吗?别急,这就一起了解北京冬奥制冰的特别之处。

为什么选用二氧化碳?

想要解释清楚什么是二氧化碳跨临界直冷制冰,我们得先把这个名词做个拆解:二氧化碳、跨临界、直冷制冰。

先说二氧化碳,可能多数人对它的认识就是空气中的一种气体,而且还是温室气体,了解多一点的会想到干冰,但二氧化碳的角色可不止这些。

没错,二氧化碳确实是温室气体,但在制冷领域,它就成了环保的制冷剂。

这里我们说的制冷指的是人工制冷,就是利用制冷设备,让想要冷却的物体温度降低到小于周围的环境温度。拿二氧化碳跨临界直冷制冰来说,就是让水温度降低,直到成为冰的状态。

在人工制冷过程中,制冷剂的作用非常重要,它会在制冷设备中循环工作,起到热量传递的作用,我们经常听说的氟利昂就是一类十分常见的制冷剂。

那二氧化碳为什么可以成为制冷剂呢?

一般来说,制冷剂通过液态和气态之间的相互转化实现热量的交换,而二氧化碳也可以在这样的物态转变中吸收或释放热量。

简单来说,常温常压下的二氧化碳是气态,施加一定压力后,可以液化成液体甚至凝华为固体(固体二氧化碳就是我们常说的干冰),压力降低后,液态或固态的二氧化碳又能快速汽化(或升华)为气体,并大量吸热,达到降低环境温度(让水凝结成冰)的目的。

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国家速滑馆冰场,图片来源北京日报

事实上,把二氧化碳用作制冷剂并不是什么新鲜事,它本来就是制冷剂中的“元老”,早在19世纪末就投入了应用,只是因为氯氟烃等制冷剂的出现,二氧化碳才逐渐淡出人们的视线。

直到最近几年,氯氟烃等制冷剂对环境造成的不良影响逐渐显现,二氧化碳这个更加环保的制冷剂才重获青睐。

可能有人就要问了,既然是温室气体,二氧化碳作为制冷剂,其环保的特性表现在哪儿呢?

首先,二氧化碳本身并不会破坏臭氧层,但不少氯氟烃制冷剂对臭氧层的破坏非常严重(例如氟利昂R12)。

其次,二氧化碳虽说是温室气体,但其温室效应比氯氟烃等制冷剂可低多了,相比之下确实称得上环保。

再加上二氧化碳还具有来源广泛、安全无毒等优点,自然就从众多制冷剂中脱颖而出了。

为什么选择直冷制冰?

弄清楚二氧化碳在制冷领域的“江湖地位”,我们再来聊聊什么是直冷制冰。

其实,直冷是相对间冷(即载冷剂制冷)来说的,间冷是指制冷剂蒸发得到的冷量通过载冷剂传递给冰面以完成降温的过程,直冷则不需要使用载冷剂,直接利用制冷剂蒸发时产生的冷量与水进行冷热交换,逐步把水冻成冰块。

直冷制冰避免了使用载冷剂换热所造成的能量损失,传热系数和制冷效率都很高,而且,能够将温度的波动范围控制在0.5摄氏度以内,控制冰场温度基本一致,这对大道速滑等比赛项目非常中重要。

还有一点大家可能也注意到了,冰场上的冰都呈现出牛奶一般的乳白色,可自己在家冻的冰明明是透明,这又是怎么回事?

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国家雪车雪橇中心,图片来源延庆区融媒体中心

通常来说,比赛用的冰场呈现出的白色是后期加工的,采用传统制冰技术制成的冰面其实也是透明的,需要使用专门的冰漆进行喷白处理。

不过,直冷制冰的冰场并不需要冰漆喷白这个步骤,这是因为直冷制冰过程中,水冻成冰的速度非常快(采用传统制冰技术需要7天制成的冰场直冷制冰3天就可以制成),以至于水里的气泡来不及逸出就被封冻在了冰里,最终形成的冰面就自然呈现出了乳白色。

跨临界是怎么回事?

最后我们来看“跨临界”要怎么理解。

前面我们已经说了,二氧化碳作为制冷剂由来已久,但是早期的二氧化碳制冷采用的是亚临界循环系统,制冷效率较低,尤其是环境温度高时,二氧化碳的制冷能力就会大打折扣。

那“亚临界”和“跨临界”中的“临界”是什么意思呢?

我们知道,物质可以在气态、液态、固态之间相互转换,而气体和液体两相平衡共存的极限热力状态就是其临界状态,此时的温度和压力分别称为临界温度和临界压力。以二氧化碳为例,它的临界温度为31.1摄氏度,而临界压力达到了7.38兆帕。

二氧化碳作为制冷剂要在制冷机中循环,制冷机主要由压缩机、冷凝器(冷却器)、膨胀阀、蒸发器4个部分组成。

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在亚临界循环系统中,冷凝时的压力低于二氧化碳的临界压力;在跨临界循环系统中,二氧化碳在冷却器中处于超临界状态,定压放热,不发生完全的物态相变,在蒸发器中压力小于临界压力,此时,二氧化碳与周围环境进行换热,吸收热量,使周围环境温度降低。

二氧化碳跨临界制冷循环系统压力高、压差大,对系统部件的强度要求很高,所以长期以来没有得到广泛应用。

这次北京冬奥成功采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术完成7块冰面的制备,背后的技术支撑是压缩机、换热器和回热器等核心硬件的迭代升级,是科技硬实力的体现。

看来,冬奥赛场上的冰不仅仅是最“快”的冰,更是科技含量高的冰。

责任编辑:上方文Q文章纠错

话题标签:二氧化碳干冰物理

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