物理不好 勸你不要點開這篇文章

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還記得餐廳中這種仙氣飄飄的冰鎮食物嗎?

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或者美輪美奐的舞臺......

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制造這種場景的材料就是干冰,是二氧化碳的固體狀態。

二氧化碳是一種溫室氣體,但是如果它能夠造冰,是不是顛覆了你的認知!

冬奧賽場上最不可或缺的就是各式各樣的冰,如何制出符合比賽要求的高質量冰面非常重要。

在北京賽區,冬奧賽場上的15塊冰面中有7塊是通過二氧化碳跨臨界直冷制冰技術制得的,這使得2022年北京冬奧會成歷史上首次大規模使用二氧化碳制冷劑的奧運會。

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首都體育館完成場地制冰,圖片來源新京報(北京市重大項目辦供圖)

歷史首次?難道二氧化碳跨臨界直冷制冰技術有什么玄機嗎?別急,這就一起了解北京冬奧制冰的特別之處。

為什么選用二氧化碳?

想要解釋清楚什么是二氧化碳跨臨界直冷制冰,我們得先把這個名詞做個拆解:二氧化碳、跨臨界、直冷制冰。

先說二氧化碳,可能多數人對它的認識就是空氣中的一種氣體,而且還是溫室氣體,了解多一點的會想到干冰,但二氧化碳的角色可不止這些。

沒錯,二氧化碳確實是溫室氣體,但在制冷領域,它就成了環保的制冷劑。

這里我們說的制冷指的是人工制冷,就是利用制冷設備,讓想要冷卻的物體溫度降低到小于周圍的環境溫度。拿二氧化碳跨臨界直冷制冰來說,就是讓水溫度降低,直到成為冰的狀態。

在人工制冷過程中,制冷劑的作用非常重要,它會在制冷設備中循環工作,起到熱量傳遞的作用,我們經常聽說的氟利昂就是一類十分常見的制冷劑。

那二氧化碳為什么可以成為制冷劑呢?

一般來說,制冷劑通過液態和氣態之間的相互轉化實現熱量的交換,而二氧化碳也可以在這樣的物態轉變中吸收或釋放熱量。

簡單來說,常溫常壓下的二氧化碳是氣態,施加一定壓力后,可以液化成液體甚至凝華為固體(固體二氧化碳就是我們常說的干冰),壓力降低后,液態或固態的二氧化碳又能快速汽化(或升華)為氣體,并大量吸熱,達到降低環境溫度(讓水凝結成冰)的目的。

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國家速滑館冰場,圖片來源北京日報

事實上,把二氧化碳用作制冷劑并不是什么新鮮事,它本來就是制冷劑中的“元老”,早在19世紀末就投入了應用,只是因為氯氟烴等制冷劑的出現,二氧化碳才逐漸淡出人們的視線。

直到最近幾年,氯氟烴等制冷劑對環境造成的不良影響逐漸顯現,二氧化碳這個更加環保的制冷劑才重獲青睞。

可能有人就要問了,既然是溫室氣體,二氧化碳作為制冷劑,其環保的特性表現在哪兒呢?

首先,二氧化碳本身并不會破壞臭氧層,但不少氯氟烴制冷劑對臭氧層的破壞非常嚴重(例如氟利昂R12)。

其次,二氧化碳雖說是溫室氣體,但其溫室效應比氯氟烴等制冷劑可低多了,相比之下確實稱得上環保。

再加上二氧化碳還具有來源廣泛、安全無毒等優點,自然就從眾多制冷劑中脫穎而出了。

為什么選擇直冷制冰?

弄清楚二氧化碳在制冷領域的“江湖地位”,我們再來聊聊什么是直冷制冰。

其實,直冷是相對間冷(即載冷劑制冷)來說的,間冷是指制冷劑蒸發得到的冷量通過載冷劑傳遞給冰面以完成降溫的過程,直冷則不需要使用載冷劑,直接利用制冷劑蒸發時產生的冷量與水進行冷熱交換,逐步把水凍成冰塊。

直冷制冰避免了使用載冷劑換熱所造成的能量損失,傳熱系數和制冷效率都很高,而且,能夠將溫度的波動范圍控制在0.5攝氏度以內,控制冰場溫度基本一致,這對大道速滑等比賽項目非常中重要。

還有一點大家可能也注意到了,冰場上的冰都呈現出牛奶一般的乳白色,可自己在家凍的冰明明是透明,這又是怎么回事?

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國家雪車雪橇中心,圖片來源延慶區融媒體中心

通常來說,比賽用的冰場呈現出的白色是后期加工的,采用傳統制冰技術制成的冰面其實也是透明的,需要使用專門的冰漆進行噴白處理。

不過,直冷制冰的冰場并不需要冰漆噴白這個步驟,這是因為直冷制冰過程中,水凍成冰的速度非?欤ú捎脗鹘y制冰技術需要7天制成的冰場直冷制冰3天就可以制成),以至于水里的氣泡來不及逸出就被封凍在了冰里,最終形成的冰面就自然呈現出了乳白色。

跨臨界是怎么回事?

最后我們來看“跨臨界”要怎么理解。

前面我們已經說了,二氧化碳作為制冷劑由來已久,但是早期的二氧化碳制冷采用的是亞臨界循環系統,制冷效率較低,尤其是環境溫度高時,二氧化碳的制冷能力就會大打折扣。

那“亞臨界”和“跨臨界”中的“臨界”是什么意思呢?

我們知道,物質可以在氣態、液態、固態之間相互轉換,而氣體和液體兩相平衡共存的極限熱力狀態就是其臨界狀態,此時的溫度和壓力分別稱為臨界溫度和臨界壓力。以二氧化碳為例,它的臨界溫度為31.1攝氏度,而臨界壓力達到了7.38兆帕。

二氧化碳作為制冷劑要在制冷機中循環,制冷機主要由壓縮機、冷凝器(冷卻器)、膨脹閥、蒸發器4個部分組成。

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在亞臨界循環系統中,冷凝時的壓力低于二氧化碳的臨界壓力;在跨臨界循環系統中,二氧化碳在冷卻器中處于超臨界狀態,定壓放熱,不發生完全的物態相變,在蒸發器中壓力小于臨界壓力,此時,二氧化碳與周圍環境進行換熱,吸收熱量,使周圍環境溫度降低。

二氧化碳跨臨界制冷循環系統壓力高、壓差大,對系統部件的強度要求很高,所以長期以來沒有得到廣泛應用。

這次北京冬奧成功采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術完成7塊冰面的制備,背后的技術支撐是壓縮機、換熱器和回熱器等核心硬件的迭代升級,是科技硬實力的體現。

看來,冬奧賽場上的冰不僅僅是最“快”的冰,更是科技含量高的冰。

好的,那么這就是易供求網給大家分享的物理不好 勸你不要點開這篇文章,希望大家看完這篇由小編精心整理的內容后,能對相關知識有所了解,解決你的疑惑!查看更多二氧化碳 干冰相關文章請訪問易供求網。(本文共4035字)


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