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愛因斯坦的冷卻機

 大科技雜志社 2019-11-08
愛因斯坦的震驚

愛因斯坦是個偉大的科學家,他那習慣于考慮宇宙大謎團的腦袋,有時也會來點巧妙的發(fā)明。例如,他曾發(fā)明了一款冷卻機,巧妙地利用了物質(zhì)的化學性質(zhì),非常節(jié)能,不用一點電,只需要一點熱量就行了。

情況是這樣的。那是在1926年,愛因斯坦和他的學生看到報紙上的一篇報道,柏林的一戶人家被冰箱里的毒氣殺死了。冰箱里怎么會有毒氣了呢?原來那時候氟利昂還未被發(fā)明出來,冰箱制冷劑采用的是丙烷等有毒的碳氫化合物。丙烷作為制冷劑制冷效果不好,為了達到需要的制冷量,往往需要更多的丙烷來制冷。制冷劑加多了,壓縮機的負荷就大,一旦這些活動部件密封不嚴,就容易導致制冷劑泄漏。

看到這個報道,愛因斯坦很震驚,他想,冰箱制冷系統(tǒng)需要壓縮機這種活動的部件來工作,時間長了,肯定會因磨損而出現(xiàn)漏洞,這種系統(tǒng)潛伏著較大的危險。為了消除冰箱里這種潛在的危險,愛因斯坦就和他的學生聯(lián)手搞起發(fā)明來,學生動手,他來指導,于是不久,一款非常簡單、節(jié)能的制冷系統(tǒng)就面世了。在這款制冷系統(tǒng)中,愛因斯坦采用了氨和水作為制冷劑,并且去掉了壓縮機。

巧妙而節(jié)能的設計

氨和水怎么能用來制冷呢?為了能看懂愛因斯坦的設計,我們把它與有壓縮機的冰箱進行對比。

有壓縮機的冰箱一般是這么工作的:液體制冷劑通過管道上的小口閥門進入制冷室減壓蒸發(fā),變成氣體,科學上叫“節(jié)流膨脹”,這會吸收制冷室的熱量,從而起到制冷作用。然后制冷劑氣體再進入壓縮機加壓,加壓后,制冷劑溫度升高,再流經(jīng)設在冰箱外面的散熱管散熱,制冷劑氣體溫度降低,變成液體。然后再開始下一個循環(huán)。這樣,冰箱內(nèi)的熱量就通過這套系統(tǒng)被帶到了冰箱外面,從而冰箱內(nèi)溫度降低。這個過程,制冷劑經(jīng)過了氣化吸熱和液化放熱的過程。

而愛因斯坦的冷卻機是這樣工作的:高濃度氨水吸收周圍的熱量,揮發(fā)變成氨氣,使制冷室溫度降低。揮發(fā)出的氨氣通過管道流出,被水吸收,經(jīng)過加熱、回收等工序,就又形成高濃度氨水,流回高濃度氨水罐。若把這套系統(tǒng)直接放在室內(nèi),把散熱器放在室外,就是空調(diào)了。若把這套系統(tǒng)縮小到一個密封小室里,就是冰箱了。

這個過程不用電能來完成,一個工廠尾氣的余熱或汽車尾氣的余熱等廢熱就可以開動它。而要想把這種冷卻機裝到家里,只需要在屋頂上放個太陽能熱水器,就可以用其中的熱水來開動這個冷卻機了。不過在1930年代,人們還沒有有效利用太陽能的設備,但即使用電,它也比傳統(tǒng)冰箱節(jié)能得多,因為傳統(tǒng)冰箱的壓縮放熱浪費了大量電能。

無法享受的發(fā)明

愛因斯坦的冷卻機發(fā)明出來后,就被一個生產(chǎn)廠家看上了,但是人們很快發(fā)現(xiàn),這種空調(diào)或冰箱如果要達到足夠的制冷效果,需要很大的體積,很占地方。因此,愛因斯坦的冷卻機被制造出來后,它只是在一些工廠中使用,很少走入平民百姓家。

其實這種冷卻機的原理并不是愛因斯坦創(chuàng)造的,19世紀就有人想到用水和硫酸來作為制冷劑,制造了簡單的冷卻機了,這種冷卻機是利用了硫酸吸收水的性質(zhì)。愛因斯坦只是發(fā)明了一套利用氨和水的制冷系統(tǒng)。

愛因斯坦以后的人又對這種冷卻機進行了改進,并且找出了很多新的制冷劑,例如用硅膠和水作為制冷劑。就是說,水蒸發(fā)吸熱制冷,水蒸氣被硅膠吸附,因此可以保證水罐上方不會被水蒸氣充滿,可以不斷蒸發(fā)。硅膠中的水也是通過加熱的方式釋放出來,流動到室外散熱,冷凝成液體水,進入水罐。

由于硅膠和水都是無毒的,并且非常常見,因此現(xiàn)在的吸收式空調(diào)都是用硅膠和水作為制冷劑的。這種冷卻機的整個制冷系統(tǒng)也很大個,因此也都是用于工廠,充分利用工廠釋放的廢熱。

走入尋常百姓家

不過如今科學家發(fā)明出一種比硅膠更加多孔的吸附劑,具有納米級的空洞,因此具有比硅膠更大的吸水面積,被科學家叫做“納米海綿”,同樣重量的納米海綿和硅膠相比,納米海綿可以吸收的水量比硅膠多3倍。

而且納米海綿與水分子結合得并不是很緊密,這樣它吸水和釋放水的速度就快得多,比硅膠快50到100倍。這樣,相當于硅膠1/4大的納米海綿就可以達到同樣的制冷能力。這樣,空調(diào)的體積就可以大大縮小了,裝到室內(nèi)與普通空調(diào)看上去差不多大,再在屋頂裝個太陽能加熱器,就可以開動這個空調(diào)不斷給室內(nèi)降溫了,以后再也不用眼睜睜看著空調(diào)讓電表飛速旋轉了。另外,這種空調(diào)的價格和安裝費用也大大降低了。也許不久,這種超級節(jié)能的吸收式空調(diào)就會走入千家萬戶。

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