制冷及低温工程学科发展报告简本精品文档19页Word格式文档下载.docx

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在一些特定的讲学场合，比如书院、皇室，也称教师为“院长、西席、讲席”等。

一、引言

　　制冷及低温工程学科是围绕营造低于自然环境温度的微环境或物质状态所展开的科学研究、工程实施和相关设备装置制造。

它是现代科学研究和现代工程技术赖以实现的重要平台，也是现代食品工程、建筑环境、医疗体系三大民生服务体系的重要技术支撑。

　　低温技术营造从接近绝对零度到120K范围的低温，是超导、远红外观测和成像等技术的关键；

也为受控核聚变、正负电子对撞机等许多现代科学研究装置解决关键问题。

而120K到常温带的制冷技术，则广泛用于重化工业和能源产业中的气体分离、液化；

食品的冷藏、保鲜和冷藏链；

低温生物医学工程中细胞、血液、皮肤、软骨等生物材料的保存和冷冻外科手术；

建筑舒适性空调和为科研与生产过程提供的低温、恒温、干燥、恒湿的微环境；

航天、航空、航海、潜水和陆地交通工具的生命保障系统；

大型土木工程的冷冻工法及材料的低温改性等。

制冷技术是现代科学技术、现代产业、现代化生活都不可缺少的支撑技术。

　　研究表明，目前我国制冷系统及其辅助系统的运行目前消耗的能源占全国总的能源消耗量的20％。

在现有运行基础上，尚有20％～30％的节能空间，节能潜力很大；

作为主要制冷方式的蒸汽压缩制冷所使用的制冷剂HCFC属于破坏大气臭氧层、具有较强温室效应的物质，将被逐渐停止使用。

节能减排、保护大气环境还是制冷学科必须面对和承担的社会责任与历史使命。

　　在制冷空调、冷藏保鲜等领域，我国是世界上最大的设备制造国和消费市场。

吸收式制冷机、房间空调器、冰箱、冷藏展示柜等设备，产量均占全球生产量的一半以上。

制冷行业对我国的经济发展和对外出口有重要影响。

　　近年来，我国制冷学科有不少重大创新和进展，但总体上看，相比我国制冷行业众多的数量第一的国际地位，在基础研究上、高端产品上、整体制造水平上以及系统运行的能源效率上，我国还处在相对落后的地位。

除少数突出的研究成果外，总体上缺少原创、核心和领先技术。

主要原因是制冷学科的基础研究跟不上应用需求的发展，整体的科学研究水平落后于制冷设备制造和制冷技术应用领域的发展，中国制冷学术领域在国际学术界的地位滞后于中国制冷企业和工程应用界的国际地位。

　　二、本学科主要进展和国内外状况比较

　　制冷及低温工程学科涉及众多学科和领域，现就主要内容的进展和国内外状况比对如下。

（一）新型制冷技术

　　我国在热声制冷方面的研究总体水平处于世界前列。

在基础理论研究方面，提出交变流动热机和制冷机的介观热力学理论，指出交变流动热机的理想循环不是斯特林循环，纠正了200年来的错误认识；

提出热声转换的非线性理论，建立了弱非线性的热声学解析理论，解决了传统线性化热声理论的重大理论困惑；

提出了揭示可压缩交变流传热机制和设计的“交变流复传热学”理论框架。

在热声制冷新流程方面，我们与美国几乎在国际上同步且独立地开展了高效率的行波热声压缩机和行波热声制冷技术，特别是我国提出了采用变截面谐振管抑制非线性耗散的“聚能型热声发动机”技术，一举获得了国际上的最高压比，率先在国际上研制完全无运动部件的液氮和液氢温度制冷机。

在室温热声制冷方面，我国提出了双行波热声制冷流程，并研制了在冰箱制冷温度下有数百瓦制冷量的实验样机，其制冷性能居于国际前列。

　　我国在磁制冷材料的研究方面处于国际前列，所提出的铁基合金材料的性能优于美国和欧洲的，而且具有价格低廉、合成制作工艺简单等优势，但在磁制冷样机研究方面与最先进的美国有差距。

我国总体在磁制冷、激光制冷、半导体制冷等方面的研究整体落后于世界先进水平。

　　美国在室温回转式取得零温跨下接近800W制冷量的结果，而中国则仅取得50度无负荷的制冷温跨。

而激光制冷主要研究工作涉及激光制冷材料和激光系统，我国还没有实际开展这一方向的研究工作,与国外差距很大。

美国近年来在半导体制冷材料研究上也有大的突破，而我国的基本研究上处于停滞状态。

（二）制冷工质替代

　　我国积极参与制冷工质限制和替换的各项国际行动，是各相关协议的签约国。

为了保证中国制冷业的发展，我国必须发展一条有中国特色的自主创新性制冷工质替代路线。

通过相关的共同努力，初步形成我国的工质替代路线及制冷工质替换的国家方案。

并在混合工质研发上取得了国内外认可的成果，并已有一系列共沸和非共沸混合物专利；

在工质热物性测量和热物性推算上也有了新的进展。

为了与各类替代工质相适应，国内研究界和企业界相继开展了大量的替代工质应用性研究，并取得显著进展。

　　发展天然工质也是解决制冷工质替换另一条技术路线。

我国在采用CO2、氨和碳氢化合物作为制冷工质的研究方面也取得了一定的进展，开发出拥有自主知识产权的用于氨和CO2复叠制冷系统的螺杆压缩机，其性能达到世界先进水平，并积极开发CO2热泵热水器和用于汽车空调的CO2压缩机。

针对回收膨胀功这一CO2制冷机的特殊需求，提出多项发明专利并试制出引射器、膨胀机等样机。

开发出采用碳氢化合物为工质的冰箱，并已大量出口，然而，在应用CO2工质方面我国无论是压缩机还是应用系统，都和世界先进水平有较大差距。

我国还参与了测试和评价压缩机性能相关国际标准的讨论和制定，建立了CO2制冷系统综合性能实验台，为我国相关标准的实施做好了准备。

　　（三）低温生物医学

　　我国在生物材料的体外保存方面，将纳米技术与低温医学工程相结合，开展了热学和生物学方面的系列研究，在组织、细胞、血液的保存研究上都有重要进展，已经建成7座脐血干细胞库，不同的医院先后建立了精子库、角膜库、皮肤库，血管及软骨库等，为需要移植的病人提供了有效的组织替代物，为生命科学研究进展提供保障。

为满足医学生物材料保存的需求，我国还在－40℃以下的低温冰箱上有重大创新和优化，首次采用同一种机械式制冷技术实现了"

全温区系列机械式制冷低温冷冻储存箱"

，比国际通用技术产品能耗降低30%以上、生产效率提高30%以上、硬件成本降低20%以上，全温区系列已实现规模生产并批量出口。

使我国一跃成为世界上全面掌握先进低温冷冻储存箱核心技术和生产技术的国家，同时也满足了低温生物医学工程发展的需求。

　　在低温外科手术技术与装置方面，我国近年也有显著进展，将纳米技术与低温工程学相结合,发展先进肿瘤微创治疗方法的技术理念,相继开展的机理分析、试验研究和医疗仪器的研制等方面取得系列进展，提出独创的冷冻刀技术方案，研究出相应装置，正等待全面的检验和实验，以正式进入临床使用。

与国外相比，我国此领域的研究多数仍属于跟踪性的研究，自主创新的东西仍然较少，低温生物学的基础研究仍然很薄弱，医学生物材料保存的应用范围也远不及发达国家，冷冻外科所用冷刀还依靠进口，我国自行提出并研制的冷冻刀等手术器械距批准临床使用还有较大差距。

　　（四）制冷设备的研发

　　我国目前是世界上制冷设备生产的大国，在这一领域已基本上形成完整的生产能力，在家用制冷设备（白色家电）、螺杆式制冷机、吸收式制冷机等方面是世界上最大的生产商和代工制造者，制造能力基本上达到国际先进水平。

　　在小型冷冻冷藏设备上，我国已具备旋转、涡旋压缩机的研发、设计和制造能力；

在小型变频压缩机方面近年来有所突破，主要性能达到国际先进水平；

在线性压缩机方面，也实现了零的突破，但与国际先进水平仍有差距。

　　在大、中等规模制冷机领域，我国目前已经成为世界上螺杆压缩机的主要研发基地之一，近年来在转子型线设计及优化、转子啮合间隙带密封特性的转子刀具设计及加工、内部压缩过程微观特性的理论及可视化研究、螺杆压缩机设计计算软件等方面获得突破，整体上处于国际先进水平。

但国外开始三螺杆压缩机研究开发，还缺少核心技术，与国外有一定差距。

在离心式制冷机方面，由于20世纪90年代的一段停滞，使得我国相对落后。

近年来几个企业开始加速开展离心式压缩机和系统的研发，目前已引进并二次开发出大型三元计算软件对叶轮和进口导叶、出口扩压器进行优化设计，通过改进空气动力学特性和热力特性以提高能效。

为配合国家向境外投资大型液化天然气项目的需要，已开始进行为年产百万吨级LNG液化厂配套的混合制冷工质大型离心式压缩机的研发工作。

但在设计方法、加工工艺等方面还有一定差距，主要的关键技术基本上由国外相关企业掌握。

尤其是在代表离心式制冷机发展的未来的磁悬浮离心压缩机方面，目前发达国家已陆续开发出成熟产品，但我国仅有初步工作，与国外有很大差距。

　　在吸收式制冷方面，我国近20年来发展迅速，在技术水平和生产规模上处于世界领先地位。

近年来在新的工质对、系统流程、降膜换热结构等多方面又有所发展，在制造工艺上也有很大改进。

除了制冷应用，目前在工业余热、热电联产等方面又提出大量的吸收式热泵的应用，由此也在流程和装置结构方面有重要突破。

　　在吸附式制冷方面，我国也处在世界领先地位。

在工质、流程、装置结构等方面近年来都有突破，并成功的应用于建筑太阳能空调，大型客车空调、远洋渔船冷藏，并且开始尝试推广。

　　（五）食品冷冻冷藏链

　　我国的农牧渔产品的生产与供应方式目前正处在重要的转型期，从传统的就地生产就地销售的手工业模式正在向规模生产、长途输配、异地销售的工业化模式转型。

由此产生对食品冷冻冷藏链研究、运行管理的巨大需求。

近年来，我国在相关的基础研究方面有了重要进展，开始获得了一部分食品储藏基础数据，如荔枝、冬枣、大桃、食用菌等储藏物的储藏条件，使贮藏期逐步延长；

水产品无水或微水活体储藏也取得了一定的进展，实验研究已达到鲫鱼微水储藏30小时、无水储藏16小时，但与发达国家已建成的丰富完整的储藏数据库相比，我国还有相当的差距。

　　在冷冻冷藏工艺与设施方面，近年来相继开发出预冷、速冷、速冻和解冻设备，并得到一定程度的应用推广；

在冷库的节能与安全运行方面，通过制定新的节能设计标准、采用新的末端方式，使新建冷库运行能耗有所降低。

与发达国家相比，我国冷冻冷藏基础设施和相应设施的技术水平还有较大差距。

　　在冷藏运输方面，我国长期运力不足，成为冷藏链的瓶颈。

随着铁路建设的飞速发展，提出发展冷藏集装箱技术和装备，依托铁路实现冷藏链发展的飞跃。

这一新的技术路线的实施很可能带来冷藏运输技术和设备的大发展，与发达国家相比，我国冷藏运输设备制造技术研究力量仍很薄弱、加工制造和产业需求仍存在很大的发展空间。

　　在冷藏销售终端方面，我国是世界上最大的产品制造国，但主要技术均来源于国外，创新很少。

利用国内市场的飞速发展和巨大需求的机遇，促进这一领域的创新，有可能形成其新的发展。

　　（六）建筑空调制冷

　　我国城镇民用建筑空调普及率已经超过70％，民用建筑空调的在役运行容量和年生产与销售量目前都处于全球第一。

随着建筑节能工作的深入，各类热泵又被广泛地用于建筑冬季供暖和生活热水制备；

而为工业、科研和医疗部门营造各种低温和恒温、干燥和恒湿、净化等特殊环境，也是空调制冷技术应用的一个重要领域。

在这样巨大的市场需求的驱动下，相关研究已取得多项新的成果。

　　在地源、地下水源、地表水源和污水源热泵方面，我国取得重大进展。

作为分析和设计地源热泵的基础，我国推导出各类地下埋管换热器的传热和蓄热过程的解析解或积分形式的解；

率先提出能够直接从污水中采集热量而不对污浊物进行任何处理的装置和工艺流程，已大范围