Deep Dive
- Hu Zhongjun was inspired by Qin Dahe's story.
- The mystery and coldness of Antarctica left a deep impression on him.
- Hu realized that gaining knowledge was necessary to pursue Antarctic research.
Shownotes Transcript
今天我就在这里给大家分享一下名副其实的关于冷的故事我是来自中国科学院理化技术研究所的胡中军我像同学们这么大的时候老师在课堂上问同学们长大了想干什么呀我当时就说我想成为一名南极的科考工作者
是因为我在学校阅览室里面看到了秦大和老师的故事他的故事大家可以去查一下非常感人南极洲那神秘寒冷的那个世界给我留下了很深的印象但是去南极不是谁想去就能去的还需要学习知识
那么我中学毕业以后就来到了美丽的槟城哈尔滨那个时候还没有冰雪大世界来学习这个普通的制冷技术我们叫商业制冷技术课堂上啊我的老师有一句话我记忆犹新他说老师啊只能教你们杀猪的本事那个人家中国科学院呀才是屠龙的一开始我还不太理解
后来才知道你像我们今天实现了水果自由海鲜自由各种牛羊肉的自由对吧很大程度上就是由于商业制冷技术的发达我们的衣食住行都离不开它那么我就很好奇到底什么是屠龙记呢我就考取了中国科学院的研究生
然后我在做论文的时候呢正好是咱们国家当时正在研制大火箭现在我们都知道它的名字叫长征五号不了胖五之外还有一个别称叫兵箭
只有这种倚天剑才对得上屠龙刀嘛这个为什么叫冰剑呢我们可以看到它的温度是要比咱们冻猪肉的温度低很多很多要到这个零下 253 摄氏度就是把氢气变成液体然后才能发射很重的载荷过了若干年以后我有幸来到了海南文昌发射场然后目睹了自己参与的一部分工作吧
把中国的空间站核心舱给送上去当时在倒计时读秒的时候那种心情是又激动又紧张制冷界的屠龙计到底有啥用呢
举一个例子来说自从这个方面的技术发明以来每隔一段时间就会出来一项诺贝尔奖我们都知道诺贝尔奖它是象征着咱们人类科学进步的一个缩影
那么除了前沿物理科学研究的需要呢咱们去做体检的那个核磁仪它也需要这种低温的环境还有咱们现在电视上经常听到的量子世界量子物理等等都离不开这个技术那有的同学要问那为我们为什么要自己来做这个低温装备呢
就回到老师刚才讲的我们读书的那个年代呢大家还处于解决温饱的阶段那么食物无疑是最重要的所以冷藏冷冻就非常发达非常需要
那么随着咱们社会的进步科学的发展我们迫切地需要前沿科学航空航天超导等等方面的研究的需要所以我们要需要新的装备其实呢在老一辈科学家就是两弹一星的年代呢就已经研制出了比较小的低温装备
大家可以看到这幅照片就是在 20 世纪 70 年代咱们要把卫星放到一个模拟太空的环境里因为太空的环境它的温度非常非常的低大概是零下 260 多摄氏度所以我们要在地面上模拟太空来做这个试验才能保证上天不出问题
那么中间这幅图就更形象了看到中间冒着白色的雾的地方就是夜清和夜阳蒸发的这个情形
然后右边这个火焰呢其实液氢的燃烧是看不到火焰的就是这是助燃阶段的一氧煤油的火焰那么到底什么是低温说了半天我们在学术上呢据咱们家里做饭的煤气天然气的液化点 120 开尔文
以这个温度作为一个界限这个温度以上就叫做普冷技术这个温度以下就叫做低温技术而我们理化所主要关注的就是液氢温度就是这个圈圈里面的液氢温度以下的低温技术那么世界上最难液化的
这个气体是氦气所以液氦就是我们主要关注的研究对象同学们也要记住正是这个液氦打开了超越了牛顿经典力学的量子世界的大门的一把钥匙那么用空调咱们按遥控器能不能做到这么低的温度呢
显然是不行的为什么呢因为常规的制冷剂在这种低温环境下都会变成固体了它没有办法循环了氦气的液化其实在一百多年以前科学家就实现了我们还可以看到他们当时拍电报的原始记录这幅图就是咱们氦液化的原始的装置就是
它是由不同的社块表示不同的液体用酒精来预冷液态的空气液态的空气呢在预冷液氢液氢预冷以后才得到液氦所以这种套娃似的设计啊很难在工业上大规模地开展开来而且呢也很难连续地运行
同学们可以想一想如果我们所处的这个教室里面的空气全部变成了液体基本上空间就要成为一个真空的状态所以想想还是非常可怕的一个状态那么无论是商业智能还是低温技术它最核心的反而
是很简单的一个道理就同学们跑完步之后有时候会出汗那么汗蒸发以后你就会感觉到很凉爽那个原理呢就是水从液态变成气态它就把你的热量给吸走了这就是相变传热
那么有些科学家研究就是小蜜蜂它也会把水给运到这个蜂巢里面在炎热的夏季为蜜蜂的蜂巢来进行空气调节家里都有冰箱空调那它是怎么运转的呢其实和我们低温技术是一样的我们就是要把刚才讲的液态到气态的相变完成一个连续循环的过程它就需要一系列的机械来做配合
其中压缩机就是把气体从低压压到高压的状态然后就会发热后面我还会做这个实验就把热量传到环境里面了然后再经过一个节流减压的装置温度就降低了然后经过显热蒸发然后我们就获得了制冷的冷量最后完成循环就是这样一个过程
那么我们首先来认识一下什么是压缩机同学们给篮球 排球 打气给轮胎打气用到的打气筒就可以说是活塞式压缩机
这种机械很原始但是它不能够连续一年两年的运行因为它活塞容易摩擦所以科学家又发展出了新的螺杆式压缩机我这里也有一个模型所谓的螺杆式压缩机就是这样的两个螺杆一个阳转子一个阴转子互相
在旋转的过程中这个间隙里面的气体得到挤压就把压力给提高了这个原理很简单但是 2016 年以前我们国家生产这种机器的产能高达 40 多万台套但是里面就挑不出来一台能压缩氦气
说到这个同学们也要更加努力学习因为我们那个装备当时全是依靠进口进口的话它有各种各样的限制条件所以我们老所长就坚持一定要把这个设备国产化但是说实话接到这个任务的时候是一点底没有很害怕为什么呢举个例子来说我们说压缩机就相当于把物体从低位抬高到高位
那么相当于拿一个网兜去兜这个球那么咱们的空气啊打个比方来说像篮球那么大而我们的氦气呢只有乒乓球那么大所以你用同样的网子去兜的时候那乒乓球你就兜不住所以说这是很困难的有的同学说那咱们把这个网织得密一点不就好了吗
所以难题就来了我们可以看到这个动画呢就是两个转子工作的过程绿色的这块呢是吸进来从底下这个侧面排出去我们可以看到这个小的容积在减小压力就提高了正是因为它两个转子之间呀它互相镍合所以呢你不能无限地小小了以后尤其是在工作状态它会发热就卡死了你的这个系统啊就没有办法运转了
我们可以看到这个两个转子之间间隙的这个照片这是用灯光打过来的我们在工程上也吃过亏就是调小了以后整个系统就瘫痪了这是一个气缸然后呢这是这个消化棉我把这个消化棉呢其中一部分已经塞到这个气缸里面了这个实验呢可能还有一定的这个成功的概率不是百分百就是我们今天来试一下吧
稍等一下关一下灯就是我们试一下咱们就用手掌的力气去压缩这个管道里面的气体能不能把这个棉花点着我不知道你们的老师给你们演示过没有那咱们加把油我们也挑战一下因为不是很容易做大家仔细地观察我快速地压它然后气体压力升高它的温度就升高
只有达到 170 摄氏度左右的时候这个棉花才能着大家注意看已经产生烟了可能好多人没看清楚今天我们还比较幸运没关系我这有一个慢镜头大家可以仔细看这个慢镜头第一遍起雾第二遍着火下面是慢镜头
这个其实就是我们制冷的根本原理就是压缩它就热膨胀就是体积扩大它就冷这是我们核心的一个原理难题来了领导交给的任务怎么办呢就像面对一个刺猬无从下口我和我的老师在一次很偶然的机会他就指着转子让我仔细地观察所以同学们一定要善于观察生活
我们就在面对这个转子的时候就是这个零件的时候哲学上有个词叫对物也就是恍然大悟就是说我们做这个东西它两个转子不可能无限地小总是有缝隙的那怎么办呢我们就把这个缝隙里面填上厚厚的一层油膜那个平方球不就兜起来了吗
这个核心技术就叫转子的形现我们可以看这个坐标非常复杂有成千上万种的组合你没有足够的时间去试错那我们有一个原则就是我要想办法让这个转子尽量地把这个油膜能挂住因为它要旋转你不能让这个油膜甩出去这就是我们的突破口我们在这个
指导原则下开发了两种形线也就是说开发了两种螺杆压缩机的转子我们不仅做出来了中国人自己的产品而且咱们的热力学的效率比国际上最好的还要高 10%所以回想起来这件事情还真是感慨万千这就是我们内部的一个动画的演示很清楚地我们可以看到这两个转子之间的间隙
随着运转在不断地减小这是去年的时候我们最新的一款产品大家主要感受一下这是我站在照片里面大家感受一下它的体量就是蓝色的包包里面就是刚才演示的转指又回到老师讲的屠龙刀还有杀猪刀它有什么区别呢其实
由于尖端的技术向普通技术的覆盖是很容易的我们的这个行线技术其中的一种应用着咱们商业的冷冻方面三年大概统计了一下净利润就是 2.5 个亿其中有三分之一还是卖给外国人的而且经过专家的评选我们还获得了福建省的科技进步奖
那么刚才讲到了压缩机另外一个运动部件还没讲就是节流器那么我们的节流器呢就是一种旋转的我们叫透频膨胀机这是一个英文单词的翻译其实就是一个涡轮的机械也就是咱们古代中国技术史里面一般就叫做风车我们可以看到从这个圆的边缘进去的气体颜色比较深中心出来的地方呢颜色比较
颜色比较浅这个地方就是表示温度在降低很多人讲咱们的工作都不是吹的对吧但是说实话我们理化所做膨胀机还真是靠吹我给大家演示一下为什么要靠吹就是这是我们那个工作液轮的一个类似的一个这是一个玩具就是同学们可能也经常玩这个陀螺对吧
陀螺有的用鞭子抽有的用弹力去转它那么我们今天来一个与众不同的我们用嘴去吹它我不知道同学们玩过没有我试一下我先把这个陀螺放在这个桌子上大家可以看到了吧它确实是转起来了而刚才我这口气从周围进去如果有结构它出去的话温度就降低了其实我们这个原理就是这么简单但是
原理虽然简单为什么难做呢这个技术挑战在什么地方呢我们可以看到咱们经常的滑板车或者汽车它是靠这种滚珠轴承来润滑的
我们现在真正的低温制冷机的液轮它的速度是咱们汽车的大概 100 倍就是每分钟十几万到三十几万转所以说是非常快的那么你所有的这种机械的东西到时候一转全部都变就比焊的还要结实都无法使用了那么我们用的就是另外那幅图就是我们是用刚才这种方式用氦气把它吹起来
然后前后左右用氦气把它顶住所以说困难就在这个地方我们叫转子动力学上有一个就是它的偏移量大概是一个头发丝的几十分之一你要抖动大了就把这个它的邻居给蹭着了就是这样的一个困难咱们所从上个世纪 70 年代到现在经过几十年的积累吧我们形成了一系列的产品就大大小小
这幅照片是在 2014 年我们完成国家财政部国家重大仪器装备研制的真实的一个转子我手里拿的这个转子大家不要小看它那么小的一个转子跟我刚才看到那么大的压缩机相比都是一样重要的甚至比那个还要重要到了部件研制出来还要经过复杂的系统的集成和调试
大家可以看到下面的两台就是压缩机然后膨胀机太小了我把它单独拎出来可以看到这两个核心设备有了之后才能组成一个大的超级的低温的冰箱或者制冷机
这个项目当时被评为 2021 年度中国的十大科技进展除了我们之外其他的都是基础研究的所以我们这个工程技术的研究能进入到这个另选还是很困难的科学院有个传统不能说只说不做只做不练那么我们做出来之后还要经过适时的考验领导的原话就是要用得上
比较欣慰的是我们目前有两套这个低温装备在高能物理的超导体的研究还有先进的光源的研究先进的光源就是一种高级的显微镜在这种光源的测试平台上已经连续地无故障运行一万多个小时了这也是一路想来当时从事这个行业的时候从来没有想到过就是
咱们自己的东西也能够经受住这个适时的考验就在这个月的月初我们成功研制了国内最大的一套每天有 5 吨产量的液氢这个装置大家可以感受一下大小就行了有一个人的模型这个可能好多人没有概念 5 吨是什么意思目前咱们国家的发射任务很紧密就是密度很大
目前我们的这个液氢厂是 2.5 吨的也就是说我们这套设备比目前现有燃料的生产还要大一倍那么将来咱们正在发展这个探月工程火星的探测还有更远的深空探测就是在燃料这块我们做好了准备这是我们整个团队我们是赶上了好的时代就是如果没有国家高坚技术的
发展的需要我们只能去杀猪正是赶上了国家有屠龙的需要我们才走上了国家重器的研制当然杀猪的技术也很重要我的好多同学在前两年北京的冬奥会上也是大放异彩他们做的各种制兵机什么的也是很了不起的
最后总结一句就是同学们要不惧风雪以梦为马做好属于自己的那片独一无二的雪花谢谢大家