空氣制冷技術(shù)原理及發(fā)展現(xiàn)狀

劉帥領(lǐng) 馬國(guó)遠(yuǎn) 張海云 戴 晗 許樹學(xué)

空氣制冷技術(shù)原理及發(fā)展現(xiàn)狀

劉帥領(lǐng)1馬國(guó)遠(yuǎn)1張海云2戴 晗1許樹學(xué)1

（1.北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 北京 100029）

介紹了空氣制冷循環(huán)原理與工作特性，分析了空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)的研究進(jìn)展及應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)采用回?zé)?、多?jí)壓縮中間冷卻、濕壓縮、熱回收等性能提升方法及關(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行了分析。最后，對(duì)空氣制冷機(jī)未來的發(fā)展進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

空氣制冷；性能提升；應(yīng)用領(lǐng)域；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

空氣制冷是采用空氣作為工質(zhì)的一種制冷技術(shù)。1844年，由美國(guó)人戈里制造出第一臺(tái)空氣制冷機(jī)[1]，由于與之相匹配的技術(shù)落后，其綜合性能系數(shù)較低，無法與后來出現(xiàn)的蒸氣壓縮制冷機(jī)相匹敵，使得空氣制冷機(jī)逐漸沒落[2]。近年來，環(huán)境問題受到人們的普遍關(guān)注，《蒙特利爾協(xié)議》的頒布意味著在不久的將來，氟利昂制冷劑將被全面禁止使用。有鑒于此，學(xué)者們紛紛加入到替代制冷劑的選擇及應(yīng)用研究行列[3-5]?，F(xiàn)階段，雖然在一些氟利昂合成替代工質(zhì)方面取得了一定進(jìn)展，但仍然不是很理想[6]。隨著高效透平膨脹機(jī)、緊湊型換熱器、高速軸承的出現(xiàn)，使得空氣制冷機(jī)又重新受到人們的重視。與蒸氣壓縮制冷循環(huán)相比，空氣制冷循環(huán)具有安全環(huán)保、制冷溫度范圍寬，低溫下性能優(yōu)良、設(shè)備簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)空氣制冷技術(shù)發(fā)展過程及最新研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，以期為后續(xù)深入研究提供參考。

1 理論循環(huán)

空氣制冷循環(huán)又稱逆布雷頓（Brayton）循環(huán)，是由兩個(gè)等熵過程和兩個(gè)等壓過程組成，系統(tǒng)循環(huán)流程和溫熵圖如圖1所示。

圖1 空氣制冷循環(huán)

其工作過程為：空氣先經(jīng)過壓縮機(jī)等熵壓縮后進(jìn)入高壓換熱器進(jìn)行等壓冷卻，然后在膨脹機(jī)中等熵膨脹降溫，獲得的低溫氣流在低壓換熱器等壓吸熱后重新進(jìn)入壓縮機(jī)，完成一次循環(huán)。

根據(jù)工質(zhì)在制冷機(jī)內(nèi)是單次使用還是循環(huán)使用，可分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)[7]。開式系統(tǒng)采用直接送風(fēng)方式省去了內(nèi)熱交換器，與閉式系統(tǒng)相比，其系統(tǒng)性能系數(shù)較小，開式系統(tǒng)更易受濕度、塵埃等外界環(huán)境影響，循環(huán)須增加相應(yīng)的除濕、除塵設(shè)備，進(jìn)而增加了系統(tǒng)的造價(jià)和運(yùn)行成本，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇開式系統(tǒng)還是閉式系統(tǒng)。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

美、德、日、英等國(guó)對(duì)空氣制冷開展了較為深入的研究，涉及超低溫冷凍冷藏、空調(diào)等領(lǐng)域[8]。目前，全球范圍內(nèi)已有相應(yīng)的產(chǎn)品，如日本Mycom公司的“Pascal Air”系列產(chǎn)品，應(yīng)用在超低溫冷庫(kù)領(lǐng)域[9]；空調(diào)制冷機(jī)組應(yīng)用在歐洲（ICE）高速鐵路城際列車上[10]；國(guó)內(nèi)也有部分學(xué)者對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究[11-15]。

2.1 低溫

空氣制冷機(jī)極易制取低溫，并具有較寬溫度調(diào)節(jié)范圍（-100℃～0℃及以上），理論上可以達(dá)到絕對(duì)零度[16]。在低溫領(lǐng)域采用空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)比采用蒸氣壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖2為采用蒸氣壓縮制冷循環(huán)以獲取連續(xù)常壓低溫氣流設(shè)備的流程圖。

圖2 多級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)

從圖2中可以看出設(shè)備較復(fù)雜，其原因?yàn)椋?/p>

（1）蒸氣壓縮制冷循環(huán)的制冷量隨蒸發(fā)溫度的降低而迅速下降；

（2）為合理使用制冷量，必須采用多級(jí)分段冷卻，采用多級(jí)壓縮或復(fù)疊蒸氣制冷循環(huán)，這必然導(dǎo)致系統(tǒng)COP降低和成本增加。

文獻(xiàn)[17]分析指出，采用開式回冷循環(huán)的空氣制冷機(jī)性能要優(yōu)于蒸氣壓縮制冷機(jī)，在食品冷凍冷藏中具有較好的發(fā)展前景。

2.2 普冷

雖然在低溫領(lǐng)域空氣制冷技術(shù)具有蒸氣壓縮制冷技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但將空氣制冷技術(shù)應(yīng)用在普冷領(lǐng)域，適宜的場(chǎng)合不多。飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)采用的是空氣制冷機(jī)系統(tǒng)，主要是因?yàn)榭諝庵评溲b置能充分利用飛機(jī)現(xiàn)有的條件，引用飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的增壓空氣作為制冷工質(zhì)，以機(jī)外沖壓空氣作為冷卻介質(zhì)，只需增加透平膨脹機(jī)及其附屬設(shè)備，提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化?？諝庵评錂C(jī)系統(tǒng)經(jīng)過60多年的發(fā)展，已從簡(jiǎn)單循環(huán)逐漸發(fā)展到多種升壓制冷循環(huán)，包括二輪升壓循環(huán)系統(tǒng)、三輪升壓循環(huán)系統(tǒng)、四輪升壓循環(huán)系統(tǒng)和逆升壓循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)循環(huán)效率逐步提高，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠[18]。目前，空氣制冷機(jī)在普冷領(lǐng)域也逐漸應(yīng)用在列車機(jī)組[19]、地下井礦[20]等。

文獻(xiàn)[21]提出了分體四輪式ACS（Air Cycle System）空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立的透平渦輪冷卻器來代替一體化四輪式冷卻器?；陟蕝?shù)法對(duì)分體四輪與一體化四輪進(jìn)行熱力過程分析，結(jié)果表明，兩個(gè)系統(tǒng)的熱力性能保持一致，該方法可以降低一體化四輪式渦輪冷卻器的研制難度。

2.3 熱泵

采用熱泵循環(huán)時(shí)，空氣循環(huán)系統(tǒng)采用半開式結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)換熱表面結(jié)霜問題，在不同環(huán)境下系統(tǒng)均具有較為穩(wěn)定的COP[22,23]。文獻(xiàn)[24]對(duì)空氣循環(huán)熱泵熱水系統(tǒng)（ACHPWH）在冬季工況、低溫工況和全年工況下運(yùn)行進(jìn)行性能評(píng)估，其系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 空氣循環(huán)熱泵熱水系統(tǒng)

研究結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)工況下，隨著供水溫度的升高，COP值之間的差距會(huì)降低，并且空氣循環(huán)熱泵熱水系統(tǒng)的熱需求與熱容量是匹配的。空氣循環(huán)熱泵熱水系統(tǒng)用作水加熱器具有較好的應(yīng)用前景，特別適用于寒冷氣候的即熱系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[25]搭建了一個(gè)由一臺(tái)渦輪增壓器、兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)板式換熱器組成的空氣循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)COP隨環(huán)境溫度及供水溫度的變化關(guān)系。由圖4可以看出，空氣循環(huán)熱泵系統(tǒng)的COP變化范圍為1.12～1.22，系統(tǒng)制熱COP隨環(huán)境溫度的升高而緩慢下降，在不同測(cè)試工況下，COP值變化很小，對(duì)環(huán)境溫度和熱水供應(yīng)溫度不敏感。

圖4 在不同環(huán)境溫度下的COP

3 性能提升方法

空氣作為制冷工質(zhì)時(shí)，由于其比熱小，臨界溫度低，在空氣制冷循環(huán)中只能利用顯熱，不能實(shí)現(xiàn)等溫吸放熱，循環(huán)過程不可逆損失增加，使得空氣制冷循環(huán)的制冷量小、循環(huán)效率低。通常采用如下方法提升性能。

3.1 回?zé)?/h3>

回?zé)崾侵冈诨狙h(huán)基礎(chǔ)上增加回?zé)釤峤粨Q器，把高壓換熱器排出的高溫氣流用來加熱進(jìn)入壓縮機(jī)的低壓常溫氣流，以提高壓縮機(jī)入口氣流的溫度，使得壓縮機(jī)耗功降低。圖5是回?zé)崤c無回?zé)峥諝庋h(huán)圖。從圖中可以看出，在制冷量不變的情況下，回?zé)嵫h(huán)降低了壓縮機(jī)壓比和膨脹比，有利于提高空氣制冷機(jī)的實(shí)際制冷系數(shù)。

圖5 回?zé)崤c無回?zé)峥諝庋h(huán)T-S圖

文獻(xiàn)[26]將兩級(jí)壓縮中間冷卻空氣循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用在列車空調(diào)中，對(duì)系統(tǒng)采用無回?zé)岷陀谢責(zé)徇M(jìn)行對(duì)比分析，其制冷COP值變化如圖6所示。系統(tǒng)采用回?zé)崞鲿r(shí)，最大值為1.36；不采用回?zé)崞鲿r(shí)，COP最大值為1.25?？諝庵评溲h(huán)采用回?zé)崞麟m然使得系統(tǒng)設(shè)備體積增加，但有效提高了系統(tǒng)性能，同時(shí)也降低了壓縮比和膨脹比，為空氣制冷系統(tǒng)的小型化提供可能。

圖6 回?zé)崤c無回?zé)嶂评銫OP隨供風(fēng)溫度的變化

3.2 兩級(jí)壓縮中間冷卻

卡諾循環(huán)指出，最理想的壓縮方式為等溫壓縮。多級(jí)壓縮正是從等熵壓縮向等溫壓縮的一種過渡，可以降低壓縮機(jī)功耗，提高系統(tǒng)的循環(huán)效率，兩級(jí)壓縮的圖如圖7所示。在相同壓比下，兩級(jí)壓縮比單級(jí)壓縮功耗小的多。

圖7 兩級(jí)壓縮中間冷卻T-S圖

空氣制冷循環(huán)中，第二級(jí)壓縮往往采用膨脹機(jī)做功驅(qū)動(dòng)，可以提高系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[11]分析了兩級(jí)壓縮與單級(jí)壓縮對(duì)系統(tǒng)制冷系數(shù)的影響，如圖8所示。從圖中可以看出，壓比在1.8時(shí)，兩級(jí)壓縮系統(tǒng)的COP比單級(jí)壓縮系統(tǒng)的COP高0.1，并且隨著壓比的增加之間的差值增加。系統(tǒng)最佳壓比在2.0左右。

圖8 制冷COP隨系統(tǒng)壓比的變化關(guān)系

3.3 濕壓縮

1974年，美國(guó)人R.V.Kleinschmidt首先提出了濕壓縮（Wet Compression）的概念[27]。在壓氣機(jī)入口或級(jí)間向氣體噴入冷卻液體，冷卻液體與空氣進(jìn)行充分混合，利用液體的汽化潛熱使壓縮過程更接近等溫過程，降低壓縮機(jī)功耗。

文獻(xiàn)[28]對(duì)空氣/水混合工質(zhì)進(jìn)行了理論分析，指出水的相變對(duì)空氣壓縮和膨脹過程具有良好的效果，使得循環(huán)具有較高的經(jīng)濟(jì)性，在膨脹功充分利用前提下，該系統(tǒng)的制冷循環(huán)COP可達(dá)6～7。文獻(xiàn)[29]對(duì)實(shí)際濕壓縮過程建立理論計(jì)算模型，模擬計(jì)算得出，隨著噴水量的增加，壓氣機(jī)的出口溫度和功耗都在降低，壓縮終溫最大可降低6℃。

3.4 關(guān)鍵部件

文獻(xiàn)[30]分析了各部件效率對(duì)制冷COP的影響，如圖9所示。透平膨脹機(jī)效率對(duì)應(yīng)的斜率最大，表明透平膨脹機(jī)效率對(duì)機(jī)組性能系數(shù)影響最大，其次是第二壓縮機(jī)的增壓端、第一壓縮機(jī)，最后是回?zé)崞鳌?/p>

在空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)中，產(chǎn)冷的關(guān)鍵部件是透平膨脹機(jī)，為保證透平膨脹機(jī)高效運(yùn)行，需要轉(zhuǎn)子在高速下運(yùn)作，因此需要選擇高速氣體軸承，以及保證轉(zhuǎn)子具有穩(wěn)定性[31,32]。文獻(xiàn)[33]指出高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將為空氣制冷循環(huán)技術(shù)的發(fā)展帶來較大影響。

圖9 各部件效率對(duì)制冷COP的影響

20世紀(jì)70年代，美國(guó)ROVEC公司開發(fā)了一種變?nèi)菔娇諝庵评錂C(jī)[34]，具有能耗少、尺寸小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、啟動(dòng)方便的優(yōu)點(diǎn)。其典型的型面有四種：偏心圓、橢圓、橢圓偏心圓和雙維偏心橢圓，其中偏心圓橫截面形狀如圖10所示。變?nèi)菔綁嚎s機(jī)可以在壓縮機(jī)入口噴霧化水，利用水的汽化潛熱，使功耗減小[35,36]。

圖10 偏心圓橫截面圖

3.5 除水

空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)中含有大量水蒸氣且濕度過高時(shí)，經(jīng)過透平渦輪時(shí)，當(dāng)溫度降低到冰點(diǎn)以下會(huì)使空氣中的水蒸氣凝結(jié)甚至?xí)Y(jié)冰，凝固的水蒸氣不僅放出潛熱使系統(tǒng)冷量受損，而且產(chǎn)生的冰晶對(duì)渦輪葉片產(chǎn)生磨損，更有甚者會(huì)堵塞管路，使得系統(tǒng)癱瘓。為此空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)的除濕技術(shù)是必要的。在空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)中常用的除濕方法有壓縮除水法和吸附法，其中壓縮除水法包括低壓除水法和高壓除水法。

文獻(xiàn)[37]利用高壓除水系統(tǒng)中分離出的冷凝水來冷卻高壓換熱器，研究結(jié)果表明，在溫度為33-37℃時(shí)，相對(duì)濕度為95%時(shí)的COP比相對(duì)濕度為65%時(shí)的COP高20%左右，空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)在夏季高濕環(huán)境中更具優(yōu)勢(shì)。

吸附法是利用多孔固體作為吸附劑（如硅膠、氧化鋁等），吸附從一級(jí)壓縮機(jī)出來經(jīng)過冷卻器的水蒸氣，以達(dá)到干燥的目的，吸附劑達(dá)到飽和后失去吸附能力，但可以通過太陽(yáng)能技術(shù)[38]、廢熱利用[39]等方式進(jìn)行再生重復(fù)使用。

3.6 熱回收

空氣循環(huán)系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中有大量的能量損失，壓縮空氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的壓縮熱，文獻(xiàn)[40]指出，在空氣壓縮過程中，將電能用于增加空氣勢(shì)能所消耗的電量占總電量的15%，約有85%的電能轉(zhuǎn)換為熱量排放到大氣環(huán)境中造成了大量的能源浪費(fèi)。為降低能源損失，應(yīng)合理高效利用壓縮機(jī)產(chǎn)生的排熱，比如應(yīng)用在干燥[41]、生活熱水[42]等方面。

文獻(xiàn)[41]設(shè)計(jì)了一個(gè)壓縮機(jī)廢熱熱回收裝置，該熱回收流程如圖11所示。系統(tǒng)利用壓縮機(jī)廢熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)，對(duì)壓縮機(jī)空氣進(jìn)行干燥除濕，同時(shí)回收部分廢熱用以生產(chǎn)生活熱水。

圖11 熱回收流程示意圖

3.7 運(yùn)行參數(shù)匹配

影響空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)性能參數(shù)主要有透平膨脹機(jī)等熵效率η、壓縮機(jī)的等熵效率η、換熱器效率η、膨脹比和壓縮比等。文獻(xiàn)[43]針對(duì)開式空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)的熱力性能進(jìn)行理論分析，研究在不同制冷溫度下，η、η、η對(duì)系統(tǒng)COP的影響。結(jié)果表明，隨著η、η和η增加，系統(tǒng)COP逐漸增加，膨脹機(jī)等熵效率η對(duì)COP影響最大，提高膨脹機(jī)等熵效率是最有效的；換熱器效率和COP之間近似呈線性關(guān)系，改善換熱器效率也是提高系統(tǒng)性能行之有效的方法。

文獻(xiàn)[44]對(duì)實(shí)際空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析并建立理論計(jì)算模型，結(jié)果如圖12所示。與理論循環(huán)不同，實(shí)際循環(huán)存在COP對(duì)應(yīng)最佳膨脹比，當(dāng)膨脹比小于最佳膨脹比時(shí)，系統(tǒng)COP逐漸下降，當(dāng)膨脹比高于最佳膨脹比時(shí)，系統(tǒng)COP緩慢下降。在外部環(huán)境一定時(shí)，膨脹比越大，膨脹機(jī)出口空氣溫度越低，當(dāng)膨脹比大于5時(shí)，膨脹比對(duì)系統(tǒng)COP影響較小，所以在低溫領(lǐng)域應(yīng)用中不必過分強(qiáng)調(diào)膨脹比；但將空氣制冷循環(huán)應(yīng)用在空調(diào)領(lǐng)域時(shí)，要求膨脹機(jī)出口溫度不能太低，循環(huán)在小膨脹比范圍內(nèi)工作。

圖12 COP和T4隨膨脹比PR的變化

4 總結(jié)與展望

空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)在普通空調(diào)領(lǐng)域雖不及蒸氣壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)，但在低溫領(lǐng)域，空氣制冷循環(huán)具有蒸氣壓縮循環(huán)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在普通空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用和推廣空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)，提高其系統(tǒng)COP是重中之重?；?zé)?、雙級(jí)壓縮中間冷卻、濕壓縮、除水、熱回收、運(yùn)行參數(shù)匹配等是提高系統(tǒng)性能的有效方式，壓縮機(jī)、膨脹機(jī)效率對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，開發(fā)出高效、一體化壓縮—膨脹機(jī)是空氣制冷機(jī)未來發(fā)展的關(guān)鍵。

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Principle and Development Status of Air Refrigeration Technology

Liu Shuailing1Ma Guoyuan1Zhang Haiyun2Dai Han1Xu Shuxue1

( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.International Organization of Legal Metrology, Beijing, 100029 )

In this paper, the principle and working characteristics of air refrigeration cycle are introduced, and the research status and development prospect of air circulation system are analyzed. The performance improvement methods such as heat recovery, multi-stage compression intermediate cooling, wet compression and heat recovery and the influence law of key parameters are analyzed. Finally, the future development of air refrigerator is evaluated.

Air refrigeration; Performance improvement; Application field; Key technology

1671-6612（2021）03-444-07

TB61+4

A

劉帥領(lǐng)（1995-），男，博士研究生，E-mail：1172747830@qq.com

許樹學(xué)（1981-），男，博士，副研究員，E-mail：xsx@bjut.edu.cn

2020-10-27