螺旋压缩膨胀制冷机的研究与开发①

田 源 张周卫,2 汪雅红,2 张梓洲 赵 丽 郭舜之

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院；2.甘肃中远能源动力工程有限公司)

空气制冷机将空气作为制冷剂，把热量从低温物体转移到高温物体。空气制冷机利用气体膨胀制冷可获得较大的温降，因此具有巨大的工业节能潜力[1]。近年来，在深冷和普冷领域，随着高速气体轴承透平膨胀机技术的进步，空气制冷机得到了迅速发展，为适应各种不同冷量和温度的需要，国内外在微型技术和制冷机效率提高方面进行了大量的研究工作[2,3]。刘井龙和熊联友对空气制冷机制冷系数的影响因素进行了分析，发现膨胀机的等熵效率对制冷系数的影响最显著，提高膨胀机的效率对提高制冷机的制冷效率最有效[4]。张万里等对开式布雷顿制冷循环进行了热力学优化分析[5]。林韶宁等基于气体轴承透平膨胀机，研制了一种小型透平逆布雷顿循环空气制冷机，该制冷机结构紧凑、运行状况良好、效率高、系统降温启动快[6]。

然而，目前对制冷机各部件同轴设置和膨胀功回收利用的研究较少。为此，笔者从制冷机体积小型化、各部件同轴设置及膨胀功可回收等方面出发，针对传统制冷机应用中存在的问题，提出一种可实现开式制冷的螺旋压缩膨胀制冷机，并介绍了其工作原理，为制冷机的设计和运行提供理论依据。

1 传统制冷机应用中存在的问题

传统制冷机在应用中主要存在以下问题[7]：

a. 压缩段、冷却段和膨胀段需要独立分开设置，否则会造成系统安装运行复杂、制冷机体积庞大、运输安装不方便；

b. 布雷顿循环主要应用于大型制冷系统，一般为闭式制冷系统(由两个等压过程和两个等熵过程组成)，压缩过程为等熵过程，需要消耗较多的压缩功；

c. 布雷顿循环采用压缩机与膨胀机同轴设置时，一般应用于大型离心压缩过程和大型离心膨胀过程，可回收压缩功，制冷机气缸较大，但很难应用于小型制冷机中，需要外加冷却系统；

d. 采用单一的单级膨胀叶轮进行膨胀制冷时，膨胀过程中偏离等熵过程较远，膨胀后气体温度较高，回收的膨胀功较少。

2 螺旋压缩膨胀制冷机

针对上述问题，笔者基于布雷顿循环提出一种开式制冷的螺旋压缩膨胀制冷机(图1)。该制冷机的压缩段、电机段和膨胀段连接在同一轴上，当高温气体从螺旋压缩膨胀制冷机左端进入压缩段后，经多级压缩、冷却、再多级膨胀变为低温气体，并从另一端排出，完成开式制冷过程。由于布雷顿循环需要消耗较多的理论压缩功，因此笔者在压缩过程中采用较长的压缩段，一边压缩一边冷却，相比于布雷顿循环更接近等温压缩过程，消耗的压缩功更少[8]。此外，该制冷机采用离心压缩与冲压压缩相结合、以冲压压缩为主的压缩原理，应用连续多级螺旋压缩叶片与多级轴向扩压环，沿轴向连续多级压缩与扩压的方法。

图1 螺旋压缩膨胀制冷机

螺旋压缩膨胀制冷机采用多级螺旋膨胀再扩压再膨胀的连续膨胀制冷过程，使得膨胀过程更接近于等熵过程，膨胀后气体温度更低；将膨胀制冷过程中的理论膨胀功回收并通过电机中轴传递给压缩段进行压缩，不必外加冷却系统，压缩段的压缩功比布雷顿循环更小，能效比较布雷顿循环也更高。轴向扩压过程与压缩后的气流直接经过电机中轴进入膨胀段，没有多余的输气管道，使得整体制冷机直径较小。

针对单级膨胀叶轮膨胀过程中回收膨胀功较少的问题，采用近似压缩过程的反过程，通过增大螺旋膨胀叶片螺距和螺旋上升角来实现高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法。目前，大多数制冷机采用外回冷却系统，制冷机体积较大，而本制冷机采用壳内电机风扇冷却电机的同时冷却壳内换热器，以达到冷却压缩段的目的，因此可直接将高温气体压缩、冷却、膨胀制冷并降温[7,9,10]。

3 工作原理

螺旋压缩膨胀制冷机机芯结构如图2所示。

首先，待冷却气流进入离心压缩叶轮，应用离心压缩原理进行初步离心加速，并在第1扩压环内增压。增压后的气流进入高速旋转的一级螺旋压缩叶片进气口，产生冲压压缩作用，相对速度减小后，随高速旋转的螺旋叶片逐渐加速产生离心压缩，并向螺旋叶片下部运动，静压增大；相对于叶片，高速气流在进入螺旋叶片的瞬间形成冲压，

图2 螺旋压缩膨胀制冷机机芯

并在由螺旋叶片形成的渐缩通道中逐渐扩压，当达到螺旋叶片底部时，静压进一步增大；螺旋叶片带动气流高速旋转，在叶片底部形成高压气流，高压气流流至叶片底部时，遇到静止的第2扩压环，气流在第2扩压环内再次扩压，静压继续增大，随之改变方向并进入二级螺旋压缩叶片，进行下一级的离心冲压压缩过程，以及持续二级、三级压缩和扩压过程。利用逐级调节螺旋压缩叶轮叶片螺线螺距和上升角的方法，改变相邻螺旋叶片的间距和通流截面面积，采用高速旋转螺旋叶片逐级离心冲压的多级压缩方法和轴向设置多级扩压环沿轴向扩压的方法，最终实现气体的逐级离心冲压过程。气流压缩过程中螺旋叶片持续对气体做功产生的热量通过压缩罩外压缩段散热片排入大气。

其次，压缩后的气流通过压缩中轴径向孔进入压缩中轴轴向孔后，再通过电机定子中轴中心孔输送到膨胀段。高压气体经第5扩压环改变方向后进入一级螺旋膨胀叶片，并推动一级螺旋压缩叶片旋转，压力和温度降低后，流速增大进入第6扩压环扩压并改变方向，然后进入二级螺旋膨胀叶片，推动二级螺旋压缩叶片旋转，压力和温度再次降低后，流速增大进入第7扩压环扩压并改变方向，然后进入三级螺旋膨胀叶片，推动三级螺旋压缩叶片旋转，压力和温度继续降低后，通过排气接管排出壳体。多级膨胀过程与外界通过绝热层隔开，防止膨胀制冷量扩散至外界。

最后，冷却气沿筒体右侧冷却气进气孔进入壳体，进入定子与转子之间的通道冷却电机，冷却后经风扇左侧进入壳内散热片空隙并冷却壳内散热片，然后沿筒体左侧冷却气出气孔排出壳体。被冷却的气体在压缩机头内被压缩时产生的一部分热量通过筒体左侧的压缩段散热片与冷却气换热排出，另一部分通过壳内散热片与冷却气进行强制对流换热后排出壳体[7]。

4 结束语

螺旋压缩膨胀制冷机采用压缩机头、电机、膨胀机头和壳体完全轴对称且同轴线结构的设计方法，整体制冷机体积较小，可直接连接至管道中，适用于小型制冷系统；压缩段、冷却段和膨胀段同轴设置，使得气流经压缩后直接通过电机中轴进入膨胀段，不需要外加冷却系统即可将高温气体直接冷却成低温气体，实现了开式低温制冷过程，适用于开式制冷系统；螺旋压缩膨胀制冷机采用更接近等温压缩过程的近似布雷顿循环制冷原理，使得消耗的压缩功更少，且通过电机中轴将制冷机膨胀制冷过程中回收的膨胀功传递给压缩段，可使压缩功进一步减小，提高能效比；采用离心压缩与冲压压缩相结合、以冲压压缩为主的压缩原理，应用连续多级螺旋压缩叶片和多级轴向扩压环，沿轴向连续多级压缩和沿轴向扩压的方法，有效弥补了离心压缩过程的缺陷，拓宽了回转式气体压缩机械在小型制冷系统中的应用能力。

[1] 王伟,吴玉庭,马重芳.单螺杆膨胀机制冷系统的逆布雷顿循环分析[J].化工学报,2014,65(z1):245～250.

[2] 秦钢,李敏.空气制冷机[M].北京:国防工业出版社,1980.

[3] 计光华.透平膨胀机[M].北京:机械工业出版社,1989.

[4] 刘井龙,熊联友.空气制冷机制冷系数影响因素的分析[J].低温工程,2000,(2):31～34.

[5] 张万里,罗京,陈林根.开式简单布雷顿制冷循环热力学优化(1.热力学建模)[J].电力与能源,2015,36(2):164～168.

[6] 林韶宁,姚艳霞,王可,等.小型透平逆布雷顿循环空气制冷机的研制[J].低温与超导,2004,32(2):1～4.

[7] 张周卫,汪雅红,张小卫.螺旋压缩膨胀制冷机[P].中国:201310414563.0,2013-12-04.

[8] 彭斌,麦嘉伟,谢小正.自散热无油润滑空气涡旋压缩机的研究[J].化工机械,2016,43(2):204～207.

[9] 张周卫,汪雅红,张小卫,等.螺旋压缩膨胀制冷机用变螺距螺旋压缩机头[P].中国:201310396324.7,2013-12-04.

[10] 张周卫,吴金群,汪雅红,等.螺旋压缩膨胀制冷机用径轴流进气增压叶轮[P].中国:201310372519.8,2013-12-04.