空气制冷技术原理及发展现状

刘帅领 马国远 张海云 戴 晗 许树学

空气制冷技术原理及发展现状

刘帅领1马国远1张海云2戴 晗1许树学1

（1.北京工业大学 北京 100124；2.中国计量科学研究院 北京 100029）

介绍了空气制冷循环原理与工作特性，分析了空气制冷循环系统的研究进展及应用领域，对采用回热、多级压缩中间冷却、湿压缩、热回收等性能提升方法及关键参数影响规律进行了分析。最后，对空气制冷机未来的发展进行了评价。

空气制冷；性能提升；应用领域；关键技术

0 引言

空气制冷是采用空气作为工质的一种制冷技术。1844年，由美国人戈里制造出第一台空气制冷机[1]，由于与之相匹配的技术落后，其综合性能系数较低，无法与后来出现的蒸气压缩制冷机相匹敌，使得空气制冷机逐渐没落[2]。近年来，环境问题受到人们的普遍关注，《蒙特利尔协议》的颁布意味着在不久的将来，氟利昂制冷剂将被全面禁止使用。有鉴于此，学者们纷纷加入到替代制冷剂的选择及应用研究行列[3-5]。现阶段，虽然在一些氟利昂合成替代工质方面取得了一定进展，但仍然不是很理想[6]。随着高效透平膨胀机、紧凑型换热器、高速轴承的出现，使得空气制冷机又重新受到人们的重视。与蒸气压缩制冷循环相比，空气制冷循环具有安全环保、制冷温度范围宽，低温下性能优良、设备简单可靠等优点。本文对空气制冷技术发展过程及最新研究进展进行总结，以期为后续深入研究提供参考。

1 理论循环

空气制冷循环又称逆布雷顿（Brayton）循环，是由两个等熵过程和两个等压过程组成，系统循环流程和温熵图如图1所示。

图1 空气制冷循环

其工作过程为：空气先经过压缩机等熵压缩后进入高压换热器进行等压冷却，然后在膨胀机中等熵膨胀降温，获得的低温气流在低压换热器等压吸热后重新进入压缩机，完成一次循环。

根据工质在制冷机内是单次使用还是循环使用，可分为开式系统和闭式系统[7]。开式系统采用直接送风方式省去了内热交换器，与闭式系统相比，其系统性能系数较小，开式系统更易受湿度、尘埃等外界环境影响，循环须增加相应的除湿、除尘设备，进而增加了系统的造价和运行成本，应根据实际情况选择开式系统还是闭式系统。

2 应用领域

美、德、日、英等国对空气制冷开展了较为深入的研究，涉及超低温冷冻冷藏、空调等领域[8]。目前，全球范围内已有相应的产品，如日本Mycom公司的“Pascal Air”系列产品，应用在超低温冷库领域[9]；空调制冷机组应用在欧洲（ICE）高速铁路城际列车上[10]；国内也有部分学者对相关技术进行了研究[11-15]。

2.1 低温

空气制冷机极易制取低温，并具有较宽温度调节范围（-100℃～0℃及以上），理论上可以达到绝对零度[16]。在低温领域采用空气制冷循环系统比采用蒸气压缩制冷循环系统具有明显的优势。图2为采用蒸气压缩制冷循环以获取连续常压低温气流设备的流程图。

图2 多级蒸气压缩制冷循环

从图2中可以看出设备较复杂，其原因为：

（1）蒸气压缩制冷循环的制冷量随蒸发温度的降低而迅速下降；

（2）为合理使用制冷量，必须采用多级分段冷却，采用多级压缩或复叠蒸气制冷循环，这必然导致系统COP降低和成本增加。

文献[17]分析指出，采用开式回冷循环的空气制冷机性能要优于蒸气压缩制冷机，在食品冷冻冷藏中具有较好的发展前景。

2.2 普冷

虽然在低温领域空气制冷技术具有蒸气压缩制冷技术不可比拟的优势，但将空气制冷技术应用在普冷领域，适宜的场合不多。飞机空调系统采用的是空气制冷机系统，主要是因为空气制冷装置能充分利用飞机现有的条件，引用飞机涡轮发动机产生的增压空气作为制冷工质，以机外冲压空气作为冷却介质，只需增加透平膨胀机及其附属设备，提高设备利用率，实现系统小型化。空气制冷机系统经过60多年的发展，已从简单循环逐渐发展到多种升压制冷循环，包括二轮升压循环系统、三轮升压循环系统、四轮升压循环系统和逆升压循环系统，系统循环效率逐步提高，运行更加稳定可靠[18]。目前，空气制冷机在普冷领域也逐渐应用在列车机组[19]、地下井矿[20]等。

文献[21]提出了分体四轮式ACS（Air Cycle System）空气制冷循环系统，该系统采用两个独立的透平涡轮冷却器来代替一体化四轮式冷却器。基于焓参数法对分体四轮与一体化四轮进行热力过程分析，结果表明，两个系统的热力性能保持一致，该方法可以降低一体化四轮式涡轮冷却器的研制难度。

2.3 热泵

采用热泵循环时，空气循环系统采用半开式结构不会出现换热表面结霜问题，在不同环境下系统均具有较为稳定的COP[22,23]。文献[24]对空气循环热泵热水系统（ACHPWH）在冬季工况、低温工况和全年工况下运行进行性能评估，其系统流程如图3所示。

图3 空气循环热泵热水系统

研究结果表明，在设计工况下，随着供水温度的升高，COP值之间的差距会降低，并且空气循环热泵热水系统的热需求与热容量是匹配的。空气循环热泵热水系统用作水加热器具有较好的应用前景，特别适用于寒冷气候的即热系统。

文献[25]搭建了一个由一台涡轮增压器、两台鼓风机和两台板式换热器组成的空气循环系统实验台，实验研究了系统COP随环境温度及供水温度的变化关系。由图4可以看出，空气循环热泵系统的COP变化范围为1.12～1.22，系统制热COP随环境温度的升高而缓慢下降，在不同测试工况下，COP值变化很小，对环境温度和热水供应温度不敏感。

图4 在不同环境温度下的COP

3 性能提升方法

空气作为制冷工质时，由于其比热小，临界温度低，在空气制冷循环中只能利用显热，不能实现等温吸放热，循环过程不可逆损失增加，使得空气制冷循环的制冷量小、循环效率低。通常采用如下方法提升性能。

3.1 回热

回热是指在基本循环基础上增加回热热交换器，把高压换热器排出的高温气流用来加热进入压缩机的低压常温气流，以提高压缩机入口气流的温度，使得压缩机耗功降低。图5是回热与无回热空气循环图。从图中可以看出，在制冷量不变的情况下，回热循环降低了压缩机压比和膨胀比，有利于提高空气制冷机的实际制冷系数。

图5 回热与无回热空气循环T-S图

文献[26]将两级压缩中间冷却空气循环系统应用在列车空调中，对系统采用无回热和有回热进行对比分析，其制冷COP值变化如图6所示。系统采用回热器时，最大值为1.36；不采用回热器时，COP最大值为1.25。空气制冷循环采用回热器虽然使得系统设备体积增加，但有效提高了系统性能，同时也降低了压缩比和膨胀比，为空气制冷系统的小型化提供可能。

图6 回热与无回热制冷COP随供风温度的变化

3.2 两级压缩中间冷却

卡诺循环指出，最理想的压缩方式为等温压缩。多级压缩正是从等熵压缩向等温压缩的一种过渡，可以降低压缩机功耗，提高系统的循环效率，两级压缩的图如图7所示。在相同压比下，两级压缩比单级压缩功耗小的多。

图7 两级压缩中间冷却T-S图

空气制冷循环中，第二级压缩往往采用膨胀机做功驱动，可以提高系统效率。文献[11]分析了两级压缩与单级压缩对系统制冷系数的影响，如图8所示。从图中可以看出，压比在1.8时，两级压缩系统的COP比单级压缩系统的COP高0.1，并且随着压比的增加之间的差值增加。系统最佳压比在2.0左右。

图8 制冷COP随系统压比的变化关系

3.3 湿压缩

1974年，美国人R.V.Kleinschmidt首先提出了湿压缩（Wet Compression）的概念[27]。在压气机入口或级间向气体喷入冷却液体，冷却液体与空气进行充分混合，利用液体的汽化潜热使压缩过程更接近等温过程，降低压缩机功耗。

文献[28]对空气/水混合工质进行了理论分析，指出水的相变对空气压缩和膨胀过程具有良好的效果，使得循环具有较高的经济性，在膨胀功充分利用前提下，该系统的制冷循环COP可达6～7。文献[29]对实际湿压缩过程建立理论计算模型，模拟计算得出，随着喷水量的增加，压气机的出口温度和功耗都在降低，压缩终温最大可降低6℃。

3.4 关键部件

文献[30]分析了各部件效率对制冷COP的影响，如图9所示。透平膨胀机效率对应的斜率最大，表明透平膨胀机效率对机组性能系数影响最大，其次是第二压缩机的增压端、第一压缩机，最后是回热器。

在空气制冷循环系统中，产冷的关键部件是透平膨胀机，为保证透平膨胀机高效运行，需要转子在高速下运作，因此需要选择高速气体轴承，以及保证转子具有稳定性[31,32]。文献[33]指出高速电机驱动技术将为空气制冷循环技术的发展带来较大影响。

图9 各部件效率对制冷COP的影响

20世纪70年代，美国ROVEC公司开发了一种变容式空气制冷机[34]，具有能耗少、尺寸小、运转平稳、启动方便的优点。其典型的型面有四种：偏心圆、椭圆、椭圆偏心圆和双维偏心椭圆，其中偏心圆横截面形状如图10所示。变容式压缩机可以在压缩机入口喷雾化水，利用水的汽化潜热，使功耗减小[35,36]。

图10 偏心圆横截面图

3.5 除水

空气制冷循环系统中含有大量水蒸气且湿度过高时，经过透平涡轮时，当温度降低到冰点以下会使空气中的水蒸气凝结甚至会结冰，凝固的水蒸气不仅放出潜热使系统冷量受损，而且产生的冰晶对涡轮叶片产生磨损，更有甚者会堵塞管路，使得系统瘫痪。为此空气制冷循环系统的除湿技术是必要的。在空气制冷循环系统中常用的除湿方法有压缩除水法和吸附法，其中压缩除水法包括低压除水法和高压除水法。

文献[37]利用高压除水系统中分离出的冷凝水来冷却高压换热器，研究结果表明，在温度为33-37℃时，相对湿度为95%时的COP比相对湿度为65%时的COP高20%左右，空气制冷循环系统在夏季高湿环境中更具优势。

吸附法是利用多孔固体作为吸附剂（如硅胶、氧化铝等），吸附从一级压缩机出来经过冷却器的水蒸气，以达到干燥的目的，吸附剂达到饱和后失去吸附能力，但可以通过太阳能技术[38]、废热利用[39]等方式进行再生重复使用。

3.6 热回收

空气循环系统在实际工作过程中有大量的能量损失，压缩空气时会产生大量的压缩热，文献[40]指出，在空气压缩过程中，将电能用于增加空气势能所消耗的电量占总电量的15%，约有85%的电能转换为热量排放到大气环境中造成了大量的能源浪费。为降低能源损失，应合理高效利用压缩机产生的排热，比如应用在干燥[41]、生活热水[42]等方面。

文献[41]设计了一个压缩机废热热回收装置，该热回收流程如图11所示。系统利用压缩机废热驱动吸收式制冷机，对压缩机空气进行干燥除湿，同时回收部分废热用以生产生活热水。

图11 热回收流程示意图

3.7 运行参数匹配

影响空气制冷循环系统性能参数主要有透平膨胀机等熵效率η、压缩机的等熵效率η、换热器效率η、膨胀比和压缩比等。文献[43]针对开式空气制冷循环系统的热力性能进行理论分析，研究在不同制冷温度下，η、η、η对系统COP的影响。结果表明，随着η、η和η增加，系统COP逐渐增加，膨胀机等熵效率η对COP影响最大，提高膨胀机等熵效率是最有效的；换热器效率和COP之间近似呈线性关系，改善换热器效率也是提高系统性能行之有效的方法。

文献[44]对实际空气制冷循环系统进行了热力学分析并建立理论计算模型，结果如图12所示。与理论循环不同，实际循环存在COP对应最佳膨胀比，当膨胀比小于最佳膨胀比时，系统COP逐渐下降，当膨胀比高于最佳膨胀比时，系统COP缓慢下降。在外部环境一定时，膨胀比越大，膨胀机出口空气温度越低，当膨胀比大于5时，膨胀比对系统COP影响较小，所以在低温领域应用中不必过分强调膨胀比；但将空气制冷循环应用在空调领域时，要求膨胀机出口温度不能太低，循环在小膨胀比范围内工作。

图12 COP和T4随膨胀比PR的变化

4 总结与展望

空气制冷循环系统在普通空调领域虽不及蒸气压缩制冷循环系统，但在低温领域，空气制冷循环具有蒸气压缩循环不可比拟的优势，在普通空调领域应用和推广空气制冷循环系统，提高其系统COP是重中之重。回热、双级压缩中间冷却、湿压缩、除水、热回收、运行参数匹配等是提高系统性能的有效方式，压缩机、膨胀机效率对系统性能影响较大，开发出高效、一体化压缩—膨胀机是空气制冷机未来发展的关键。

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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

刘帅领（1995-），男，博士研究生，E-mail：1172747830@qq.com

许树学（1981-），男，博士，副研究员，E-mail：xsx@bjut.edu.cn

2020-10-27