一、空气膨胀制冷机组在低温速冻与冷库应用
随着人民收入提高，物质生活越来越丰富，这也体现在“吃”上，近几年来中国肉类和水产等易腐食品产量都稳步上涨，食品的存储问题也被重视起来。以渔船用的制冷机为例，目前我国大多数渔船的制冷机依旧使用R22为主，由于环保问题天然工质的传播船舶制冷系统正逐渐被渔业部门重视。冷冻速率对于肉类的保存有很大影响，当温度下降到0℃以下的某个区域时肉类内部将会有结晶现象，这个区域是最大结晶区域。若冷冻速率过慢，晶体趋向于在细胞之间产生，而细胞内不产生，所以会导致细胞脱水破裂；加快冷冻速率，晶体就会同时在细胞内外产生，这样细胞就不会破裂，从而保证了食品的营养和品质。由于空气制冷循环降温速率很快，可以快速度过食品的最大结晶区域，最大限度地保持食品的品质，非常适合用于食品速冻加工。
1995年，美国空气化工产品有限公司（Air Products and Chemicals, Inc.,）和特罗蒙德公司（Toromont Process Systems, Inc.,）合作研发一套闭式空气制冷循环系统（CCAR），由于当时没有研发出高效的透平膨胀机、压缩机和换热器，所以他们采用了最高效率的高压闭式循环系统。该系统可以制取-56.7℃~-101℃的温度，COP可达到0.75。在非设计工况下，其能效比表现稳定，适应性强。他们在之后的一份市场调查中发现有75%的厂家有意愿使用这一套空气制冷机。
图1 CCAR制冷系统流程图
除了食品冷冻的需求，食品加工厂商在加工食品时经常需要对食品进行加热处理，通常食品的冷冻和加热处理是通过两套不同的设备来完成的。而对于空气循环系统，空气经过压缩后会达到一个很高的温度，膨胀后可以达到一个较低的温度，如果将空气循环系统中的热空气来加热食品，冷空气来冷冻食品，这样极大的提高了空气循环系统的利用效率，也节省了设备的投资成本。空气循环系统可同时对食品加工厂的食品进行加热处理和冷冻处理。图2是这套系统的流程图，可以看到，空气经过压缩机压缩后升温，高温空气被送入食品热处理的通道来处理食品并加热水，这相当于将原本无用的废热利用起来，对于这部分高温空气来说这其实是一个冷却的过程。降温后的空气进入回热器进一步降温，然后进入透平膨胀机做功降温，得到的冷空气被送入冷通道来冷冻食品。这套空气循环系统可以提供234℃的高温和-140℃的低温，还能同时提供98℃的热水。
图2 冷热联用的空气循环设备流程图
二、公司助力空气膨胀制冷机组在低温速冻与冷库应用
江苏航烨能源科技有限公司联合中科院等离子体物理所研发力量，对空气循环制冷机实验平台提出以下性能指标：1）制冷温度为-30℃；2）制冷功率为5kW。
根据温度可以将冷库分为高温、中温、低温和超低温冷库，其中超低温冷库的温度是-30℃以下。由于空气制冷循环在低温下性能表现优越，比较适合在超低温冷库中采用空气制冷循环系统。在-20℃以下时，空气制冷循环系统对于蒸汽压缩式制冷循环是优越的。
日本mycom公司的产品“PascalAir”采用的是开式单级压缩回热空气制冷循环，它可以应用在低温物流和冷库、水产和水产加工和石油化工领域。产品技术参数列于下表。
表1 PascalAir技术参数
型号 | PAS15-R | PAS30-R |
制冷能力 | 15kW（库内温度-60℃时） | 30kW（库内温度-60℃时） |
压缩机功率 | 30kW（库内温度-60℃时） | 60kW（库内温度-60℃时） |
冷媒 | 空气（Air） |
温区 | -50℃~-100℃ |
最高使用压力 | 0.2MPa |
压缩机型号 | 离心式压缩机 |
膨胀机型号 | 透平膨胀机 |
空气制冷循环试验台的流程，如图3所示。图4为空气制冷循环的温熵图。
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图3 空气制冷循环试验台流程简图 | 图4 空气制冷循环温熵图 |
由上图可以可知，系统主要有压缩机、两台冷却器、一台回热器、增压透平膨胀机和低温箱等部件。
系统工作流程为：
1）从透平膨胀机出来的低温空气进入到低温箱中与被冷却物质进行等压换热，空气温度升高；
2）从低温箱出来的气体进入回热器中，与从换热器2出来的高压空气进行换热，温度进一步升高（一般回到常温）；
3）从回热器出来的空气进入到第一级压缩机中进行近似等熵压缩，温度、压力都升高；
4）从第一级压缩机出来的中压空气进入换热器1冷却降温；
5）降温后的空气进入增压式透平膨胀机的增压端进行压缩，压力与温度都进一步升高；
6）经二次压缩后的空气进入换热器2冷却降温；
7）从换热器2出来的空气进入回热器与从低温箱出来的低温空气进行换热；
8）降温后的空气进入增压式透平膨胀机的膨胀端进行近似等熵膨胀对外输出功，同时空气的焓值、温度与压力都降低，膨胀后的低温、低压空气作为冷源进入低温箱，直接冷却所需冷却的物质，这样就形成了一个闭式空气制冷循环过程。
图5 空气透平叶轮结构及性能分析
图6 增压式透平膨胀机
图7 数据采集界面
图8 空气制冷循环实验装置
下表是空气制冷循环某些参数实验所测得的值，实验显示我们达成了制冷系统-30℃@5kW的设计目标，并且在实验中系统的透平出口温度最低达到-86℃。
表2 空气制冷循环的实验参数
环境温度 | 18℃ |
*工质质量流量 | 0.25kg/s |
*制冷量 | 5.059kW |
*COP | 0.447 |
*总压比 | 1.74 |
系统到达的最低温度 | -86℃ |
注：带*表示在设计工况下的值。
三、总结
由于空气是天然工质，当冷空气进入用冷单元时，为了减少系统的不可逆损失可以采用直接冷却的方式。等温压缩是最省功的压缩方式，公司采用了两级压缩中间冷却的方式，这种方式与等温压缩相近，节省了系统压缩空气的耗功。回热技术经常使用在蒸汽动力循环中，可以有效提高系统性能，公司也采用这种技术。所以最终采用的空气制冷循环类型是加入了回热装置和膨胀功回收装置的正升压式双级压缩中间冷却循环；
空气膨胀制冷机组的实际性能表现基本达到了设计目标。增压式透平膨胀机增压端等熵效率达到了67.5%，压缩比达到1.26，膨胀端等熵效率达到了82.7%，最大转速达到37000r/min；系统最低温度达到了-86℃，系统在-30℃时的制冷量有5.059kW，达到了设计目标。
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