一、空气制冷循环基本原理

空气制冷以天然的空气为载体，通过空气在循环内的状态变化，将热量从低温处带向高温处的制冷方式。它与传统的蒸汽压缩式制冷循环最明显的不同点是空气在整个循环过程中都不发生相态的改变。利用节流效应和绝热膨胀都可以使空气温度降低。但由于空气节流降温的效应非常低，所以在空气制冷循环中一般采用绝热膨胀对外做功制冷的方法来制取冷量，获得低温。

图1 基本空气制冷循环原理图

空气制冷循环基本原理如上图所示，在循环中空气分别经过压缩、冷却、绝热膨胀对外做功和吸热四个过程。整个循环过程如下：从透平膨胀机出来的低温低压空气，经过换热器2（蒸发室）进行等压吸热，空气温度升高，之后空气气流进入压缩机内做等熵压缩温度、压力都升高。高温高压空气进入换热器1（冷凝器）进行等压冷却，最后进入透平膨胀机做等熵膨胀温度与压力都进一步降低。这样就完成了一个循环过程。可以将空气制冷基本循环概括成两个等熵过程和两个等压过程。

       在目前的形势下，促使着各国积极探索新的环保制冷的方式，而空气制冷循环以空气这种天然工质作为制冷剂，对环境保护来说是非常理想的一种制冷循环。空气制冷循环有着众多的优势，空气是非常普遍的一种物质，它普遍存在于自然界中，无毒无害，可以非常轻易的获得，没有成本也不存在存储的问题，也不用担心泄漏问题。空气制冷循环的流程相对于蒸气压缩制冷循环来说比较简单，并且不需要担心泄漏产生的问题，所以在运行与维护方面都有着天然的优势。对于空气制冷机来说，随着制冷温度的降低，相较于蒸汽压缩式制冷机其系统制冷效率的优越性也会越发明显。空气制冷循环效率在0℃~-50℃温区内相对较低，在-50℃~-80℃时，与蒸气压缩式制冷循环相差不大；在-80℃以下，空气制冷循环有明显的优势。这是因为蒸气压缩式制冷循环需要通过多级压缩或多个循环复叠的方式才能获得更低的温度，这大大增加了系统的复杂程度，从而降低了系统的制冷效率，而空气制冷循环流程相对简单不存在这样的问题。国外对空气制冷机的研究和开发比较早，现在已经有成熟的产品面市，而中国目前还没有成熟产品，所以非常有必要对空气制冷机及系统进行研究，以弥补这方面的短缺。

二、空气透平膨胀制冷机组在暖通空调应用

空气制冷机是人类历史上采用的第一种人工制冷方式。由于当初落后的科学技术水平，其制冷系数不尽如人意，无法与之后出现的蒸气压缩式制冷机相匹敌，所以在普冷范围内空气制冷机逐渐被取代。近几十年来，随着科技的发展，高效的透平膨胀机、紧凑型热交换器和高速轴承相继研发攻克，空气制冷机的短板慢慢被弥补，再加上人类对生态环境的日益重视，空气制冷机重新被人们重视起来。

空气制冷循环在飞机空调上一直有应用。经过一段时间的发展在列车空调、暖通空调、低温速冻与冷库和低温环境实验室等领域都有应用。

目前列车空调与暖通空调使用的制冷剂主要是R22和R410a。虽然空气制冷循环在-80℃以上温区性能对于蒸气压缩式制冷循环没有明显优势，但是由于环境保护的严峻形势，有必要开发其在普通空调领域的应用。空气制冷循环可以根据不同的应用场合来合理调整制冷流程，由于人不能承受太低的温度，所以会再进行一级换热，空气达到人体适宜温度时再送入室内。空气循环不仅可以制冷还可以制热。对于暖通空调来说，一般采用逆升压空气制冷循环，理想状况下其制冷系数可以达1.72，制热系数可达1.71。

图2  MIRAI Climate采用的空气制冷循环流程图

空气制冷循环应用于列车空调早有先例，欧洲高速铁路城际快车（ICE）空调使用的就是空气制冷机，一台机组最大可以提供31kW的制冷量。

图3 ICE列车空气制冷循环流程图

Spence等人对空气制冷循环在列车上应用做了大量研究，他们以一款在售的传统车用制冷机SL-200为参照，在其现有条件下搭建了一台空气制冷机。通过在相同热力学条件下的实验发现，在设计负荷工况时空气制冷机的能耗要比SL-200高7%，但其制冷功率要高8%，说明在相同条件下空气制冷循环能提供更大的在制冷量。在部分负荷工况时，空气制冷机的能耗却比SL-200低35%，说明空气制冷循环对于变化的工况有更好的适应性。通过实验发现在满负荷工况下，透平膨胀机与离心压缩机连轴组成的部件的轴承消耗了大约2-3kW的功，如果优化这部分损失空气制冷机的性能将提升大约10%。继续优化换热器性能会使这台空气制冷机的性能进一步提升。

图4  两级压缩闭式空气制冷循环图            图5  两级压缩开式正压空气制冷循环

三、公司助力空气膨胀制冷机组在暖通空调应用

       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

增压式透平膨胀机是一种可以回收膨胀功的装置，可有效减少能源消耗，并且其结构简单，体积较小，对变化的工况有较好的适应性。在空气制冷循环中由第一级压缩机过来的空气通过增压端压缩，提高了膨胀端入口压力，增大了膨胀比，相当于提高了制冷能力，对于空气制冷系统而言，在制冷量不变的情况下可降低第一级压缩机出气压力，达到同样效果，相当于节省能量消耗，而在第一级压缩机出口压力不变的情况下，相当于提升了制冷量，无论哪种情况，对整个空气制冷系统都是有利的。

增压式透平膨胀机的结构与典型的风机制动膨胀机结构非常相似，只不过增压透平膨胀机将制动端的风机轮替换成了离心压缩机的压缩轮，我们将这一端称为增压端。与风机制动的透平膨胀机一样，透平膨胀机叶轮与离心压缩机的叶轮是置放在主轴两端。结构图如下图所示。

图6 增压式透平膨胀机结构图

（1-扩压器；2-膨胀轮；3-喷嘴；4-膨胀轮密封套；5-主轴；6-增压轮；7-增压轮密封套；8-增压轮）

公司为了验证所设计系统的实际运行特性，找出影响整机性能的关键性因素，搭建一套空气制冷循环试验台。试验台主要包括空气制冷循环系统与数据采集系统，空气制冷循环系统包括了空气压缩机、换热器、增压透平膨胀机、低温箱等设备，数据采集系统包括：温度、压力、流量和转速等参数的采集、存储与实时显示等。下图给出了空气制冷循环试验台的流程示意图。

图7  空气制冷循环试验台流程图

（C101-主压缩机；W101-换热器1；F101-过滤器；W102-换热器2；E101-回热器；C-T102-增压式透平膨胀机；D101-低温箱）

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

注：带*表示在设计工况下的值。

欢迎有空气制冷相关需求的生产企业业主、科研院所等用户来电详询。您的满意，是航烨人砥砺前行的不竭动力！