段 煬 張 華 盛 健 余鑫泉 楊其國(guó)

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093）

空氣制冷技術(shù)最早出現(xiàn)在19世紀(jì)中期，因循環(huán)效率較低發(fā)展長(zhǎng)期停滯[1]。近年來(lái)，由于《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》的施行，以及“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，空氣以無(wú)毒、不可燃、低壓、易獲得、臭氧損耗潛值（ozone depletion potential，ODP）和全球變暖潛值（Global Warming Potential, GWP）均為零等特點(diǎn)，成為理想的環(huán)保制冷劑[2]。隨著機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展和熱回收技術(shù)的應(yīng)用，空氣制冷技術(shù)涉及的主要部件得到優(yōu)化，如透平膨脹機(jī)、壓縮機(jī)等。目前，空氣制冷系統(tǒng)性能得到提高，當(dāng)制冷溫度低于-80 ℃時(shí)，恒壓回?zé)崾娇諝庋h(huán)制冷機(jī)的COP甚至高于復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷機(jī)。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已對(duì)空氣制冷技術(shù)有所研究，應(yīng)用涵蓋日常生產(chǎn)到軍事科學(xué)幾乎所有制冷領(lǐng)域。我國(guó)的空氣制冷技術(shù)起步稍晚，但在一些特殊領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)、礦井制冷[3-4]和列車空調(diào)[5]等。因此，深入研究空氣制冷技術(shù)，提高系統(tǒng)性能，拓寬應(yīng)用范圍，對(duì)我國(guó)空氣制冷技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 空氣制冷循環(huán)原理

采用逆布雷頓循環(huán)的空氣制冷系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包含兩個(gè)等熵過(guò)程和兩個(gè)等壓過(guò)程，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)主要部件，即壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、冷卻器和制冷換熱器?？諝饨?jīng)壓縮機(jī)壓縮至高溫高壓狀態(tài)（1-2），后經(jīng)冷卻器冷卻（2-3），再經(jīng)膨脹機(jī)膨脹至低溫狀態(tài)（3-4），最后通過(guò)制冷換熱器對(duì)制冷區(qū)域吸熱（4-1）（或直接通入制冷區(qū)域）?？諝庵评涫怯型夤敵龅呐蛎涍^(guò)程，高壓氣體經(jīng)等熵膨脹變?yōu)榈蜏貧怏w，溫降較大。

圖1 采用逆布雷頓循環(huán)的空氣制冷系統(tǒng)Fig.1 Air refrigeration system with reverse Brayton cycle

由于實(shí)際應(yīng)用中壓縮、膨脹過(guò)程是非絕熱過(guò)程，流動(dòng)存在阻力，傳熱存在溫差，實(shí)際工質(zhì)空氣含水分以及應(yīng)用場(chǎng)合不同等，所以實(shí)際系統(tǒng)更為復(fù)雜。

單級(jí)無(wú)回?zé)岬膶?shí)際系統(tǒng)性能如下：

氣體溫降ΔT（K）：

（1）

單位壓縮功ωc,s（J/mol）、膨脹功ωe,s（J/mol）、制冷性能系數(shù)COPs：

（2）

（3）

（4）

COPs=f（T1,T3,π,ηc,ηe）

（5）

式中：T為溫度，K，下標(biāo)1、3、4對(duì)應(yīng)圖1中的循環(huán)過(guò)程；π為壓比；m為多變指數(shù)；k為絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)，J/（mol·K）；ηc為壓縮機(jī)絕熱效率；ηe為膨脹機(jī)絕熱效率。

2 空氣制冷循環(huán)技術(shù)

2.1 回?zé)峒夹g(shù)

回?zé)峒夹g(shù)可分為無(wú)回?zé)帷⒁患?jí)回?zé)岷投?jí)回?zé)?種，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，但性能逐步提高。

2.1.1 無(wú)回?zé)?/p>

圖1所示為無(wú)回?zé)峥諝庵评溲h(huán)。系統(tǒng)制冷量和COP均較低，常在空氣制冷循環(huán)流程或部件優(yōu)化的研究中作為對(duì)照，曾在舊款飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖2所示為渦輪通風(fēng)式制冷循環(huán)，僅需膨脹機(jī)、換熱設(shè)備及風(fēng)道等，屬于開(kāi)式無(wú)回?zé)峥諝庵评溲h(huán)。系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)引氣作為高壓氣源，機(jī)外沖壓空氣作為冷卻介質(zhì)，膨脹機(jī)回收功用于風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)沖壓空氣。低壓分水器收集水噴淋至換熱器，提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣的降溫效果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠，應(yīng)用于歐美早期戰(zhàn)斗機(jī)F101和F5E、轟炸機(jī)B52和B57，蘇聯(lián)各式飛機(jī)[6]以及我國(guó)早期軍用飛機(jī)殲-6和殲-7等[7]。

圖2 渦輪通風(fēng)式制冷循環(huán)（低壓除水）Fig.2 Turbo-ventilated refrigeration cycle（low pressure dehumidification）

圖3所示為三輪升壓式制冷循環(huán)。在渦輪通風(fēng)式制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上增加壓氣機(jī)和主換熱器，提高了壓比，獲得更低溫度、更高制冷量和COP；改善了飛機(jī)海平面飛行及低速飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣壓力較低、沖壓空氣流量較低導(dǎo)致制冷效率低的缺點(diǎn)。但仍存在回收功較少、壓比較小等問(wèn)題。應(yīng)用于A330、A340、MD-95、B737-600/700等型號(hào)飛機(jī)[8]。

圖3 三輪升壓式制冷循環(huán)（低壓除水）Fig.3 Three-wheel booster refrigeration cycle（low pressure dehumidification）

2.1.2 一級(jí)回?zé)?/p>

圖4所示為一級(jí)回?zé)峥諝庵评溲h(huán)。制冷區(qū)域排氣先經(jīng)過(guò)回?zé)崞魃郎兀?-2），再進(jìn)入壓縮機(jī)；壓縮機(jī)排氣依次經(jīng)冷卻器和回?zé)崞骼鋮s（3-4-5），再進(jìn)入膨脹機(jī)。相比無(wú)回?zé)?，一?jí)回?zé)崂弥评鋮^(qū)域出口低溫空氣冷卻膨脹機(jī)進(jìn)口高溫空氣，使膨脹機(jī)出口空氣溫度更低，系統(tǒng)制冷量和COP大幅提升。

圖4 一級(jí)回?zé)峥諝庵评溲h(huán)Fig.4 First-stage regenerative air refrigeration cycle

圖5所示為二輪升壓式制冷循環(huán)，該循環(huán)是典型的一級(jí)回?zé)峥諝庵评溲h(huán)。由于無(wú)聯(lián)軸風(fēng)扇，循環(huán)壓比較高，能獲得較高制冷量和COP，但在地面候機(jī)時(shí)，需配備地面電動(dòng)風(fēng)扇或氣動(dòng)風(fēng)扇來(lái)提供沖壓空氣，應(yīng)用于B727、B737經(jīng)典款、戰(zhàn)斗機(jī)F14和幻影2000、轟炸機(jī)B1等。

圖5 二輪升壓式制冷循環(huán)（低壓除水）Fig.5 Two-wheel booster refrigeration cycle（low pressure dehumidification）

圖6 三輪升壓-再生式制冷循環(huán)（低壓除水）Fig.6 Three-wheel booster regenerative refrigeration cycle （low pressure dehumidification）

圖6所示為三輪升壓-再生式制冷循環(huán)，采用一級(jí)回?zé)?，膨脹機(jī)出口部分低溫空氣回收用于冷卻膨脹機(jī)進(jìn)口空氣，然后直接排出機(jī)外，剩余空氣通入機(jī)艙；回收空氣的流量可根據(jù)主換熱器出口空氣溫度調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)是機(jī)艙獲得的干冷空氣變少。一般用于超音速飛機(jī)環(huán)境控制，改善了沖壓空氣溫度較高、高空空氣稀薄等導(dǎo)致的冷卻效果不足的問(wèn)題。

國(guó)外冷凍冷藏行業(yè)已有一級(jí)回?zé)峥諝庵评浼夹g(shù)的應(yīng)用。圖7所示為日本前川制作所研制的PascalAir系列空氣制冷循環(huán)，應(yīng)用于新改建的SF級(jí)超低溫冷庫(kù)，與改建前的R22/R23復(fù)疊制冷系統(tǒng)相比，COP提高22%，能耗降低1/3[9]。

圖7 PascalAir空氣制冷循環(huán)Fig.7 PascalAir air refrigeration cycle

圖8所示為我國(guó)列車空調(diào)中的一級(jí)回?zé)峥諝庵评溲h(huán)[5]。膨脹機(jī)出口低溫空氣經(jīng)水分離器處理后直接通入車廂，車廂排氣通過(guò)回?zé)崞骼鋮s壓縮機(jī)出口高溫高壓氣體。該系統(tǒng)COP約為1.0～1.2。

圖8 列車空調(diào)中的一級(jí)回?zé)峥諝庵评溲h(huán)Fig.8 First-stage regenerative air refrigeration cycle in train air-conditioning

2.1.3 二級(jí)回?zé)?/p>

圖9所示為二級(jí)回?zé)峥諝庵评溲h(huán)。環(huán)境空氣先經(jīng)回?zé)崞?預(yù)冷（1-2），再進(jìn)入壓縮機(jī)；壓縮機(jī)排氣依次經(jīng)過(guò)冷卻器和回?zé)崞?冷卻（4-5-6），再進(jìn)入膨脹機(jī)；制冷區(qū)域排氣依次經(jīng)過(guò)回?zé)崞?和2排入環(huán)境（8-9-10）。相比一級(jí)回?zé)?，系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性更高。

圖9 二級(jí)回?zé)峥諝庵评溲h(huán)Fig.9 Two-stage regenerative air refrigeration cycle

圖10 二輪升壓式制冷循環(huán)（高壓除水）Fig.10 Two-wheel booster refrigeration cycle （high pressure dehumidification）

圖11 三輪升壓式制冷循環(huán)（高壓除水）Fig.11 Three-wheel booster refrigeration cycle（high pressure dehumidification）

圖10、圖11所示分別為二輪升壓式和三輪升壓式制冷循環(huán)，均采用二級(jí)回?zé)?。在膨脹機(jī)上游設(shè)置高壓分水器，提高系統(tǒng)循環(huán)的除濕效果；在高壓分水器后設(shè)置回?zé)崞?，汽化未分離的冷凝水，防止膨脹機(jī)損壞。二輪升壓式制冷循環(huán)應(yīng)用于殲-10戰(zhàn)斗機(jī)；三輪升壓式制冷循環(huán)應(yīng)用于B757、B767、Fokker F-100、Tupoley 240、A320和A340等民航客機(jī)以及F15戰(zhàn)斗機(jī)[10-11]。

使用回?zé)崞骱统凉裱b置，提高了空氣制冷系統(tǒng)的效率和可靠性。郭曉輝等[12-14]分析了無(wú)回?zé)?、一?jí)回?zé)岷投?jí)回?zé)岬目諝庵评湎到y(tǒng)。結(jié)果表明，在系統(tǒng)性能上，相比于無(wú)回?zé)?，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為200 kPa時(shí)，一級(jí)回?zé)岷投?jí)回?zé)嶂评淞糠謩e提升約41%、44%，COP分別提升約44%、48%；在除濕性能上，相比于無(wú)回?zé)?，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為170 kPa時(shí)，一級(jí)回?zé)岷投?jí)回?zé)徇M(jìn)口含濕量分別降低約9%、36%。綜上所述，一級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)性能顯著提高，二級(jí)回?zé)徇M(jìn)口含濕量顯著降低。

2.2 雙級(jí)壓縮

單級(jí)壓縮空氣制冷循環(huán)獲得低溫的程度有限，主要受單級(jí)壓比和排氣溫度制約。由于空氣的絕熱指數(shù)較大，實(shí)際壓縮過(guò)程非等熵壓縮。采用雙級(jí)壓縮中間冷卻可克服單級(jí)系統(tǒng)的限制，獲得較低制冷溫度和較高制冷效率。

圖12所示為雙級(jí)壓縮中間冷卻空氣制冷循環(huán)。兩次壓縮過(guò)程可整體看作近似等溫過(guò)程，有效降低壓縮機(jī)排氣溫度，提高輸氣系數(shù)，減小壓縮機(jī)功耗，整個(gè)系統(tǒng)制冷效率更高。相同工況下，雙級(jí)壓縮中間冷卻空氣制冷循環(huán)比單級(jí)壓縮空氣制冷循環(huán)COP高0.1以上[15]。

圖12 雙級(jí)壓縮中間冷卻空氣制冷循環(huán)Fig.12 Two-stage compression intercooling air refrigeration cycle

圖13 ICE列車空調(diào)的雙級(jí)壓縮空氣制冷循環(huán)Fig.13 Two-stage compression air refrigeration cycle in ICE air-conditioning

雙級(jí)壓縮空氣制冷循環(huán)最初因成本和技術(shù)限制以無(wú)中間冷卻器的形式應(yīng)用于德國(guó)高速列車 （inter city express，ICE），如圖13所示。后來(lái)逐漸發(fā)展為有中間冷卻的系統(tǒng)[16]，該系統(tǒng)冷量為20 kW時(shí)，COP為0.89；冷量為30 kW時(shí)，COP為0.64。相比無(wú)中間冷卻系統(tǒng)ICE，有中間冷卻系統(tǒng)ICE的每節(jié)車廂設(shè)備減重約500 kg，且維護(hù)費(fèi)用更低。缺點(diǎn)是氣-氣換熱器效率較低，壓縮機(jī)運(yùn)行噪聲較大。

S. W. T. Spence等[17-18]研究了列車車廂空調(diào)的開(kāi)式正升壓雙級(jí)壓縮空氣制冷系統(tǒng)，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，比同等蒸氣壓縮循環(huán)機(jī)組功率高7%，在某些負(fù)荷運(yùn)行時(shí)低35%。需要正確設(shè)計(jì)及優(yōu)化渦輪機(jī)械和換熱器。

圖14所示為A. M. Foster等[19]介紹的一種應(yīng)用于食品加工的閉式雙級(jí)壓縮空氣循環(huán)。借鑒了飛機(jī)環(huán)控中的增壓透平膨脹機(jī)，設(shè)置并聯(lián)壓縮機(jī)分流主壓縮機(jī)排氣，解決了壓縮機(jī)和膨脹機(jī)體積流量不匹配的問(wèn)題。壓縮機(jī)出口熱空氣用于加熱，最高可達(dá)234 ℃；膨脹機(jī)出口冷空氣用于制冷，最低可達(dá)-140 ℃，制冷COP約為0.37。

圖14 閉式雙級(jí)壓縮空氣循環(huán)Fig.14 Closed two-stage compressed air circulation

圖15 四輪升壓制冷循環(huán)（高壓除水）Fig.15 Four-wheel booster refrigeration cycle （high pressure dehumidification）

2.3 雙級(jí)膨脹

圖15所示為飛機(jī)環(huán)控中的四輪升壓制冷循環(huán)，該循環(huán)采用雙級(jí)膨脹實(shí)現(xiàn)降溫除濕。一級(jí)膨脹機(jī)出口溫度應(yīng)大于0 ℃，防止冷凝器熱側(cè)水蒸氣結(jié)冰；二級(jí)膨脹機(jī)出口溫度可低于0 ℃，因此能得到更低的送風(fēng)溫度，單位制冷量更大。該技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)民航客機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)，如B777、MD12和A380等[20]。

四輪升壓制冷系統(tǒng)的4個(gè)高速旋轉(zhuǎn)部件同軸安裝，設(shè)計(jì)制造難度較大。楊涵等[21]提出一種分體式四輪升壓制冷循環(huán)系統(tǒng)，如圖16所示。兩個(gè)獨(dú)立兩輪式組件代替四輪同軸結(jié)構(gòu)，一級(jí)渦輪與壓氣機(jī)同軸，二級(jí)渦輪與風(fēng)扇同軸?？山档同F(xiàn)役先進(jìn)民航客機(jī)四輪升壓制冷循環(huán)系統(tǒng)的制造難度。原理樣機(jī)經(jīng)測(cè)試最大制冷量可達(dá)12 kW，COP約為0.21～1.15。

圖16 分體式四輪升壓制冷循環(huán)Fig.16 Split four-wheel booster refrigeration cycle

2.4 蒸氣壓縮循環(huán)和逆布雷頓循環(huán)級(jí)聯(lián)

圖17所示為N. Giannetti等[22]介紹的一種結(jié)合了蒸氣壓縮循環(huán)和逆布雷頓循環(huán)的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。蒸氣壓縮循環(huán)制冷劑為氨，逆布雷頓循環(huán)制冷劑為空氣，系統(tǒng)右側(cè)的蒸氣壓縮系統(tǒng)有兩個(gè)蒸發(fā)器，蒸發(fā)器1制冷裝卸碼頭，蒸發(fā)器2為耦合逆布雷頓循環(huán)的冷卻器。該系統(tǒng)能滿足低溫冷藏空間和中溫裝載平臺(tái)的綜合需求。在-50 ℃的冷藏溫度下，比普通逆布雷頓空氣制冷循環(huán)COP高50%。

圖17 混合蒸氣壓縮/逆布雷頓級(jí)聯(lián)系統(tǒng)Fig.17 Hybrid vapour compression/reverse Brayton cascade system

2.5 正壓和負(fù)壓空氣制冷循環(huán)

正壓空氣制冷循環(huán)內(nèi)工質(zhì)空氣的壓力大于環(huán)境大氣壓，負(fù)壓空氣制冷循環(huán)相反。一般情況下，正壓系統(tǒng)中壓縮機(jī)進(jìn)口空氣狀態(tài)與系統(tǒng)周圍環(huán)境空氣狀態(tài)相同[23]。負(fù)壓系統(tǒng)中膨脹機(jī)進(jìn)口空氣狀態(tài)與環(huán)境空氣狀態(tài)相同。

逆升壓回冷式制冷循環(huán)，即負(fù)壓回冷式制冷循環(huán)如圖18所示。該循環(huán)無(wú)需發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，直接利用飛機(jī)飛行速度產(chǎn)生的沖壓空氣作為制冷氣源，無(wú)需與飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)相連，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、無(wú)需消耗機(jī)載電源等優(yōu)勢(shì)[24]，在機(jī)載吊艙環(huán)控領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[25-26]。缺點(diǎn)是在低速飛行時(shí)沖壓空氣動(dòng)力不足，若使用動(dòng)力渦輪同軸布置提供額外壓縮功，會(huì)與四輪升壓制冷系統(tǒng)同軸布置面臨相同的問(wèn)題，即設(shè)計(jì)制造難度較大。

圖18 逆升壓回冷式制冷循環(huán)Fig.18 Reverse booster regenerative refrigeration cycle

圖19所示為張振迎等[27-28]基于負(fù)壓空氣制冷循環(huán)提出的一種適用于青藏鐵路的增壓制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用車廂內(nèi)外壓差，全熱換熱器回收膨脹機(jī)出口空氣冷量，設(shè)置增壓送風(fēng)機(jī)提供全新風(fēng)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)受環(huán)境大氣壓、溫度影響較大，對(duì)列車強(qiáng)度要求較高。

圖19 逆升壓空氣循環(huán)增壓制冷系統(tǒng)Fig.19 Reverse boost air cycle supercharged refrigeration system

2.6 閉式和開(kāi)式空氣制冷循環(huán)

閉式空氣制冷循環(huán)中工質(zhì)空氣不與外界直接接觸，在高低溫側(cè)各有一個(gè)換熱器，膨脹機(jī)出口低溫空氣通過(guò)換熱器吸熱；壓縮機(jī)排氣通過(guò)冷卻器向環(huán)境散熱。系統(tǒng)性能受環(huán)境影響較小，但換熱器有熱損失，風(fēng)機(jī)功耗增加，系統(tǒng)效率較低。

開(kāi)式空氣制冷循環(huán)可不設(shè)置換熱器，避免了相關(guān)的熱損失，系統(tǒng)性能有所提升。但冷熱環(huán)境（濕度、灰塵等）對(duì)系統(tǒng)整體影響較大。

2.7 混合工質(zhì)技術(shù)

混合工質(zhì)由空氣和相變成分構(gòu)成，由于水具有安全、易得、環(huán)保、易霧化和汽化潛熱大等特點(diǎn)，因此相變成分多采用水。一般在壓縮機(jī)入口或級(jí)間噴入水霧，水霧蒸發(fā)可以增強(qiáng)換熱效果，同時(shí)減小壓縮功。

李豪等[29]介紹了一種混合工質(zhì)的逆布雷頓制冷循環(huán)，空氣壓縮和膨脹的過(guò)程因水的相變而得到改善，制冷量和性能得到提高。E. H. Betelmal等[30]利用IPSEpro軟件研究了濕式壓縮機(jī)的熱力學(xué)模型，與干式壓縮機(jī)相比，濕式壓縮機(jī)出口溫度降低12%，壓縮功減少11%。圖20所示為劉帥領(lǐng)等[31]建立的帶噴水的空氣制冷理想循環(huán)模型，對(duì)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)進(jìn)口的空氣噴水至過(guò)飽和狀態(tài)。在一定范圍內(nèi)，膨脹機(jī)入口噴水量增加，系統(tǒng)膨脹功、制冷量和COP均有所提高。

圖20 帶噴水的空氣制冷循環(huán)Fig.20 Air refrigeration cycle with water spray

噴水混合系統(tǒng)的噴水量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致葉輪機(jī)械腐蝕，也會(huì)影響潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果，甚至?xí)鹨簱粼斐蓹C(jī)器的損壞；噴水霧化程度不好，則會(huì)影響水霧的蒸發(fā)速度。因此，混合工質(zhì)技術(shù)對(duì)噴水量的控制和噴嘴的要求較高。此外，水在0 ℃時(shí)結(jié)冰，限制了該系統(tǒng)在低溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

相變物質(zhì)與空氣非直接接觸也能一定程度上改善空氣制冷循環(huán)的性能。Hou Shaobo等[32-33]提出了一種采用濕空氣再生的開(kāi)式逆布雷頓循環(huán)，該循環(huán)應(yīng)用高效渦輪機(jī)械，利用空氣的顯熱和水蒸氣的潛熱來(lái)制冷比傳統(tǒng)的空氣制冷更有效，降低成本的同時(shí)能深度冷卻至-55 ℃。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵部件

在空氣制冷循環(huán)中，系統(tǒng)制冷量和COP是轉(zhuǎn)動(dòng)部件效率、熱側(cè)和冷側(cè)換熱器效率及其他部件效率的強(qiáng)函數(shù)[34]。關(guān)于各部件效率對(duì)系統(tǒng)效率影響的研究，為系統(tǒng)優(yōu)化指明了方向。

3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)部件（膨脹機(jī)和壓縮機(jī)）

轉(zhuǎn)動(dòng)部件效率對(duì)系統(tǒng)性能影響最大。透平膨脹機(jī)性能決定了系統(tǒng)降溫速度、制冷量和所能達(dá)到的最低溫度[35]。在系統(tǒng)處于高效率區(qū)時(shí)，系統(tǒng)制冷量對(duì)膨脹機(jī)效率更為敏感，而在系統(tǒng)處于低效率區(qū)時(shí)，壓縮機(jī)效率對(duì)制冷量影響更大[36-37]。提高膨脹機(jī)效率是提升系統(tǒng)最優(yōu)性能的關(guān)鍵，一般通過(guò)軸承優(yōu)化、膨脹機(jī)特性比優(yōu)化等方法。

膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子需要具備高轉(zhuǎn)速和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，軸承的選用是關(guān)鍵。在高速支承的特點(diǎn)下，選用幾乎無(wú)摩擦、無(wú)污染、無(wú)磨損且能適用于高溫、低溫環(huán)境的氣體軸承或電磁軸承更優(yōu)。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，氣體軸承絕對(duì)功耗和相對(duì)耗氣量減小，軸承的經(jīng)濟(jì)性越好，更適用于高轉(zhuǎn)速下的膨脹機(jī)[38]。

電磁軸承和氣體軸承也存在缺點(diǎn)。電磁軸承線圈產(chǎn)生功耗發(fā)熱會(huì)影響系統(tǒng)制冷效果（尤其是低溫制冷機(jī)）；氣體軸承在低速階段摩擦較大、相對(duì)油軸承承載能力較小、穩(wěn)定性較差。磁氣混合軸承，在轉(zhuǎn)子啟動(dòng)、停止和低速階段，電磁軸承支承主要載荷；在轉(zhuǎn)速達(dá)到氣浮轉(zhuǎn)速時(shí)，氣體軸承支承主要載荷，克服了兩者的缺點(diǎn)[39]。

特性比是葉輪出口處圓周速度u1與膨脹機(jī)等熵理想速度cs之比，對(duì)膨脹機(jī)效率影響較大。楊山舉等[35]指出膨脹機(jī)進(jìn)出口條件不變，特性比增大說(shuō)明制動(dòng)功率不足，可通過(guò)增大或降低制動(dòng)壓力來(lái)保持降溫過(guò)程中膨脹機(jī)處于最佳特性比附近，從而保持較高效率。此外，在保證良好機(jī)械性能前提下，調(diào)整葉頂間隙，減小泄漏損失，可提高透平膨脹機(jī)的等熵效率[40]。

3.2 換熱器

3.3 除濕裝置

在空氣制冷循環(huán)中，空氣中游離態(tài)的水分吸熱、放熱或結(jié)冰均會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。有必要在空氣制冷系統(tǒng)中設(shè)置除濕裝置，一般有低壓分水器、高壓分水器、吸附式除濕和膜除濕裝置。

低壓、高壓分水器在飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中較為常見(jiàn)，以空氣除濕的位置來(lái)區(qū)分：低壓分水器設(shè)置在膨脹機(jī)出口，空氣經(jīng)膨脹后溫度降至相應(yīng)壓力下的露點(diǎn)，部分水蒸氣冷凝被低壓分水器收集。高壓分水器設(shè)置在冷凝器之后、膨脹機(jī)之前，從壓縮機(jī)排出的高壓空氣經(jīng)冷凝器冷卻，冷凝水由高壓分水器收集。低壓分水器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)可靠，但要求膨脹機(jī)出口溫度大于0 ℃；高壓分水器除水效率高，可達(dá)98%，能有效提高系統(tǒng)制冷量[42]。將分水器收集的冷凝水噴淋至預(yù)冷器使其再蒸發(fā)，能夠提升換熱效果。

在空氣制冷循環(huán)中，利用壓縮機(jī)出口高溫空氣加熱再生氣流再生吸濕劑[43-44]，如圖21所示。

圖21 干燥劑輔助的逆布雷頓制冷循環(huán)Fig.21 Desiccant-assisted reverse Brayton refrigeration cycle

4 總結(jié)與展望

逆布雷頓循環(huán)空氣制冷系統(tǒng)在飛機(jī)環(huán)境控制、食品超低溫冷庫(kù)、列車空調(diào)和空氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，本文總結(jié)了近年來(lái)相關(guān)理論研究和實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)回?zé)?、雙級(jí)壓縮、雙級(jí)膨脹等系統(tǒng)流程上的改進(jìn)提高系統(tǒng)效率。但系統(tǒng)流程上的改進(jìn)一般會(huì)使系統(tǒng)更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度更高。通過(guò)對(duì)各個(gè)部件的改進(jìn)來(lái)提高系統(tǒng)效率，轉(zhuǎn)動(dòng)部件效率對(duì)系統(tǒng)性能影響最大，透平膨脹機(jī)的性能決定了系統(tǒng)降溫速度、制冷量和所能達(dá)到的最低溫度。逆布雷頓空氣制冷技術(shù)及其應(yīng)用正不斷擴(kuò)展，仍需要在系統(tǒng)優(yōu)化、高效轉(zhuǎn)動(dòng)部件、一體化壓縮-膨脹機(jī)、高效緊湊氣/氣換熱器和除濕裝置、空氣混合相變物質(zhì)和空氣熱泵等技術(shù)上不斷研究。