空氣制冷機的研究和發(fā)展

郭憲民 徐澤鵬 趙 碩 徐瀚洲

(天津商業(yè)大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

空氣制冷循環(huán)又稱逆布雷頓循環(huán)(revers Brayton cycle)，其基本原理是基于壓縮氣體絕熱膨脹并對外做功，從而獲得低溫氣流實現(xiàn)制冷，由于最初的應用及大多數(shù)情況下是以空氣為工質，所以一般稱之為空氣制冷機或空氣循環(huán)制冷機?？諝庋h(huán)實現(xiàn)制冷的原理與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)不同，二者最大差別在于空氣制冷循環(huán)中制冷劑不發(fā)生相變，利用空氣與被冷卻對象間的顯熱交換來制取冷量。

空氣制冷循環(huán)是歷史上最先被人類利用的制冷方法，早在1834年，由J. Herschel首先提出了空氣制冷循環(huán)的構想，并在1844年由J. Gorrie制造出第一臺空氣循環(huán)制冷機，而直至1875年蒸氣壓縮式制冷機才開始被廣泛使用。由于受理論、技術、制造工藝水平及循環(huán)方式和自身特性的限制，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)低于蒸氣壓縮式循環(huán)，因此在很長一段時間僅在飛機空調系統(tǒng)、低溫氣體液化等領域得到應用，而在商用制冷空調領域的應用和發(fā)展遇到了瓶頸。

20世紀90年代以后，臭氧層破壞和全球氣候變暖成為世界各國所面臨的主要環(huán)境問題，特別在2016年多國通過新的基加利修正案后，18種受限的HFCs類制冷劑也進入淘汰倒計時，開始了新的一輪更替[1]。在眾多替代制冷劑中，空氣對環(huán)境和人員絕對安全，可以自由地從環(huán)境中獲取或向環(huán)境排放，是目前唯一無需采用封閉循環(huán)的流體制冷劑。同時，空氣制冷機的實際使用流程較為靈活，對不同的使用目的和要求可以采用多種循環(huán)流程，適應性較強，制冷量及用冷溫度容易調節(jié)；對系統(tǒng)中制冷劑密封的要求較低，系統(tǒng)維護性較好。因此，以空氣作為工質的空氣循環(huán)制冷技術重新引起人們的關注。近幾十年來，隨著空氣制冷理論的發(fā)展及空氣軸承透平膨脹機(渦輪冷卻器)、高效緊湊式熱交換器的發(fā)展，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的性能顯著提高[2]，在-80～-50 ℃制冷溫度范圍內，定壓回熱空氣制冷機與復疊式蒸氣壓縮制冷機的COP相差較??；當制取-80 ℃以下低溫時，前者COP高于后者，而系統(tǒng)流程和設備卻簡單很多，并在很寬的冷卻負荷和低溫運行工況范圍內具有優(yōu)良的性能[3-4]。

本文主要對應用于普冷領域的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的研發(fā)和應用進行總結，并對其關鍵技術的發(fā)展應用進行分析。

1 循環(huán)基本型式及特性

1.1 循環(huán)基本型式

如前所述，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)是利用壓縮空氣絕熱膨脹實現(xiàn)制冷，由于在普冷溫區(qū)空氣的節(jié)流冷效應非常低，因此采用降壓制冷必須用膨脹機代替節(jié)流閥?？諝庋h(huán)制冷基本系統(tǒng)如圖1所示，空氣首先在壓氣機中壓縮升壓，高壓高溫氣體在熱端換熱器中冷卻后進入膨脹機降壓降溫，低溫氣流在冷端換熱器中吸熱獲得制冷量，升溫后的低壓空氣進入壓氣機，完成一個循環(huán)。其理論循環(huán)由等熵壓縮、等壓吸熱、等熵膨脹及等壓吸熱4個基本過程組成，而實際應用中空氣壓縮及膨脹過程伴隨著不可逆損失，因此其壓縮及膨脹均為多變過程。

根據(jù)系統(tǒng)中制冷劑空氣循環(huán)方式可將空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)分為閉式循環(huán)(Closed)、半開式循環(huán)(Semi-Open)及開式循環(huán)(Full-Open)系統(tǒng)。對于閉式系統(tǒng)，作為制冷劑的空氣在系統(tǒng)內循環(huán)，吸熱及放熱過程通過間壁式換熱器進行；而開式或半開式系統(tǒng)在熱沉或冷端吸入環(huán)境空氣作為制冷劑，經(jīng)制冷循環(huán)后排入環(huán)境。同時，根據(jù)系統(tǒng)中是否采用回熱，即是否用冷端排氣冷卻膨脹機進氣，又可分為回熱循環(huán)(Regenerated)和非回熱循環(huán)系統(tǒng)，基本系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 閉式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)原理

半開式循環(huán)系統(tǒng)中取消了冷端或熱端換熱器，主要有兩種形式：1)系統(tǒng)中不設置冷端換熱器，冷空氣直接進入被冷卻空間(冷室)，而壓縮機自冷室吸氣，即循環(huán)空氣的開口在冷室，稱為升壓式系統(tǒng)或高壓系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖2所示；2)系統(tǒng)中不設置熱端換熱器，環(huán)境空氣直接進入膨脹機，而壓氣機直接排入大氣，即循環(huán)空氣的開口在大氣，利用冷端換熱器獲得制冷量，稱為逆升壓式系統(tǒng)或低壓系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖3所示。升壓式開式循環(huán)系統(tǒng)壓縮機從環(huán)境吸氣，冷室向大氣排氣，可通過設置換熱器回收冷室排氣冷量；逆升壓開式循環(huán)系統(tǒng)中取消了冷端換熱器，而膨脹機進氣設置在冷室內，系統(tǒng)如圖4所示。

圖2 半開式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)原理

圖4 開式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)原理

1.2 基本循環(huán)特性

閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是其內工質空氣與環(huán)境空氣不混合，因此系統(tǒng)工作壓力與環(huán)境壓力是獨立的，可以通過控制系統(tǒng)壓力，進而控制系統(tǒng)流量來控制制冷量。由于系統(tǒng)壓力高，故循環(huán)比功率較大，各種損失對系統(tǒng)性能的影響較小。同時，閉式系統(tǒng)傳熱效率高，也可改善其效率，更重要的是使用閉式系統(tǒng)可有效避免空氣含水引起的一系列問題。閉式循環(huán)系統(tǒng)的缺點在于系統(tǒng)增加了高溫或低溫換熱器，并由此引起系統(tǒng)復雜性、成本及與換熱器相關的損失增加，包括換熱器結霜/除霜、風機功耗等。如使用其他氣體(CO2、N2、H2等)作為工質的氣體制冷機必須采用閉式循環(huán)方式。

對于開式/半開式循環(huán)系統(tǒng)，大氣中的水蒸氣會隨之進入系統(tǒng)，水蒸氣在膨脹機內或其后的凝結會釋放潛熱，從而減小膨脹機溫降。因此，對于濕工況而言，需增加壓縮機的壓比以達到與干工況相同的用冷溫度，造成系統(tǒng)效率下降。如膨脹機出口溫度低于0 ℃，將在換熱器表面，甚至是膨脹機內部出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，給機組的安全運行帶來隱患。

N. Giannetti等[5]的分析表明，對于開式空氣循環(huán)空調系統(tǒng)，逆升壓式系統(tǒng)的COP高于正升壓式系統(tǒng)，原因是對于特定的制冷負荷，通過高溫換熱器釋放的熱量包括冷負荷、功耗及系統(tǒng)各種不可逆損失，逆升壓系統(tǒng)省略系統(tǒng)中負荷較大的換熱器，這在理論上是有利的。但對于換熱器效率非常高的情況(0.95)，逆升壓式系統(tǒng)的COP與正升壓式系統(tǒng)相差較小。另一方面，對于低溫空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，冷負荷端換熱器引起的不可逆損失是不容忽視的，甚至是主要矛盾，其中包括：1)除霜，不僅消耗能量，還將熱量引入冷凍間；2)逆升壓式系統(tǒng)冷負荷端壓力低，空氣密度小，因此需要更大的換熱器，壓力損失增大；3)冷負荷端風扇功耗，增加的冷負荷甚至可達壓縮機功耗的25%；4)逆升壓式系統(tǒng)工質空氣含濕量較大。

在系統(tǒng)中加入回熱器可降低膨脹機進口溫度至低于熱沉溫度，而壓縮機進口溫度高于冷室排氣溫度。圖5所示為有回熱與無回熱空氣制冷循環(huán)在T-s圖上的對比?？芍谙嗤睦鋮s溫度Tk、用冷溫度T0及制冷量條件下，系統(tǒng)中加入回熱器可使壓縮機的壓比大幅降低。理論分析表明，對于理論循環(huán)，忽略壓氣機、膨脹機、管路及換熱器壓降等不可逆損失，有無回熱對空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)COP沒有影響。實際循環(huán)中存在各種不可逆損失，壓氣機壓比的增大將使壓氣機及膨脹機內的不可逆損失增大，這不利于系統(tǒng)COP。對于給定的環(huán)境溫度，制冷溫度決定了空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)壓縮機所需的最小壓比，因此，對于低溫空氣制冷系統(tǒng)，回熱可以改善系統(tǒng)性能、拓寬應用條件，特別是壓氣機壓比的減小，使離心壓氣機應用于低溫空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)成為可能，大幅減輕了系統(tǒng)重量。Zhang Yue等[6]的模擬結果表明，在最佳回熱區(qū)內回熱不僅使系統(tǒng)制冷量大幅增加，同時還降低了壓比，即降低了制造難度和系統(tǒng)成本。郭憲民等[7-8]在低溫空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中增加二級回熱器及水分離器，對三種回熱流程的空氣制冷系統(tǒng)性能進行實驗研究，結果表明，與無回熱流程相比，系統(tǒng)制冷量和制冷性能系數(shù)分別增加47%和41%，渦輪進口含濕量下降約36%。

圖5 空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)T-s圖

由于空氣的絕熱指數(shù)較高，因此采用多級壓縮/膨脹可以減少壓縮機總功耗及膨脹機不可逆損失[9]，從而提高制冷系統(tǒng)的性能。當然，該循環(huán)是以增加壓縮機、膨脹機及換熱器為代價的。

2 系統(tǒng)性能分析及實驗研究

國內外學者對空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)的性能進行了大量研究。西安交通大學1995年建立首臺使用氣體軸承膨脹機的空氣制冷機實驗臺，對空氣制冷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能及其影響因素進行分析，并對計算結果進行實驗驗證[2-3,10-12]。研究結果表明，使用高速空氣動壓軸承的膨脹機及緊湊式換熱器的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)最低溫度可達-120 ℃以下，渦輪轉速在25×104r/min可穩(wěn)定工作，膨脹機效率達60%；理論模型對空氣制冷機性能預測在設計工況及非設計工況下均較為合理，為系統(tǒng)性能優(yōu)化奠定了基礎。近期王喆鋒等[13]搭建了新的開式逆增壓循環(huán)空氣制冷系統(tǒng)實驗臺，核心部件為高速電機驅動的空氣動力軸承渦輪冷卻器，為研究空氣制冷技術在新風空調領域的應用提供了實驗方法。西北農林科技大學郝杰等[14]搭建了低溫空氣制冷機性能實驗臺，透平膨脹機采用箔片軸承支承，轉速可達27.8×104r/min，等熵效率達65.5%。初步實驗研究表明，該空氣制冷機具有優(yōu)良的熱力性能和降溫特性，為后續(xù)相關研究奠定了基礎。張春路[15]推導出最優(yōu)壓比公式，分析了不同運行工況下的循環(huán)性能，發(fā)現(xiàn)膨脹機效率對系統(tǒng)最優(yōu)性能的影響最大。

3 系統(tǒng)關鍵部件的研究

空氣制冷系統(tǒng)的組成非常簡單，關鍵部件為透平膨脹機、壓氣機及熱交換器。實際應用中膨脹機一般采用速度型(軸流式、向心式及徑-軸流式)，而負載則選用離心壓氣機或風扇。近幾十年來，隨著空氣透平膨脹機、壓氣機的設計制造技術的發(fā)展以及空氣軸承、高效緊湊式熱交換器的應用，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的性能顯著提高[2]。

3.1 渦輪冷卻器

對于空氣制冷系統(tǒng)而言，速度型膨脹機(也稱之為渦輪)的輸出功率用來驅動共軸風扇或離心壓氣機，構成渦輪-風扇或渦輪-壓氣機組件，稱為渦輪冷卻器或渦輪制冷器。渦輪冷卻器是空氣制冷系統(tǒng)中設計制造最難、對系統(tǒng)性能影響最大的高速運動部件，其效率和可靠性直接決定了系統(tǒng)的性能及安全運行。因此，國內外研究者針對提高渦輪效率、可靠性、減輕部件重量等進行了深入的理論及實驗研究。楊山舉等[21]采用CFX數(shù)值模擬透平膨脹機內部流動，研究制動風扇匹配特性對制冷性能的影響及調節(jié)風扇進口壓力匹配方案的可行性。I. Roumeliotis等[22]應用熱力學平衡法對膨脹機中水汽凝結現(xiàn)象以及對其出口溫度及性能的影響進行預測和優(yōu)化，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比，結果表明，膨脹機中水汽凝結可引起其出口參數(shù)的顯著變化。Niu Lu等[23]建立了一種數(shù)學方法來預測透平膨脹機的非設計工況性能，分析壓比、進口溫度及轉速對其性能的影響，預測結果與實驗數(shù)據(jù)一致性較好。Ke Changlei等[24]對不同設計條件及冷卻條件(進口壓力及制動功率)下高速混流式向心渦輪進行一系列數(shù)值模擬，以達到這些工況下的匹配通流能力，與實驗結果的對比表明，該方法可以較好地預測低溫渦輪的性能。

對于渦輪冷卻器的優(yōu)化一般針對其設計工況，但對于非設計工況，優(yōu)化效果難以保證。Song Peng等[25]提出一種多設計點優(yōu)化設計方法，在渦輪進口壓力、進口溫度及轉速構成的3D空間選擇多個設計點，以保證優(yōu)化后的渦輪在寬轉速范圍內具有較高的性能。用該方法優(yōu)化設計后的透平膨脹機比原機性能有較大提高。

對于渦輪-風扇式組件，膨脹機與風扇共軸工作，二者性能匹配簡單，易于控制，但渦輪輸出功率未得到有效利用；而使用渦輪-壓氣機組件可用渦輪輸出功率提高其進口壓力，進一步降低渦輪出口溫度，增大組件的制冷量，從而提高總體效率。由于膨脹機-壓氣機共軸工作，其流量、轉速、功率存在耦合關系，因此其總體效率取決于二者的匹配。Yang Shanju等[26]用CFX模擬向心渦輪和離心壓氣機的性能，并經(jīng)實驗驗證；在此基礎上建立膨脹過程與壓縮過程的自動耦合模型，模擬渦輪冷卻器的性能，并在不同壓氣機進口壓力及渦輪進口溫度條件下進行實驗，驗證了渦輪冷卻器的耦合性能，證明該耦合模型可以有效預測渦輪冷卻器的性能。Yang Yu等[27]研發(fā)了飛行器逆升壓環(huán)控系統(tǒng)，渦輪冷卻器采用膨脹渦輪、動力渦輪和壓氣機共軸工作的三輪方案，其耦合性能比傳統(tǒng)的兩輪渦輪冷卻器更復雜。作者采用與文獻[26]類似的方法建立三輪渦輪冷卻器耦合模型，并將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，結果表明二者吻合良好，耦合模型可以精確描述耦合參數(shù)間的相互作用，可用于進行三輪系統(tǒng)的性能預測和優(yōu)化設計。

提高透平膨脹機非設計工況下效率的有效方法是采用調節(jié)噴嘴進口角度。S. M. Ebrahimi Saryazdi等[28]將透平膨脹機平均流線設計模型應用于調節(jié)進口導葉角度，以提高天然氣減壓站透平膨脹機非設計工況下的效率，與定進口導葉角度透平相比，應用可調進口導葉可將非設計工況下透平膨脹機效率提高60%。A. J. Feneley等[29]綜述了目前商用或公開開發(fā)的應用于透平膨脹機及離心壓縮機的可變幾何參數(shù)渦輪增壓器技術。雖然渦輪冷卻器與其用途不同，但二者結構相似，工作原理相同，具有參考價值。

空氣軸承結構簡單、轉速高，在較大的溫度范圍內工作可靠，特別是空氣動壓軸承，無需外供壓縮空氣，大幅簡化了系統(tǒng)，并可實現(xiàn)無油運行，大幅減輕設備重量，改善系統(tǒng)性能。國外在20世紀80年代已成功應用于飛機環(huán)境控制系統(tǒng)，國內西安交通大學低溫空氣制冷課題組對應用空氣動壓軸承的渦輪制冷器及空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)進行了系列研究，先后研發(fā)出多種形式的空氣動壓軸承，渦輪轉速可達25萬r/min以上，渦輪出口溫度達到-150～-120 ℃[2,30-31]，并對空氣動壓軸承的穩(wěn)定性進行了理論和實驗研究[32]，為高速渦輪制冷器的發(fā)展奠定了基礎。

3.2 換熱器

空氣制冷系統(tǒng)中工質沒有相變，且空氣定壓比熱容較小，循環(huán)流量較大，因此多采用緊湊式換熱器。板翅式換熱器是最常用的換熱器型式，是由隔板間放置翅片構成流體通道經(jīng)釬焊而成，翅片形式有矩形/三角形平直翅片、錯列鋸齒形翅片、波紋翅片、百葉窗式翅片及開孔翅片等, 板翅式換熱器及錯列鋸齒形翅片示意圖如圖6所示。板翅式換熱器結構緊湊、傳熱效率高、重量輕、耐壓強度高，經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，其設計、制造技術已經(jīng)較為成熟，各種形式的翅片換熱和阻力特性實驗數(shù)據(jù)較為完備，特別是早期美國斯坦福大學的W. M. Kays和A. L. London提出多種緊湊式翅片傳熱表面形式，實驗研究了各種板翅式換熱器傳熱表面的基本換熱和流動阻力特性，總結出40多種翅片形狀的板翅式換熱器翅片的傳熱性能和阻力特性關聯(lián)式。他們的研究匯集成著名的CompactHeatExchangers[33]一書，目前該書已成為研究和設計板翅式換熱器的經(jīng)典參考資料。

圖6 板翅式換熱器及錯列鋸齒形翅片示意圖

涉及板翅式換熱器的研究主要針對傳熱效率、分析模型及優(yōu)化等。采用數(shù)值模擬的方法可以預測板翅式換熱器內部的流動及換熱特性，為換熱器的設計與性能改進研究提供理論指導。李斐然等[34]采用CFD模擬方法研究板翅式換熱器在大溫差換熱條件下的溫度場和流量分配特性，并對其進行驗證分析。課題組[35]進一步用多目標進化算法解決航空換熱器的多目標結構耦合優(yōu)化設計問題，以重量和效率為目標對板翅式換熱器結構參數(shù)進行優(yōu)化，結果表明，優(yōu)化后的換熱器在效率不減的情況下重量減輕20%。張帥等[36]利用基于基因遺傳算法的優(yōu)化方法對換熱器結構及翅片進行多目標優(yōu)化，結果表明，多目標優(yōu)化的結果更具針對性。Wen Jian等[37]同樣用基因遺傳算法研究翅片設計參數(shù)對板翅式換熱器性能的影響，優(yōu)化了錯列翅片幾何尺寸及通道進口雷諾數(shù)，結果表明，在效率相同的情況下，優(yōu)化后的換熱器年成本減少約10%。Wang Zhe等[38]改進多目標布谷算法用于板翅式換熱器的設計，目標函數(shù)中包括傳熱及流動阻力引起的不可逆效應，計算結果表明，該方法尋優(yōu)更快，比單目標尋優(yōu)精度更高。

廣州大學Zhou G.等[39]為解決現(xiàn)有板翅式換熱器模型中需要詳細的翅片幾何參數(shù)的問題，建立了一套模型及方法，根據(jù)板翅式換熱器的一個已知工況點的傳熱及阻力特性估算其他任意工況點的傳熱及阻力特性，而無需換熱器的詳細幾何參數(shù)，極大方便了板翅式換熱器的選型計算。近期N. Kedam等[40]發(fā)展了錯列鋸齒形及波紋形翅片板翅式換熱器j因子及f因子的關聯(lián)式，模型中考慮了翅片的幾何參數(shù)及雷諾數(shù)的影響。在雷諾數(shù)為120～10 000(包括層流和紊流)范圍內，錯列鋸齒形及波紋形翅片板翅式換熱器的j因子關聯(lián)式最大均方根誤差分別為15%和2%，f因子關聯(lián)式的最大均方根誤差分別為17%和3%。該模型對于錯列鋸齒形及波紋形翅片板翅式換熱器的計算精度高于現(xiàn)有模型。

提高板翅式換熱器的另一個研究方向是改善氣流在換熱器內各通道的均勻分配，可以通過加裝導流片、改進封頭形狀或通道布局[41-42]來實現(xiàn)。

3.3 除濕技術

對于開式或半開式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，制冷工質與環(huán)境空氣相通，循環(huán)空氣中的水蒸氣會在系統(tǒng)中溫度較低處冷凝，該方面造成凝結放熱使渦輪出口溫度升高，降低系統(tǒng)COP，另一方面當溫度低于0 ℃時會造成低溫換熱器及渦輪通道內的結冰，尤其是在渦輪內結冰會影響其安全工作，因此需要采取措施來控制系統(tǒng)的含濕量。C. E. L. Nbrega等[43]研究表明，空氣含濕量是限制系統(tǒng)最大壓比或渦輪出口最低溫度的決定因素，對于相對濕度Φ>30%的工況，渦輪最低出口溫度大于0 ℃。

（1）實驗以芥酸、N,N-二甲基丙二胺和氯乙酸鈉為主要原料合成了兩性表面活性劑芥酸酰胺丙基甜菜堿，通過結構表征確定分子結構。

趙碩[44]采用在空氣制冷速凍系統(tǒng)中增加換熱器和水分離器，用系統(tǒng)排氣冷卻進口高壓空氣至露點以下，并通過水分離器將冷凝水分離排出。實驗結果表明，渦輪進口空氣含濕量顯著降低，系統(tǒng)除濕效率約為30%；同時，增加回熱器提高了系統(tǒng)制冷量，并改善了系統(tǒng)COP。Hou Shaobo等[45]用冷室排氣通過冷卻塔冷卻渦輪進口高壓空氣并分離凝結水，結果顯示，系統(tǒng)可獲得-55 ℃的冷空氣，且系統(tǒng)COP受渦輪進口溫度影響較大。S. S. Elsayed等[46-47]提出一種采用轉輪除濕技術的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，利用壓氣機的余熱來對干燥劑進行再生，研究表明系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)帶有回熱盤管的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)。K. Hwang等[48]在S. S. Elsayed等的基礎上將蒸發(fā)冷卻加入到轉輪除濕空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中，提出一種新型復合空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，除濕轉輪可以利用散熱器排出的廢熱，回收一部分壓縮功，提高系統(tǒng)效率；模擬和實驗結果表明，系統(tǒng)COP是常規(guī)空氣制冷系統(tǒng)的2倍。C. E. L. Nbrega等[43,49]利用干燥劑降低空氣制冷循環(huán)進口空氣濕度，并利用其余熱進行干燥劑再生。數(shù)學模擬結果表明，加入干燥劑輔助循環(huán)后允許系統(tǒng)有較高的壓縮比，并可使渦輪進口溫度下降超過10 ℃，與常規(guī)逆布雷頓循環(huán)相比COP提高20%。

近些年隨著材料科技的發(fā)展，膜除濕技術迅速得到應用。袁衛(wèi)星等[50]將高壓空氣膜組件用于飛機環(huán)境控制系統(tǒng)中濕度的控制。仿真研究發(fā)現(xiàn)，雖然分配一部分高壓氣體給膜除濕器進行掃氣，但獲得更大的冷卻能力，系統(tǒng)整體性能提高。郭曉輝等[51-52]對采用膜除濕器的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)除濕性能及膜除濕器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響進行了系列研究，實驗結果表明，與分子篩除濕的空氣制冷系統(tǒng)相比，膜除濕系統(tǒng)的水蒸氣冷凝量和功耗比分子篩除濕系統(tǒng)分別減少約51%和20%，而COP提高約22%。

4 系統(tǒng)應用研究

在理論研究的基礎上，國內外學者對空氣制冷系統(tǒng)實際應用進行了深入探討。目前，國內外對空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)的應用研究由飛機環(huán)境控制系統(tǒng)、低溫環(huán)境實驗裝置等擴展至空調、熱泵、食品冷凍冷藏等應用領域，并在儲能等新技術領域得到應用。

4.1 飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)

飛機環(huán)境控制系統(tǒng)用于控制座(客)艙及電子設備艙內溫濕度及壓力，目前大多數(shù)軍用及商用飛機環(huán)控系統(tǒng)(environment control system，ECS)均采用空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，是應用最多的一個領域，這主要得益于空氣制冷系統(tǒng)重量輕、安全可靠及可維護性好等優(yōu)勢，同時，飛機上具有可方便利用的發(fā)動機引氣高壓氣源及沖壓空氣冷卻氣源，可以大大簡化系統(tǒng)。近年來隨著電子設備冷卻負荷的急劇增大及飛行馬赫數(shù)的提高，蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)在電子設備冷卻中逐漸得到應用。

由于座艙增壓的需要，飛機環(huán)境控制系統(tǒng)一般選用開式或半開式逆布雷頓循環(huán)，其在飛機空調系統(tǒng)的應用已有60余年，從最初的渦輪風扇式(低壓除水)系統(tǒng)逐步發(fā)展至二輪升壓式高壓除水系統(tǒng)、三輪升壓式系統(tǒng)及四輪升壓式系統(tǒng)，盛健等[53]對各種飛機環(huán)境控制系統(tǒng)的形式及特點進行了全面綜述，可供進一步參考。

隨著飛機多電技術的發(fā)展，飛機環(huán)境控制系統(tǒng)采用電驅動壓氣機作為氣源，替代原有的發(fā)動機引氣，同時采用電動沖壓空氣風扇替代原有的氣動式風扇。該系統(tǒng)的氣源溫度和壓力較低，對設計的要求和造價均有所降低，取消發(fā)動機引氣提高了飛機的整體效率[57]。Jiang Hongsheng等[58]采用Short-cut優(yōu)化法對傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)及電動環(huán)控系統(tǒng)性能進行了優(yōu)化分析，目標函數(shù)為燃油代償損失。分析結果表明，電動環(huán)控系統(tǒng)最佳燃油代償損失比傳統(tǒng)系統(tǒng)小。Yang Han等[59]基于B787 電動環(huán)控系統(tǒng)提出一種新的架構，從機艙排氣回收能量對新鮮空氣進行預增壓。通過分析對比，該方案與B787 相比可節(jié)省輸入功率，降低對發(fā)動機功率的需求。

對傳統(tǒng)的渦輪冷卻器的分析表明，若對其額外輸入能量，則可降低入口壓力，并增大組件的制冷量。高速電機重量輕，結構簡單，且可很好地匹配渦輪冷卻器組件的高轉速特性，可用于驅動傳統(tǒng)渦輪冷卻器。肖曉勁等[61-62]介紹了各種采用高速電機驅動的渦輪冷卻器方案，并對逆升壓式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)進行分析。目前隨著高速電機技術的發(fā)展和進步，高速電機驅動的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)組件在多電飛機及商用空氣制冷裝置中逐漸得到了應用[57]。

4.2 空調與熱泵

空氣調節(jié)系統(tǒng)所需制冷溫度較高，與蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)相比，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)性能系數(shù)較低，要將空氣制冷技術應用到普通空調領域，必須考慮提高系統(tǒng)性能。由英國Normalair Garrett Limited公司設計生產(chǎn)的高速鐵路列車空調系統(tǒng)采用半開式雙級壓縮升壓空氣制冷系統(tǒng)[20]。A. J. White[63]將逆布雷頓空氣制冷循環(huán)應用于房間空調系統(tǒng)，對有無回熱空氣制冷循環(huán)的性能進行對比分析，結果表明，提高換熱器效率可以顯著改善系統(tǒng)性能。Wang Xiaoxin等[64]將高壓除水空氣制冷循環(huán)應用于列車空調系統(tǒng)，并將循環(huán)產(chǎn)生的冷凝水噴灑至熱交換器，利用水蒸發(fā)提高換熱器效率，從而提高系統(tǒng)性能。針對青藏鐵路的缺氧問題，Zhang Zhenying等[65]提出一種全新風逆升壓空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的性能進行分析，結果表明，渦輪冷卻器的絕熱效率對循環(huán)性能影響較大，其中開式負壓循環(huán)是三種系統(tǒng)中最適合列車空調的空氣制冷系統(tǒng)。

空氣熱泵系統(tǒng)是空氣制冷系統(tǒng)另一個有潛力的應用領域。Zhang Chunlu等[66-67]將不同工況下逆布雷頓熱泵系統(tǒng)模擬性能與CO2熱泵系統(tǒng)及R410A熱泵系統(tǒng)性能進行對比，主要結果如圖7所示。由圖7可知，雖然空氣熱泵系統(tǒng)的COP總體上低于CO2熱泵及R410A熱泵，但其隨室外環(huán)境溫度的下降很小，更重要的是制熱量隨室外環(huán)境溫度的下降而增大，這對熱泵系統(tǒng)的配置及高效工作都非常有利。然后他們對空氣熱泵熱水系統(tǒng)性能進模擬[68]，對儲熱和即熱模式下空氣源熱泵性能進行了模擬分析。

圖7 不同熱源溫度下的COP及制熱量對比[67]

Li Shuangshuang等[69-70]建立了空氣循環(huán)熱泵系統(tǒng)的熱力學模型，并用渦輪增壓器代替渦輪冷卻器進行實驗研究。將其應用于純電動汽車空調，并與PTC(positive temperature coefficient)加熱方式和蒸氣壓縮熱泵進行對比，發(fā)現(xiàn)空氣循環(huán)熱泵系統(tǒng)比PTC加熱方式節(jié)能23%，而與蒸氣壓縮式熱泵相比空氣循環(huán)熱泵系統(tǒng)功耗高約13%，但其使用溫度范圍更寬。實驗研究表明，當環(huán)境溫度降低時，制熱量增加，而COP變化較小，表明該系統(tǒng)在環(huán)境溫度變化較大的場合能穩(wěn)定工作。

提高空氣制冷循環(huán)熱泵空調系統(tǒng)性能的另一個有效方法是采用冷、熱或冷、熱、電聯(lián)供，可以有效提高能量利用率[71-73]。

4.3 食品冷凍冷藏

空氣制冷機可以達到-100 ℃以下，在較低的制冷溫度范圍內性能優(yōu)良，與食品的速凍和冷藏工藝對溫度的要求較為契合，因此在食品速凍、冷凍冷藏及冷藏運輸?shù)刃袠I(yè)得到了應用，國內外學者對該領域進行了大量研究。A. Biglia等[74]設計了一種閉式逆布雷頓循環(huán)低溫食品冷凍系統(tǒng)，性能分析表明，熱力循環(huán)的性能取決于系統(tǒng)的壓力水平、換熱器的溫差及蓄熱式換熱器的效率。N. Giannetti等[75]提出一種復疊式冷庫制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)低溫級采用帶回熱器的半開式逆布雷頓系統(tǒng)，負責冷凍間制冷負荷，高溫級采用雙蒸發(fā)器蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)，一臺蒸發(fā)器負責月臺冷負荷，另一臺蒸發(fā)器與空氣制冷系統(tǒng)耦合，冷卻壓氣機后高壓空氣。模擬結果表明，在庫溫為-50 ℃條件下該系統(tǒng)的COP比單級空氣制冷系統(tǒng)高50%。A. M. Foster等[76]提出一種可同時為食品冷凍提供冷量和食品加熱提供熱量的空氣循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供的制冷溫度最低為-140 ℃，加熱溫度最高為234 ℃，與液氮制冷和復疊式制冷等低溫制冷技術相比，空氣循環(huán)制冷在凍結過程的能源效率方面極具競爭力。

在-100～-50 ℃溫度區(qū)間空氣制冷系統(tǒng)已有產(chǎn)品進入商業(yè)應用。美國空氣產(chǎn)品化工公司和特羅蒙德過程系統(tǒng)公司聯(lián)合研發(fā)的閉式空氣制冷系統(tǒng)制冷溫度范圍為-101～-56.7 ℃，COP高達0.75。日本前川制作所[77]研發(fā)了Pascal Air系列機組，采用高速電機驅動的渦輪制冷器，大量應用于-80～-50 ℃的SF級超低溫冷庫。采用該機組改造R22/R23復疊系統(tǒng)，COP提高約20%，年能耗降低30%。

空氣制冷系統(tǒng)的另一個應用領域為冷藏運輸，S. W. T. Spence等[78-79]設計了用于冷藏車的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)，并對系統(tǒng)性能進行分析及實驗研究。結果表明，在 -20 ℃滿負荷狀態(tài)下空氣制冷系統(tǒng)燃料消耗約為蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的3倍，但在部分負荷工況，空氣制冷系統(tǒng)降至滿負荷時的43%，而蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)降至原來的73%。他們對該系統(tǒng)的優(yōu)化分析表明，在部分負荷工況下空氣制冷系統(tǒng)的最優(yōu)COP高于蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)。

4.4 儲能技術

近年來風能、太陽能等可再生能源快速發(fā)展，但其固有的間歇性和不穩(wěn)定性成為必須解決的關鍵問題；同時，常規(guī)電力系統(tǒng)削峰填谷、提高區(qū)域能源系統(tǒng)效率及安全性的要求均成為儲能技術研究的巨大推動力。熱泵儲能技術有望實現(xiàn)GW·h級大規(guī)模電量儲存，其中基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲能系統(tǒng)效率高、能量密度高，最有發(fā)展前景。Zhang Han等[80-82]對圖8所示的基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)性能進行了分析模擬。該系統(tǒng)儲能過程是通過逆向布雷頓循環(huán)實現(xiàn)電-熱/冷轉化：電能驅動壓縮機將常壓氣體壓至高溫、高壓狀態(tài)流入高溫儲熱器，與其中的固體顆粒儲熱材料進行熱交換，將熱能存儲至其中，然后常溫、高壓的氣體工質進入透平膨脹機膨脹至低溫常壓狀態(tài)流入低溫儲熱器，將冷能存儲起來。釋電過程通過正向布雷頓循環(huán)實現(xiàn)熱/冷-電轉化：通過壓縮機將低溫常壓的氣體工質壓縮至常溫、高壓狀態(tài)，隨后氣體工質流入高溫儲熱器吸收高溫熱能，然后進入透平膨脹機膨脹帶動發(fā)電機發(fā)電。同時，該系統(tǒng)還可實現(xiàn)冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)。

BV緩沖罐;CR儲冷器;HR儲熱器; HX熱交換器;TES熱能儲存；C壓縮機；E膨脹機。

楊鶴等[83]針對熱泵儲能系統(tǒng)使用固態(tài)儲能材料產(chǎn)生的問題，對液態(tài)介質熱泵儲能系統(tǒng)進行性能分析與優(yōu)化研究，其系統(tǒng)圖及T-s圖如圖9所示，其中布雷頓循環(huán)介質為氮氣，高溫儲能介質為熔融鹽，低溫儲冷介質為碳氫制冷劑。

圖9 液態(tài)介質熱泵儲能系統(tǒng)[83]

王亞林等[84]將壓縮空氣儲能系統(tǒng)與逆布雷頓空氣制冷系統(tǒng)結合形成一種新型低溫制冷系統(tǒng)，討論該系統(tǒng)的組成形式和運行方式，計算了其運行性能，并與常規(guī)空氣制冷系統(tǒng)和蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)進行對比。N. Giannetti等[85]提出一種將逆布雷頓空氣制冷系統(tǒng)與壓縮空氣儲能的組合系統(tǒng)，如圖10所示，可以實現(xiàn)壓縮空氣儲能/發(fā)電及制冷功能。

C,C1壓縮機；E膨脹機；LD月臺；RS冷庫；R回熱；CAES壓縮空氣儲罐。

5 結論與展望

1)空氣制冷系統(tǒng)采用空氣作為載冷劑，具有獨特的環(huán)保優(yōu)勢。隨著對制冷劑環(huán)保性的要求越來越高，以及可持續(xù)能源應用的快速發(fā)展，空氣制冷系統(tǒng)在儲能等新的技術領域應用前景廣闊，得到了前所未有的發(fā)展機遇。

2)隨著渦輪機械、高效換熱器及高速電機等核心部件設計制造技術的進步，如渦輪、壓氣機等透平機械CFD模擬及葉輪3D加工技術、空氣軸承/磁懸浮軸承及高速電機技術的發(fā)展，空氣制冷系統(tǒng)結構更加緊湊。新的空氣循環(huán)系統(tǒng)(如三輪、四輪及多電空氣壓縮式環(huán)控系統(tǒng))的應用大幅降低了飛機環(huán)控系統(tǒng)的代償損失。同時，空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)在列車空調、冷凍/冷藏運輸領域也得到越來越廣泛的應用。

3)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)在-100～-50 ℃溫度范圍內性能優(yōu)良，其系統(tǒng)COP高于傳統(tǒng)復疊式制冷系統(tǒng)，且制冷速度快，系統(tǒng)裝置結構簡單、可靠性高，維護和維修費用較低，因此在食品速凍和冷凍冷藏領域具有顯著優(yōu)勢，目前已有空氣制冷機組在冷凍冷藏領域實現(xiàn)了商業(yè)運行。

4)對空氣環(huán)境熱泵系統(tǒng)效率-負荷特性的研究表明，空氣熱泵系統(tǒng)是空氣制冷系統(tǒng)另一個有潛力的應用領域。

近幾十年來，隨著對空氣制冷系統(tǒng)的深入研究，關鍵部件設計制造技術取得了巨大進步，系統(tǒng)性能大幅提高，在空調、熱泵、冷凍冷藏及儲能領域的應用逐步擴大；但在制冷溫度較高的應用中，空氣制冷系統(tǒng)較低的COP仍嚴重限制其發(fā)展應用。因此，今后空氣制冷系統(tǒng)發(fā)展的總體目標依然是提高整體性能，特別是較高溫度下的系統(tǒng)性能，為空氣制冷系統(tǒng)在更廣泛的領域應用打下堅實的技術基礎。需要從以下幾方面開展研究工作：

1)高效透平機械的設計、制造，包括高壓比離心壓氣機及高效透平膨脹機三維流場模擬/優(yōu)化設計/加工技術等；

2)渦輪冷卻器及系統(tǒng)性能耦合優(yōu)化與控制技術；

3)新型高效緊湊式換熱器的設計及加工技術；

4)空氣熱泵及冷熱能綜合利用系統(tǒng)的開發(fā)與研究。同時，進一步提高系統(tǒng)工作可靠性，降低機組體積及重量等也是今后需解決的問題，需要在空氣的干燥與凈化、氣體潤滑軸承或磁懸浮軸承、高速電機等一系列技術上取得更大進展，才能為空氣制冷系統(tǒng)的應用開辟更廣闊的前景。