空气制冷机及其发展

1、空气制冷机及其应用举例杜亮（热能093班 20091168）摘 要 空气制冷机在空调领域的性能系数CO尸仅是蒸气压缩式循环的1/21/3，这意味着系统能耗偏大，排出较多CO:温室气体。但其在低温冷冻冷藏领域有一定优势，又因空气制冷剂无毒、不燃、低压，OD尸和GWP都为零，对环境友好。但是其制冷效率有待进一步提高，且需不断对其进行改良和提高，进而在各领域得到广泛应用。关键词 空气制冷机；逆布雷顿(Brayton)循环；逆埃里克森(Eriosson)循环1 引言近年来，随着CFC制冷剂的被替代，HCFC制冷剂的将要被限制、替代以及HFC制冷剂的温室效应，世界各地的制冷空调行业正在开发研究天然制冷剂

2、，如NH3(R717)，CO:(R744)，HC(R290，R600及R600a等)，水(R718)及空气(R729)等。以空气为制冷剂的制冷机，无论从保护臭氧层或者从延缓全球气候变暖来说，都是理想的制冷机。但是，空气的临界温度非常低(一140.75)，在空气调节和冷冻冷藏温度领域内空气制冷机没有相变，只能利用显热。故单位体积制冷量小(一50/+30时，空气焙差仅为R22的1八0左右，在一50时，空气密度为1.584kg/m，而R22密度为1435.6kg/m，)，体积流量特别大，性能系数偏低。空气制冷机在空调领域的性能系数CO尸仅是蒸气压缩式循环的1/21/3，这意味着系统能耗偏大，且排出较

3、多CO:温室气体。但其在低温冷冻冷藏领域有一定优势，又因空气制冷剂无毒、不燃、低压，OD尸和GWP都为零，对环境友好，在一些特殊领域得到了应用。（制冷与空调2008年12月第8卷第6期 任金禄空气制冷机）2 基本原理空气制冷机采用逆布雷顿(Brayton)循环和逆埃里克森(Eriosson)循环。布雷顿循环和埃里克森循环的流程和温嫡图及压熔图分别示于图1和图2。2.1布雷顿循环由图1可以看出，布雷顿循环由高压换热器、低压换热器、压缩机和膨胀机组成。在理想条件下，该循环由2个定压过程和2个等嫡过程组成。状态4的工质流经低压换热器，被定压加热升温至状态1，随后进人压缩机被等嫡压缩至状态2，压力和温

4、度均升高，再通过高压换热器被定压冷却至状态3，接着进人膨胀机等嫡膨胀至原状态4，完成整个循环。2.2埃里克森循环由图2可以看出，埃里克森循环主要由第1和第2冷却器(分别为中压和高压换热器)、低压换热器(图中未示出)、第1和第2压缩机及膨胀机组成。由于在第1压缩机后增设了第1冷却器，所以使得总的压缩功降低，循环性能系数提高。上述2个循环中均设有回收膨胀功的压缩一膨胀机组。为了提高循环性能系数，在低温低压回流气体与进膨胀机前的高压中温气体之间设置换热器，使其进行热交换，然后再分别进入膨胀机和压缩机，结果将使压缩机功耗减少、膨胀机出口气体温度降低(总的压缩比亦降低)，从而可以大大提高循环的性能系数。

5、图1布雷顿循环流程、温摘图及压焓图 图2埃里克森循环流程、温嫡图及压烙图3 应用3.1列车空调用空气制冷机欧洲高速铁路城际快车(ICE)空调采用空气制冷机，图3为ICE空气循环流程。该流程虽采用了两级压缩，但因未设级间第1冷却换热器，所以是典型的布雷顿循环。该系统于1992年由NormalairGarrett，DB(德国铁路)和HagenukFaireleyGmbH&Co.共同研发制造，于1995年实车试验结束，随后投人使用。该机组售价60000德国马克(是原来氟机组的1.5倍)。从负载侧返回的空气(约0.3MPa)被电机驱动的第1压缩机吸人，压缩至0.45MPa排出，接着再由与膨胀机

6、同轴的第2压缩机升压至0.6MPa左右，经室外空气热交换器向外散热后进人膨胀机，膨胀降压至0.3MPa，温度降至。，进人负载热交换器(低压换热器)，冷却列车车厢内的空气，然后继续循环。表1和表2分别为ICE机组规格和客车规格。图4所示为ICE空气制冷机外形图，该图给出了机组主要组件。压力维持风机是为了减小各部件和管道尺寸，使该系统低压侧维持在0.3MPa，但由于制冷剂为空气，各部件连接采用简便的卡箍连接，因此可能有微量空气泄漏，故而在第1压缩机人口配以数十瓦小风机，以维持整个系统的压力。电机直联离心式压缩机(电机和压缩机作成一体)采用直流DC670V高速变速磁阻电机，转速为26000r/min

7、，该机不需增速齿轮，成本和体积得到控制。供室外空气热交换器用的放热器风机，流量为6200m3/h。第2压缩机亦离心式与膨胀机同轴，转速为30Ooor/min，膨胀功用以驱动第2压缩机，均采用与第1压缩机相同的免维修轻型滚动轴承，压缩机绝热效率为82%，膨胀机绝热效率为89%。供负载热交换器用的供冷风机，风量为2800m3/h。电加热器供冬季采暖用。利用埃里克森循环并采用回热器(第1和第2冷却热交换器空气和外气间温差为5，回热器温差为7)，若车厢温度为25，改变空气制机吹进车厢的空气温度时，CO尸变化情况如图5所示，CO尸最大值为1.36。为了简化系统不用回热器，则CO尸最大值为1.25。由于尺

8、寸的限制(与原机组相同)，实际循环中没有采用第1冷却热交换器和回热器，大大缩小了体积。因而，在夏季平均负荷20kw时CO尸为0.87，而在一年中最大负荷31kw时，COP仅0.66。该机组的第1压缩机和第2压缩机转速高，其声音如同喷气发动机，为了降噪，采用50mm厚的特殊隔声材料全部包覆这些机组才达到ICE的要求。3.2低温用空气循环制冷机2003年12月和2004年7月美国Earthship公司相继推出AIRS5o一30(一30)和AIRS50一60(一”。C)2种型号的低温用空气制冷机，其工作流程为埃里克森循环并使用回热器(图2(a)。2台机组制冷量均为17.6kw(5Rt)，AIRS5o

9、一30机组外形尺寸为2.2mX2mxZm(五xwxH)。工作循环如下，常温、大气压空气(30，0.1MPa(绝对)经第1压缩机压缩后(0.14MPa，65)，在第1冷却器(水冷)中降温(0.14MPa，40)，然后经第2压缩机压缩(0.18MPa，70C)，再在第2冷却器中降温(0.18MPa，40)，最后经回热器与从冷库返回的低温空气热交换被再次降温(0.18MPa，一20)，进人膨胀机绝热膨胀后得到低压低温空气(0.1MPa，一55)，至冷库吹出降温，冷库温度一30。为了防止低温低压空气水分凝结成冰而吹进冷库，在进人冷库前的管道上设有除冰器(相当于过滤器)。当除冰器随着收集冰的增多，膨胀机

10、的排压升高而影响膨胀比，使得系统刀尸降低(排压增加5kPa，仪护降低巧写;排压增加2()kPa，义)P降低25%)。因此在循环上设置2处旁通管阀(如图2(a)中旁通管1和2)。高温高压空气(7O)经旁通管1进入膨胀机降压降温至30，由此空气进行融冰。旁通管2可使这股空气不进人冷库，故融冰不影响冷库内的温度。图6表示空气制冷机与蒸气压缩式制冷机(R404A，水冷螺杆双级和空冷涡旋单级)的系统CO尸随冷库内温度的变化比较。空气制冷机是冷空气直接吹人冷库而不需要冷风机组。但蒸气压缩式制冷机冷库需要冷风机组，这就存在风机电动机损失(约8%)，冷风机融霜损失(约21%)以及为保证压缩机安全工作(防止液击

11、而过热)而存在温度式膨胀阀流量调节损失(约13%)。由图知，空气制冷机与空冷单级机比较时，冷库温度一17时系统仪护相等，而与水冷双级机比较时，在一30C时系统以尸相等。以上表明，在冷库温度低于一20，制冷量小于50kw的冷冻冷藏范围内，虽然空气制冷机的仪护低于蒸气压缩式制冷机，但是空气循环系统的以万还是优越的。美国EarthshiP公司曾于19(拜年在德国纽伦堡国际制冷展上展出1台空气制冷机(一30，35kw)。该机采用布雷顿循环(有回热器)，其循环流程如图7(图中示意制冰系统)，图8所示为其主要构造图。该机采用单级压缩机、电动机和膨胀机同轴构造，并采用变频器调速。3.3 飞机空调用空气制冷机

12、民用大型客机在12000m左右巡航时，机外气压仅为20kPa，温度为一56，空调系统应满足如下要求:每人换气量在0.25kg/min以上;CO浓度按容积应小于1/20000;CO:体积分数应小于0.5%;舱室温度应在规定值以下;舱内臭氧浓度根据飞行高度有不同要求，975om以上时按容积应小于().25ppm(lppm=10一“)，823om以上时应小于o.lppm;飞行时舱内压力通常相当于海拔2400m以下的气压，异常情况时相当于海拔7600m的气压不得超过Zmin，无论时间多长都不允许超过海拔12Zoom时的气压情况。同时还要求空调系统可靠性好，且小型量轻。目前民用大型客机空调系统全部采用空

13、气制冷机，该系统原理类似于埃里克森循环，但是是开式循环，即制冷剂空气不形成封闭循环。图9和图10分别是目前民用大型客机大多使用的低压水分离(lowpessurewaterseparato:，LPws)和高压水分离(highpessurewatersepal二tor，HPWS)空调系统。这2种系统均采用相同的三旋转空气循环机组(3wheelaireyelemaehin。:)外气增压风机、压缩机和膨胀机。空调空气由高压高温空气经预冷、两次冷却生成低压低温空气后，由少量高温空气调节其温度，接着再混合部分舱室回气送入客舱。图9中LPWS空调系统的流程如下:由发动机主压缩机处引出部分高温高压的压缩空气(

14、压力275345kPa，温度200左右)，首先在发动机附近的预冷却器处进行预冷却，接着进人空调系统的一次热交换器由外气冷却为高压中温空气，在空气制冷机的压缩机中进一步被压缩，并在二次热交换器再度冷却，随后在膨胀机绝热膨胀至低压低温空气。该空气内的凝结水在水分离器内被去除后，旁通加人绕过机组的高压高温空气，再与舱室部分回气在混合室混合后送人客舱。冷却一次和二次热交换器的外气是由机组的外气增压风机引人的。在膨胀机出口温度低于O时，低压低温空气中的凝结水容易结冰并堵塞水分离器，这时水分离器内设置的旁通阀打开，而未经分离器的空气供人混合室。这样，客舱空调出口易有水滴喷出，且极易引起送风管和飞机机体的腐

15、蚀。为了避免该情况的发生，通常引人绕过膨胀机的中温空气，防止进入水分离器的低温低压空气低于O。近年来，随着飞机机内热负荷的增大，LPWS空调系统就必须增加主压缩机的空气引出流量，这势必增加发动机的载荷和油耗。采用图10所示的HPWS空调系统，与LPWS空调系统的不同处为，空气被压缩后，以高温高压状态在冷凝器中被膨胀机出口的低温低压空气先冷却，凝结出水并在分离器内分离(高压状态)，然后进人膨胀机绝热膨胀，这时低温低压空气的温度就可以降至0以下。在不增加主压缩机空气引出流量的情况下，大大提高冷却能力。由于燃油费的持续走高和货运量的下降，民用大型客机降低运输成本的呼声日增。发动机的设计日趋完善，但空

16、调系统从发动机的主压缩机抽出空气，将使主发动机的燃料消耗率大大恶化。因此，近期空调系统采用电驱动空气压缩机产生。空气气源，且空气压力还可以低一些，虽然也增加主发动机燃油量，但与抽出空气相比，燃油费可大大下降。美国波音公司已准备在其B787大型客机上采用电动机驱动压缩机产生高温高压空气与HPWS相结合的空气制冷机空调系统。飞机空气制冷机空调系统是在牺牲CO尸的情况下，力求机组质量轻、体积小。例如可搭乘55名乘客的小型机组，其制冷量为9.38kw(相当于3kw的空调机)，质量为136kg，体积为o.51m3，单位制冷量质量和体积分别为14.5kg/kw和0.0548m，/kw，但COP仅为0.29

17、7。目前波音、空客和麦道均采用该形式空调系统。参考文献1 秦钢.空气制冷机.北京:国防工业出版社,1980.2 蒋能照.空调用热泵技术及应用.北京:机械工业出版社，1997.3DaleJMissimer.RefrigeranteonversionofAuto-Re-frigeratingCaseade(ARC)systems.IntJRefri，1997，20(3):201一207.4 李兆坚.环境室空气制冷计算机模拟研究/全国暖通空调制冷1998年学术论文集.1998.5 SatoshiKato.ICE(InterCityExpress)内客车内冷房.冷冻(日)，2001(8):2328.6

18、 WengC.Non一CFCautoeaseaderefrigerations邓tem:US，5，408，888.7 陈光明，何一坚，季益华，等.一个改进自行复叠制冷循环的实验研究.低温工程，2001(6):27一31.8 李兆坚.空气制冷低温室经济降温时间研究/全国暖通空调制冷2002年学术论文集.2002.9 5G.Kim，M5Kim，Experimentandsimulationontheperformaneeofanautoeaseaderefrigerationsys-temusingearbondioxideasarefrigerant.IntJRe-fri，2002，25(9):1093一1101.10 EarthshipIntrodueesAirCyeleRefrigerationSystem.JARN，2004(1):16.11 王忠良，杜恺.R23/R134a自然复叠循环和经典复叠循环的分析比较.流体机械，2005，33(12):364一367.12王生龙，陈光明，王勤.自动复叠制冷循环中节流阀开度的试验研究.制冷学报，200