空气制冷机及其发展

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1/2~1/3，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，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1/2~1/3，这意味着系统能耗偏大，且排出较多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，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。

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，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，70‘C)，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。