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【doc】空气制冷机 空气制冷机 第8卷第6期 2OO8年12月 制冷与空调 REFRIGERAT10NANDAIR—C0NDITIONING 空气制冷机 任金禄 (合肥通用机械研究院) 摘要主要叙述空气制冷机的原理及其在列车空调,冷冻冷藏,飞机空调和大型低温环境试验室中的 应用. 关键词空气制冷机天然制冷剂压缩一膨胀机组列车空调飞机空调 Airrefrigerat0r RenJinl" (HefeiGeneralMachineryResearchInstitute) ABSTRACTDiscribesthetheoryofairrefrigeratoranditsapplicationtotrainair—condi— tioning,freezingandcoldstorage,aircraftair—conditioningandlargelowtemperatureen— vironmental1aboratory. KEYWoRDSairrefrigerator;naturalrefrigerant;compressor—expanderunit;trainair— conditioning;aircraftair—conditioning 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),Co2(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,空气焓差仅为R22的1/10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C0P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,0DP和GwP都为零,对环境友好,在 一 些特殊领域得到了应用.下面介绍空气制冷机 的原理及其应用情况. 收稿日期:2o08一O7一叭 通讯作者:任金禄,Email:rjlO614@126.c0m 1原理L1J 空气制冷机采用逆布雷顿(Brayton)循环和逆 埃里克森(Ericsson)循环.布雷顿循环和埃里克森 循环的流程和温熵图及压焓图分别示于图1和图2. 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个等熵过程组成. 状态4的工质流经低压换热器,被定压加热升温至 状态1,随后进入压缩机被等熵压缩至状态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,接着进入膨胀机等熵膨胀至原状态4,完成 整个循环. 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 制冷与空调第8卷 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 高压换热器 低压换热器 (a)循环流程 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. (b)温熵图(c)压焓图 图l布雷顿循环流程,温熵图及压焓图 (a)循环流程(b)温熵图(c)压焓图 图2埃里克森循环流程,温熵图及压焓图 2应用 2.1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.该流程虽然 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Hagenuk FaireleyGmbH&Co.共同研发制造,于1998年实 车试验结束,随后投入使用.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0.6 MPa左右,经室外空气热交换器向外散热后进入 膨胀机,膨胀降压至0.3MPa,温度降至0?,进入 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3列车空调用空气制冷机 表lICE机组规格 器 制冷量w霎美筹;;:耋蓁;;:; 室外空气热交换器风量/(m/h) 外形尺寸/mm 质量/kg 噪声/dB(A) H L35猢 约 引大大 m最最外内 3车车 第6期任金禄:空气制冷机 表2客车规格 环境温度/? 相对湿度(+32?)/ 车内容积/m 乘客定员 客车风量/(m/h) 新风换气量/(rn3/h) 30,+4O 6O 16O 7O 28OO 14O0 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0.3 MPa,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 外 压缩 1压缩机入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6200m/h.第2压缩机亦离心式与 膨胀机同轴,转速为3O000r/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28()【】m3/h.电加热器供冬季采暖用. 图4ICE空气制冷机 供给空气温度/? 图5列车空调用空气制冷机的aDP 缩机 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问温差为5?,回热器 温差为7?),若车厢温度为25?,改变空气制冷 机吹进车厢的空气温度时,C0P变化情况如图5 所示,C0P最大值为1.36.为了简化系统不用回 热器,则C0P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c0P为0.87,而在一年中最大 负荷31kw时,C0P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. 2.2低温用空气循环制冷机[2 2o03年12月和2O04年7月美国Earthship 制冷与空调第8卷 公司相继推出AIRS50—30(一30?)和A1RS50—60 (一77?)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),AIRS50—30机 组外形尺寸为2.2m×2m×2m(L×w×H). 工作循环如下,常温,大气压空气(30?,0.1 MPa(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(O.18MPa,70?), 再在第2冷却器中降温(O.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(O.18MPa,一20?),进入膨胀机绝热膨胀 后得到低压低温空气(O.1MPa,一55?),至冷库 吹出降温,冷库温度一30.C.为了防止低温低压空 气水分凝结成冰而吹进冷库,在进入冷库前的管道 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c0lP降低(排压增加5kPa,C0_P降低15;排压 增加20kPa,C0lP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(70?)经旁通管1进入膨胀机降压降温至30 uC,由此空气进行融冰.旁通管2可使这股空气不 进入冷库,故融冰不影响冷库内的温度. 冷库内温度/?(过热度为10?) 图6系统cDP比较 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 C0P随冷库内温度的变化比较.空气制冷机是冷 空气直接吹入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(防止液击而过热)而存在 温度式膨胀阀流量调节损失(约13).由图6 知,空气制冷机与空冷单级机比较时,冷库温度 一 17?时系统O.P相等,而与水冷双级机比较时, 在一30?时系统?P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O0P低于蒸气压缩式制冷 机,但是空气循环系统的C0lP还是优越的. 美国Earthship公司曾于1994年在德国纽伦 堡国际制冷展上展出1台空气制冷机(一30?,35 kw).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. 热源侧冷却器侧 除湿器]]I+?除湿1 压缩机膨胀机f风11【压缩机膨胀机j八uII 外气 入口 嚣…盘管r]水热交换器fl;温…器出口(温风出口)JlJ冷风 图7空气制冷机 2.3飞机空调用空气制冷机_7 民用大型客机在1200Om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,9750m以 上时按容积应小于0.25ppm(1ppm=10), 8230m以上时应小于O.1ppm;?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2min,无 论时间多长都不允许超过海拔1220?Om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(1owpessurewaterseparator,LPws)和高压水 分离(highpessurewaterseparator,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(3wheelaircyclemachine)——外气增压风 第6期任金禄:空气制冷机 图8主要构造图 图9LPwS空调系统 1.由发动机引出的空气;2.预冷器;3.调节和关断阀;4.温度调节阀;5.三旋转循环机 组; 6.增压风机;7.压缩机;8.膨胀机;9.水分离器;1O.供给单向阀;l1.混合室. 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 人客舱. 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(压 力275,345kPa,温度20?O?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,旁通加入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 压风机引入的. 在膨胀机出口温度低于0?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蚀.为了 避免该情况的发生,通常引入绕过膨胀机的中温 制冷与空调第8卷 图l0HPwS空调系统 1,l1.同图9;12.再冷却器;13.冷凝器. 空气,防止进入水分离器的低温低压空气低于 0?. 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),然后进入膨胀机绝 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C0P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0.51m, 单位制冷量质量和体积分别为14.5kg/kw和 0.0548m./kw,但C0P仅为0.297.目前波音, 空客和麦道均采用该形式空调系统. 2.4低温环境试验室用空气循环系统踟 气候环境直接影响到车辆,机械,兵器,航空, 航天,电子设备,仪器仪表等工业产品的性能和可 靠性,因此以上产品均有相应的环境试验 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,低 温环境试验室是其中重要设施之一.制冷设备是 该类试验室中的关键设备.采用空气制冷机作为 冷源与蒸气压缩式系统相比具有如下优点:低温制 冷性能好,降温速度快,易于获得低的温度(一5O ,一 70?),制冷量易于调节,对低温环境试验工 况适应性强(短期间歇运行,工况变化大),特别适 于大型环境试验室. 图1l环境室空气循环系统 图11为某大型(1300m)低温环境试验室的 流程图,该流程采用埃里克森循环(配置回热器). 主要流程为:空气经过螺杆压缩机增压后至后冷 器被冷却降温,然后冷凝水在水分离器内被分离, 接着空气进入干燥塔进一步除去水分,再经过滤 器进人离心式压缩机进一步增压,然后经过水冷 器降温,再经回冷器降至0?以下,进入膨胀机绝 热膨胀使空气大幅降温,该低温空气与部分室内 空气混合后经室内循环风机,进入环境室使室温 第6期任金禄:空气制冷机?21? 下降.回风经回风管到回冷器,回收剩余冷量用 于冷却进入膨胀机的空气,最后到达空气压缩机 进口,完成封闭循环. 表3为某大型低温环境试验室的主要参数,通 过理论分析和模拟计算,在试验室温度为一50, 一 60?时,给出了较佳的系统装置容量,系统风 量,主要设备投资,降温时间和试验能耗. 表3低温环境试验室主要参数 参数大低温室中低温室小低温室 模系统装机容量/kw 拟制冷系统空气量/(kg/h) 婪主要设备投资/万元 结降温时问/h 胃术 试验能耗/(kW.h) 3OO,350 350O 220,25O 18,22 90O0 3O0,35O 35OO 22O,25O 8,1O 650O 15O,200 2OOO 150 3,4 1850 3结束语 空气制冷机根据其特点采用高速离心式压缩 机,高速膨胀一压缩机组,板翅式换热器等比较成熟 的产品.但是在小型机组中,这些旋转式机械由 于流量小(相对于空气分离装置),它们的设计,制 造就要采用先进的技术,例如:高速电机,变频技 承,降低噪声等.笔者介绍的空气制冷 术,气体轴 机是在HVAC&R领域的典型应用,除民用客机 空调系统具有数十年历史外,其他列车空调,低温 机组和大型低温试验室都是近年来出现的新应用 领域.随着HCFC制冷剂的被限制和替代,以及 对HFC的限制使用,空气作为制冷剂的应用将会 逐渐扩大. 参考文献 蒋能照.空调用热泵技术及应用.北京:机械工业出 版社,1997. 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