文 献 综 述

（一）课题研究背景

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,以空气为制冷剂的制冷剂,无论从保护臭氧层或者从延缓全球气候变暖来说,都是理想的制冷剂^[1]。但在很长一段时间内,由于技术和制造水平的限制,空气制冷机在普通制冷区域性能低下,应用推广受到了一定限制。随着高速透平机械和高效紧凑换热器的发展,特别是随着CFC工质的禁用,逆布雷顿循环空气制冷机再一次被人们所关注^[2]。空气制冷机制冷工质是空气,取之不尽,用之不竭,而且对环境无害,不存在蒸气制冷机中制冷剂的购买、运输、保存、灌装等工作及由此引起的一系列问题。并且大大降低了运行费用和对制冷机系统的气密性要求, 简化了维护, 增加了运行的可靠性,因此空气制冷机在近年来得到了越来越广泛的关注^[3]。逆布雷顿循环空气制冷机采用空气作为工质,通过压缩机等熵压缩,经后冷却器冷却,回热器降温,在透平膨胀机内等熵绝热膨胀并对外作功,获得低温气流来制取冷量^[4]。而且其重量轻、可靠性高、安全性好、维护简单、无污染等优点，在特殊的普冷和深冷领域得到了广泛应用和发展^[5]。

在联合国的蒙特利尔协议已明确规定2030年前全世界完全停止使用各类含氟制冷剂的大环境下,因为布雷顿制冷机以最无环境公害的空气为循环工质,以具有典型热力学特性的逆布雷顿循环为工作循环，所以布雷顿制冷循环研究又有了光明前景。通过建立了一个比较接近实际装置的回热式布雷顿制冷循环模型,研究分析了布雷顿制冷循环的热力学性能^[21]。近20多年,随着低温透平膨胀机特别是高速气体轴承透平膨胀机技术和紧凑式换热器的长足进步,逆布雷顿循环空气制冷机技术得到了迅速发展。单级逆布雷顿空气制冷机的基本循环包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热4个过程。其制冷过程是利用气体状态在制冷机内循环变化,把热量从低温物体不断转移到高温物体^[6]。在逆布雷顿制冷机中,采用全动压气体轴承高速透平机械、轻质主轴以及精确的转子动平衡可以保证制冷机的微振动运行，使其系统的结构更简单，整体重量也较小。系统的各个部件相互独立,只依靠工质循环连接,所以各个部件可以相对独立的优化,在组装各个部件及与其它系统相连接时都比较灵活^[7]。从动力循环角度看，逆布雷顿循环也是气体膨胀制冷，由2个定熵过程和2个定压过程构成，对于实际系统，定熵压缩过程变成多变压缩过程，定熵膨胀过程变成绝热膨胀过程，因此存在一定不可逆损失^[8]。进一步考虑高、低温侧换热器的热阻损失和管路系统中的压力损失，用有限时间热力学方法对变温热源条件下实际回热式布雷顿循环的功率密度进行优化分析，为布雷顿循环制冷系统的研发提供数据基础^[9]。

（二）布雷顿循环制冷技术研究

空气制冷机系统设计的主要依据是工作温度、所需的制冷量、达到此工况所需的时间、低温室内外环境的要求, 并同时对系统及其各部件的性能价格比进行综合的选择和匹配。以空气作为循环工质，采用逆布雷顿循环，极易获取低温，并且在很宽的工况范围内具有优良的性能，主要部件包括空气压缩机、两个换热器以及膨胀机，其中高压换热器作为冷凝器，经过膨胀机降温后，进入低压换热器，为用冷单位提供冷量^[10,11]。高、低温侧换热器有效度对循环制冷率和制冷系数的影响程度与压缩机和膨胀机效率的影响程度相当。布雷顿循环由两个绝热过程和两个等压过程组成^[12]，因此，在布雷顿制冷循环热力学分析中计入高、低温侧换热器中工质与热源间的传热不可逆效应是相当重要的。布雷顿动力循环采用涡轮机械(气轮机),要求用分子量大的气体(空气,氩气等)以取得每一级压缩机和膨胀机都有足够的压差^[13],并且制冷率是压力比的单增函数，而制冷系数是压力比的二次函数，即存在一个对应于最大制冷系数的最佳压比，影响最佳压比的最重要因素是回热器有效度^[14]。而且在低温制冷机中一般都有回热器进行回热，存在一对最佳的热导率分配,使容积制冷率达到最大值，适当的工质与热源的热容率取值对容积制冷率有着重要影响^[15]。

综合了热力学第一定律和第二定律的内容,通过数值计算作了热导率分配以及工质和热源间热容率匹配的优化,得出了制冷率、制冷系数分别与热导率分配、工质和热源间热容率匹配的关系. 同时还讨论了压缩机压比、换热器总热导率、压缩机和膨胀机效率、以及高低温热源热容率之比等参数对最优性能的影响^[16-18]。

然而, 对这类循环性能特性的优化分析至今还较少,通过进一步的研究回热式布雷顿制冷循环的优化性能,，可为实际制冷机的优化设计和运行提供新的理论依据。通过优化分析导出了循环的基本优化关系所满足的方程,分析不可逆性对循环的基本优化性能和性能特性的影响,表明内不可逆性对布雷顿制冷循环优化性能的影响是显著的, 为提高循环的性能应尽量减小内不可逆度^[19]。

制冷机中回热器的技术研究

低温制冷机系统的回热器(又称蓄冷器)是回热式低温制冷机的关键部位, 具有结构简单且紧凑、换热效率高、自清洁性、流动阻力小等优点。它区别于其它换热设备的主要特征是冷热流体交替流经同一流道空间, 流体通过与流道空间内回热填料的直接接触实现热量交换。当前大多数的回热器研究都是在将回热器作为制冷机的一个部件的基础上进行的, 而将回热器独立出来作为测试对象的针对性研究较少^[20]。制冷系统中回热器通常有三个重要作用：（1）可以提高制冷系统的性能系数（2）增加冷凝器出口制冷剂液体的过冷度，以避免制冷剂在毛细管中发生相变（3）使离开蒸发器后蒸气中夹带的液体在进入压缩机前汽化^[21]。