螺旋壓縮膨脹制冷機的研究與開發(fā)①

田 源 張周衛(wèi),2 汪雅紅,2 張梓洲 趙 麗 郭舜之

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院；2.甘肅中遠能源動力工程有限公司)

空氣制冷機將空氣作為制冷劑，把熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。空氣制冷機利用氣體膨脹制冷可獲得較大的溫降，因此具有巨大的工業(yè)節(jié)能潛力[1]。近年來，在深冷和普冷領域，隨著高速氣體軸承透平膨脹機技術的進步，空氣制冷機得到了迅速發(fā)展，為適應各種不同冷量和溫度的需要，國內(nèi)外在微型技術和制冷機效率提高方面進行了大量的研究工作[2,3]。劉井龍和熊聯(lián)友對空氣制冷機制冷系數(shù)的影響因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)膨脹機的等熵效率對制冷系數(shù)的影響最顯著，提高膨脹機的效率對提高制冷機的制冷效率最有效[4]。張萬里等對開式布雷頓制冷循環(huán)進行了熱力學優(yōu)化分析[5]。林韶寧等基于氣體軸承透平膨脹機，研制了一種小型透平逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機，該制冷機結(jié)構(gòu)緊湊、運行狀況良好、效率高、系統(tǒng)降溫啟動快[6]。

然而，目前對制冷機各部件同軸設置和膨脹功回收利用的研究較少。為此，筆者從制冷機體積小型化、各部件同軸設置及膨脹功可回收等方面出發(fā)，針對傳統(tǒng)制冷機應用中存在的問題，提出一種可實現(xiàn)開式制冷的螺旋壓縮膨脹制冷機，并介紹了其工作原理，為制冷機的設計和運行提供理論依據(jù)。

1 傳統(tǒng)制冷機應用中存在的問題

傳統(tǒng)制冷機在應用中主要存在以下問題[7]：

a. 壓縮段、冷卻段和膨脹段需要獨立分開設置，否則會造成系統(tǒng)安裝運行復雜、制冷機體積龐大、運輸安裝不方便；

b. 布雷頓循環(huán)主要應用于大型制冷系統(tǒng)，一般為閉式制冷系統(tǒng)(由兩個等壓過程和兩個等熵過程組成)，壓縮過程為等熵過程，需要消耗較多的壓縮功；

c. 布雷頓循環(huán)采用壓縮機與膨脹機同軸設置時，一般應用于大型離心壓縮過程和大型離心膨脹過程，可回收壓縮功，制冷機氣缸較大，但很難應用于小型制冷機中，需要外加冷卻系統(tǒng)；

d. 采用單一的單級膨脹葉輪進行膨脹制冷時，膨脹過程中偏離等熵過程較遠，膨脹后氣體溫度較高，回收的膨脹功較少。

2 螺旋壓縮膨脹制冷機

針對上述問題，筆者基于布雷頓循環(huán)提出一種開式制冷的螺旋壓縮膨脹制冷機(圖1)。該制冷機的壓縮段、電機段和膨脹段連接在同一軸上，當高溫氣體從螺旋壓縮膨脹制冷機左端進入壓縮段后，經(jīng)多級壓縮、冷卻、再多級膨脹變?yōu)榈蜏貧怏w，并從另一端排出，完成開式制冷過程。由于布雷頓循環(huán)需要消耗較多的理論壓縮功，因此筆者在壓縮過程中采用較長的壓縮段，一邊壓縮一邊冷卻，相比于布雷頓循環(huán)更接近等溫壓縮過程，消耗的壓縮功更少[8]。此外，該制冷機采用離心壓縮與沖壓壓縮相結(jié)合、以沖壓壓縮為主的壓縮原理，應用連續(xù)多級螺旋壓縮葉片與多級軸向擴壓環(huán)，沿軸向連續(xù)多級壓縮與擴壓的方法。

圖1 螺旋壓縮膨脹制冷機

螺旋壓縮膨脹制冷機采用多級螺旋膨脹再擴壓再膨脹的連續(xù)膨脹制冷過程，使得膨脹過程更接近于等熵過程，膨脹后氣體溫度更低；將膨脹制冷過程中的理論膨脹功回收并通過電機中軸傳遞給壓縮段進行壓縮，不必外加冷卻系統(tǒng)，壓縮段的壓縮功比布雷頓循環(huán)更小，能效比較布雷頓循環(huán)也更高。軸向擴壓過程與壓縮后的氣流直接經(jīng)過電機中軸進入膨脹段，沒有多余的輸氣管道，使得整體制冷機直徑較小。

針對單級膨脹葉輪膨脹過程中回收膨脹功較少的問題，采用近似壓縮過程的反過程，通過增大螺旋膨脹葉片螺距和螺旋上升角來實現(xiàn)高壓氣流逐漸膨脹加速的連續(xù)膨脹做功方法。目前，大多數(shù)制冷機采用外回冷卻系統(tǒng)，制冷機體積較大，而本制冷機采用殼內(nèi)電機風扇冷卻電機的同時冷卻殼內(nèi)換熱器，以達到冷卻壓縮段的目的，因此可直接將高溫氣體壓縮、冷卻、膨脹制冷并降溫[7,9,10]。

3 工作原理

螺旋壓縮膨脹制冷機機芯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先，待冷卻氣流進入離心壓縮葉輪，應用離心壓縮原理進行初步離心加速，并在第1擴壓環(huán)內(nèi)增壓。增壓后的氣流進入高速旋轉(zhuǎn)的一級螺旋壓縮葉片進氣口，產(chǎn)生沖壓壓縮作用，相對速度減小后，隨高速旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片逐漸加速產(chǎn)生離心壓縮，并向螺旋葉片下部運動，靜壓增大；相對于葉片，高速氣流在進入螺旋葉片的瞬間形成沖壓，

圖2 螺旋壓縮膨脹制冷機機芯

并在由螺旋葉片形成的漸縮通道中逐漸擴壓，當達到螺旋葉片底部時，靜壓進一步增大；螺旋葉片帶動氣流高速旋轉(zhuǎn)，在葉片底部形成高壓氣流，高壓氣流流至葉片底部時，遇到靜止的第2擴壓環(huán)，氣流在第2擴壓環(huán)內(nèi)再次擴壓，靜壓繼續(xù)增大，隨之改變方向并進入二級螺旋壓縮葉片，進行下一級的離心沖壓壓縮過程，以及持續(xù)二級、三級壓縮和擴壓過程。利用逐級調(diào)節(jié)螺旋壓縮葉輪葉片螺線螺距和上升角的方法，改變相鄰螺旋葉片的間距和通流截面面積，采用高速旋轉(zhuǎn)螺旋葉片逐級離心沖壓的多級壓縮方法和軸向設置多級擴壓環(huán)沿軸向擴壓的方法，最終實現(xiàn)氣體的逐級離心沖壓過程。氣流壓縮過程中螺旋葉片持續(xù)對氣體做功產(chǎn)生的熱量通過壓縮罩外壓縮段散熱片排入大氣。

其次，壓縮后的氣流通過壓縮中軸徑向孔進入壓縮中軸軸向孔后，再通過電機定子中軸中心孔輸送到膨脹段。高壓氣體經(jīng)第5擴壓環(huán)改變方向后進入一級螺旋膨脹葉片，并推動一級螺旋壓縮葉片旋轉(zhuǎn)，壓力和溫度降低后，流速增大進入第6擴壓環(huán)擴壓并改變方向，然后進入二級螺旋膨脹葉片，推動二級螺旋壓縮葉片旋轉(zhuǎn)，壓力和溫度再次降低后，流速增大進入第7擴壓環(huán)擴壓并改變方向，然后進入三級螺旋膨脹葉片，推動三級螺旋壓縮葉片旋轉(zhuǎn)，壓力和溫度繼續(xù)降低后，通過排氣接管排出殼體。多級膨脹過程與外界通過絕熱層隔開，防止膨脹制冷量擴散至外界。

最后，冷卻氣沿筒體右側(cè)冷卻氣進氣孔進入殼體，進入定子與轉(zhuǎn)子之間的通道冷卻電機，冷卻后經(jīng)風扇左側(cè)進入殼內(nèi)散熱片空隙并冷卻殼內(nèi)散熱片，然后沿筒體左側(cè)冷卻氣出氣孔排出殼體。被冷卻的氣體在壓縮機頭內(nèi)被壓縮時產(chǎn)生的一部分熱量通過筒體左側(cè)的壓縮段散熱片與冷卻氣換熱排出，另一部分通過殼內(nèi)散熱片與冷卻氣進行強制對流換熱后排出殼體[7]。

4 結(jié)束語

螺旋壓縮膨脹制冷機采用壓縮機頭、電機、膨脹機頭和殼體完全軸對稱且同軸線結(jié)構(gòu)的設計方法，整體制冷機體積較小，可直接連接至管道中，適用于小型制冷系統(tǒng)；壓縮段、冷卻段和膨脹段同軸設置，使得氣流經(jīng)壓縮后直接通過電機中軸進入膨脹段，不需要外加冷卻系統(tǒng)即可將高溫氣體直接冷卻成低溫氣體，實現(xiàn)了開式低溫制冷過程，適用于開式制冷系統(tǒng)；螺旋壓縮膨脹制冷機采用更接近等溫壓縮過程的近似布雷頓循環(huán)制冷原理，使得消耗的壓縮功更少，且通過電機中軸將制冷機膨脹制冷過程中回收的膨脹功傳遞給壓縮段，可使壓縮功進一步減小，提高能效比；采用離心壓縮與沖壓壓縮相結(jié)合、以沖壓壓縮為主的壓縮原理，應用連續(xù)多級螺旋壓縮葉片和多級軸向擴壓環(huán)，沿軸向連續(xù)多級壓縮和沿軸向擴壓的方法，有效彌補了離心壓縮過程的缺陷，拓寬了回轉(zhuǎn)式氣體壓縮機械在小型制冷系統(tǒng)中的應用能力。

[1] 王偉,吳玉庭,馬重芳.單螺桿膨脹機制冷系統(tǒng)的逆布雷頓循環(huán)分析[J].化工學報,2014,65(z1):245～250.

[2] 秦鋼,李敏.空氣制冷機[M].北京:國防工業(yè)出版社,1980.

[3] 計光華.透平膨脹機[M].北京:機械工業(yè)出版社,1989.

[4] 劉井龍,熊聯(lián)友.空氣制冷機制冷系數(shù)影響因素的分析[J].低溫工程,2000,(2):31～34.

[5] 張萬里,羅京,陳林根.開式簡單布雷頓制冷循環(huán)熱力學優(yōu)化(1.熱力學建模)[J].電力與能源,2015,36(2):164～168.

[6] 林韶寧,姚艷霞,王可,等.小型透平逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機的研制[J].低溫與超導,2004,32(2):1～4.

[7] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi).螺旋壓縮膨脹制冷機[P].中國:201310414563.0,2013-12-04.

[8] 彭斌,麥嘉偉,謝小正.自散熱無油潤滑空氣渦旋壓縮機的研究[J].化工機械,2016,43(2):204～207.

[9] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.螺旋壓縮膨脹制冷機用變螺距螺旋壓縮機頭[P].中國:201310396324.7,2013-12-04.

[10] 張周衛(wèi),吳金群,汪雅紅,等.螺旋壓縮膨脹制冷機用徑軸流進氣增壓葉輪[P].中國:201310372519.8,2013-12-04.