小型逆布雷頓低溫空氣制冷機的初步實驗研究

郝 杰，王 琪，冶文蓮，王麗娜，楊山舉*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國計量大學(xué)機電工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

采用逆布雷頓循環(huán)的低溫制冷機具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、降溫速度快和制冷范圍廣等優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)[1]、氣體分離與液化[2-3]、熱泵[4]和食品加工[5]等領(lǐng)域。逆布雷頓低溫制冷機的工質(zhì)通常為空氣、氫氣、氮氣和氦氣等；氣體在逆布雷頓制冷循環(huán)中不發(fā)生集態(tài)改變；空氣容易獲得、價格低廉、無毒無害；整個系統(tǒng)可在開放式空間運行。因此，本文對逆布雷頓低溫空氣制冷機展開研究，該制冷機具有較廣闊的應(yīng)用空間，同時也可為以氫、氦為制冷工質(zhì)的逆布雷頓制冷機研究提供借鑒。

Spence等[6]在道路運輸中應(yīng)用了空氣制冷機，設(shè)計建造了一個空氣循環(huán)裝置并對該裝置進行了測試，實現(xiàn)了在同一物理單元內(nèi)用空氣循環(huán)系統(tǒng)提供與蒸氣循環(huán)系統(tǒng)等效制冷量的目標；Zhao等[7]采用空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)對飛機環(huán)境控制系統(tǒng)（ECS）的非設(shè)計性能和動態(tài)響應(yīng)進行了實驗研究，并對系統(tǒng)內(nèi)壓縮機、透平膨脹機和換熱器等關(guān)鍵部件的性能進行了分析；Yang等[8]提出了一種配備氣體軸承透平膨脹機和板翅式蓄熱器的低溫逆布雷頓空氣制冷機，并建立了低溫部件的瞬態(tài)冷卻模型，該模型可用于評估制冷機不同運行模式下的制冷性能和提高能源利用效率。Biglia等[5]基于逆布雷頓循環(huán)，采用氮氣為制冷工質(zhì)，提出了一種在極低溫度下運行的新型食品冷凍系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對食品進行快速冷凍。由于氮氣與空氣物性接近，該冷凍系統(tǒng)對研究空氣制冷機有一定的借鑒作用。目前已有將空氣制冷機進行產(chǎn)品化的案例，如Mycom公司的“Pascal Air”系列產(chǎn)品，采用空氣制冷系統(tǒng)，可制取-100～-50℃超低溫，可對食品進行冷凍和冷藏并進行冷凍包裝[9]。我國目前由于技術(shù)條件的限制，在冷藏速凍領(lǐng)域還沒有利用逆布雷頓空氣制冷機制取冷量的相關(guān)成熟產(chǎn)品，對空氣制冷機的研究和應(yīng)用與世界先進水平尚有一定的差距。

逆布雷頓低溫制冷機的主要制冷部件是透平膨脹機，可以為各類應(yīng)用領(lǐng)域提供所需的制冷量，其中包括工質(zhì)本身的降溫需求和利用工質(zhì)降溫提供低溫條件這兩種應(yīng)用場景[10]。有實驗結(jié)果表明，當透平膨脹機的效率從85%提高到90%時，空氣制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)COP數(shù)值可以提高36%[11]。近年來，對透平膨脹機的研究多采用CFD進行仿真分析[12-13]。2016年，楊山舉等[14]對低溫透平膨脹機性能進行數(shù)值模擬，有效揭示了透平膨脹機內(nèi)部的三維流動；2018年，Sun等[15]對低溫透平膨脹機的非設(shè)計性能進行數(shù)值研究，在ANSYS CFX上對噴嘴和葉輪的氣體流動進行模擬從而對膨脹機性能進行預(yù)測；2019年，萬婷等[16]對小型徑-軸流式透平膨脹機通流部分進行數(shù)值模擬和實驗校核，并對系統(tǒng)內(nèi)存在的損失進行了分析。Kumar等[17]開發(fā)了ANN和ANFIS模型，該模型可對透平膨脹機的最大等熵效率和溫度下降范圍進行預(yù)測，為低溫徑流式透平膨脹機的設(shè)計提供借鑒。

為了更好地研究逆布雷頓低溫空氣制冷機的熱力性能及降溫特性，搭建了逆布雷頓低溫空氣制冷機綜合性能實驗臺。該實驗系統(tǒng)可在回?zé)岷头腔責(zé)嵫h(huán)之間進行切換，不僅可以進行常溫實驗，還可以進行-120℃及更低溫度的低溫實驗，同時也可進行透平膨脹機熱力及機械性能、回?zé)崞鱾鳠醾髻|(zhì)及食品凍結(jié)特性等的綜合研究。

1 空氣制冷系統(tǒng)

1.1 空氣制冷系統(tǒng)設(shè)計

圖1為逆布雷頓低溫空氣制冷機的循環(huán)原理圖，其工作過程包括絕熱壓縮、等壓冷卻、絕熱膨脹和等壓吸熱[18]，氣體在透平膨脹機內(nèi)絕熱膨脹對外作功，產(chǎn)生較大的制冷量，對冷箱內(nèi)的負荷進行冷卻，從而達到快速制冷的目的。

圖1 逆布雷頓低溫空氣制冷機的循環(huán)原理圖Fig.1 The circulation principle of reverse Brayton low temperature air cooler

圖1中，過程1～2為壓縮機的實際壓縮過程，壓縮機進出口參數(shù)滿足以下關(guān)系：

式中：T1、T2分別為壓縮機進、出口溫度，K；ηC為壓縮機等熵效率；p1、p2分別為壓縮機進、出口壓力，MPa；εC為壓縮機壓比；k為空氣絕熱指數(shù)。

過程3～4為回?zé)崞髦械念A(yù)冷過程，按照回?zé)崞餍芏x：

式中：ηR為回?zé)崞餍埽籘0為制冷溫區(qū)的制冷溫度，K；T3為冷卻器出口氣流溫度，K；T4為膨脹機進口溫度，K。

過程4～5為膨脹機的膨脹過程，透平膨脹機進出口參數(shù)滿足以下關(guān)系：

式中：T5為膨脹機出口溫度，K；ηE為膨脹機等熵效率；p4、p5分別為膨脹機進、出口壓力，MPa；εE為膨脹比。

逆布雷頓低溫空氣制冷機的主要性能參數(shù)是制冷溫度、制冷量和輸入功率，其中制冷量和輸入功率可通過系統(tǒng)的性能系數(shù)COP綜合體現(xiàn)出來。此處COP的表達式為：

式中：cp為定壓比熱容。

采用回?zé)嵫h(huán)的逆布雷頓低溫空氣制冷機綜合性能實驗臺可獲得的最低制冷溫度為123 K，回?zé)崞餍転?4%。據(jù)此對設(shè)計制冷溫區(qū)下的制冷量和COP等進行計算，得到表1所列的系統(tǒng)性能參數(shù)。

表1 系統(tǒng)設(shè)計性能參數(shù)表Tab.1 Design performance parameters of the system

1.2 空氣制冷系統(tǒng)介紹

圖2為逆布雷頓低溫空氣制冷機綜合性能實驗臺的系統(tǒng)流程圖，該系統(tǒng)由氣源部分、制冷部分和性能測試部分組成。

圖2 逆布雷頓低溫空氣制冷機綜合性能實驗臺的系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flow chart of reverse Brayton cryocooler comprehensive performance test bed

氣源部分由永磁變頻螺桿式空氣壓縮機（型號：PMVF30）、儲氣罐、冷凍干燥機（型號：BSJ40 AC）、吸附干燥機（型號：HLD-5）、壓縮空氣精密過濾器（型號：A-007、C-007、T-007）組成。壓縮機可提供最大容積流量為309 m3/h（標準狀況下）、最大排氣壓力為1.0 MPa。壓縮空氣經(jīng)冷凍干燥機干燥，吸附干燥機過濾，精密過濾器清潔之后進入制冷部分進行降溫。

制冷部分由透平膨脹機、冷箱、冷負荷、回?zé)崞鳌⒌蜏毓艿篮烷y門等組成。從氣源部分過來的氣體通過三通閥的切換，可以直接進入透平膨脹機，或者經(jīng)過回?zé)崞骱笤龠M入膨脹機，整個系統(tǒng)可在回?zé)嵫h(huán)和無回?zé)嵫h(huán)之間進行切換。本文為方便研究透平膨脹機的熱力性能，采用無回?zé)嵫h(huán)。

壓縮氣體在透平膨脹機內(nèi)經(jīng)歷等熵膨脹過程，產(chǎn)生較大的制冷量并且將系統(tǒng)內(nèi)的焓降轉(zhuǎn)換為外功，同時利用制動風(fēng)機吸收膨脹端輸出的膨脹功。本實驗裝置中的透平膨脹機為自主設(shè)計研發(fā)，采用基于流線曲率法的準三元流設(shè)計方法，對透平膨脹機的通流部件噴嘴和葉輪進行了氣動設(shè)計和CFD仿真分析。其中，膨脹葉輪采用徑軸流式。透平膨脹機采用徑向波箔動壓氣體軸承和小孔供氣靜壓止推軸承支承，運用轉(zhuǎn)子動力學(xué)方法對軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行強度校核和模態(tài)分析。透平膨脹機及波箔氣體軸承參數(shù)如表2所列。

表2 透平膨脹機及波箔氣體軸承參數(shù)表Tab.2 Parameters of turboexpander and bump foil gas bearing

性能測試部分可對系統(tǒng)內(nèi)的壓力、流量、轉(zhuǎn)速、膨脹機及風(fēng)機進出口溫度、壓力等進行測量。系統(tǒng)壓力采用SMCITV3050電氣比例閥進行控制，輸入電壓為0～5 V、輸出壓力為0.006～0.9 MPa；系統(tǒng)流量采用SMCPF2A703H流量計測量，量程為160～3 000 L/min（標準狀況下），測量精度為±1.5% F.S；主軸轉(zhuǎn)速采用瑞視RS9000XL高精度電渦流位移傳感器測量，最大線性度誤差不超過±2%；膨脹機及風(fēng)機進出口壓力采用壓力變送器測量，測量范圍為0～1.0 MPa，測量精度為±0.25% F.S；溫度采用熱電偶進行測量，測量誤差為±0.1 K，并在冰點槽中對熱電偶進行冷端溫度補償，減少測量誤差。

自主開發(fā)了基于Labview的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，可對數(shù)據(jù)進行實時采集、處理、顯示和控制。其中，振動和轉(zhuǎn)速信號須進行高速采集，利用Labview高速采集程序與NI USB-6341數(shù)據(jù)采集卡進行通信，對采集到的振動和轉(zhuǎn)速信號進行運算并輸出。利用Labview采集程序與NI9205和NI9213數(shù)據(jù)采集卡進行通信，對采集到的壓力、流量、溫度信號進行運算處理。數(shù)據(jù)處理結(jié)果可通過自主編程的控制程序在Labview前面板上實時顯示。

2 實驗結(jié)果及分析

在搭建的低溫空氣制冷機綜合性能實驗臺上對透平膨脹機進行初步實驗，研究并分析透平膨脹機在常溫下的熱力和機械性能。

圖3為膨脹機出口降溫特性曲線，實驗過程保持膨脹機進、出口壓力不變。從圖中可以看出，當透平膨脹機的膨脹比為2.15時，在2 min內(nèi)，膨脹機出口溫度由293 K降為260 K，之后溫度下降較為平緩。透平膨脹機出口溫降大、降溫速度快，充分體現(xiàn)了它在快速制冷方面的優(yōu)越性能。

圖3 膨脹機出口降溫特性曲線Fig.3 Cooling down performance at the outlet of the expander

膨脹機制冷量會隨著流量和進出口比焓降等改變，是衡量膨脹機熱力性能好壞的一個重要參數(shù)。圖4為透平膨脹機流量與制冷量隨進氣壓力變化曲線。當保持膨脹機出口壓力不變時，膨脹機進口溫度基本穩(wěn)定。從圖中可以看出，流量與制冷量均隨著進氣壓力的增大而增大，當進氣壓力為0.32 MPa時，系統(tǒng)流量可達0.023 kg/s、制冷量可達1.21 kW，充分說明了小型透平膨脹機仍能保持較大的系統(tǒng)流量和產(chǎn)生較大的制冷量，從而體現(xiàn)了透平膨脹機在低溫制冷領(lǐng)域的優(yōu)越性能。

圖4 流量與制冷量隨進氣壓力變化曲線Fig.4 Change of mass flow rate and cooling capacity with inlet pressure

轉(zhuǎn)速是衡量小型透平機性能好壞的一項重要指標，是膨脹驅(qū)動端與風(fēng)機制動端之間平衡的結(jié)果，會隨著進口壓力和溫度而變化。圖5為轉(zhuǎn)速隨進氣壓力的變化。當保持膨脹機出口壓力不變時，膨脹機進口溫度基本穩(wěn)定。從圖中可以看出，隨著壓力增大，膨脹機轉(zhuǎn)速逐漸增大，轉(zhuǎn)速在進氣壓力為0.32 MPa時達到最大值278 kr/min，超過設(shè)計轉(zhuǎn)速11.2%。這說明該小型透平膨脹機具有優(yōu)良的機械性能，軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)足以支承透平膨脹機獲得良好的熱力性能。

圖5 轉(zhuǎn)速隨進氣壓力變化曲線Fig.5 Variation of rotating speed with inlet pressure

為了讓透平膨脹機最大限度地提供冷量，提高整個裝置的經(jīng)濟性，要求透平膨脹機具有較高的效率，并且在最佳工況下運行[19]。影響透平膨脹機運行效率最重要的因素是特性比，即葉輪出口處圓周速度u1與膨脹機等熵理想速度cs之比[20]。圖6為透平膨脹機效率和特性比隨膨脹比的變化。保持膨脹機進口溫度基本穩(wěn)定，改變透平膨脹機的膨脹比，其特性比和等熵效率也隨之變化。從圖中可以看出，在膨脹比從1.95～3.13變化的過程中，透平膨脹機的特性比從0.67增加至0.74，效率從58.4%增加到65.5%。

圖6 透平膨脹機效率和特性比隨膨脹比變化曲線Fig.6 Variation of efficiency and characteristic ratio of turboexpander vary with expansion ratio

通過比較可知，膨脹機等熵效率尚未達到設(shè)計等熵效率72.0%，這是由于透平膨脹機在實驗過程中未達到設(shè)計工況并且存在著較大的泄漏損失。透平膨脹機設(shè)計膨脹比為3.82，而在實驗過程中，由于制動端的不匹配，膨脹比未達到設(shè)計值。并且透平膨脹機效率達最大值時，特性比為0.74，與最佳特性比0.69相差較大。同時，為了保證膨脹機的機械性能，葉頂安裝間隙過大，存在較大的泄露損失。這些因素導(dǎo)致了透平膨脹機效率低于設(shè)計等熵效率。

采用無回?zé)嵫h(huán)的逆布雷頓低溫空氣制冷機，當膨脹比為3.13時，透平膨脹機效率為65.5%。將其代入系統(tǒng)COP的計算公式（6），可知在該等熵效率下，系統(tǒng)在123～193 K制冷溫區(qū)的性能系數(shù)預(yù)測值為0.099～0.202。由表1可知，該性能系數(shù)與系統(tǒng)的設(shè)計性能系數(shù)0.115～0.226相差10%以上。這說明在獲得較低的制冷溫度時，透平膨脹機的等熵效率對系統(tǒng)性能的影響很大。在后續(xù)采用回?zé)嵫h(huán)的153 K以下的低溫性能實驗中，隨著降溫過程的進行，可逐漸增大系統(tǒng)壓力，使膨脹比達到設(shè)計值。同時設(shè)置閉式風(fēng)機回路，調(diào)節(jié)制動壓力，使得特性比處于最佳值0.69附近。并且在保證良好機械性能的前提下，調(diào)整葉頂間隙，減小泄漏損失。通過以上措施可提高透平膨脹機的等熵效率，改善系統(tǒng)性能。

3 結(jié)論

搭建了逆布雷頓低溫空氣制冷機綜合性能實驗臺，并在該實驗臺上進行了透平膨脹機的機械性能及常溫?zé)崃π阅軐嶒灒玫揭韵陆Y(jié)論：

（1）低溫空氣制冷機綜合性能實驗臺在常溫下運行良好，為進行153 K以下低溫性能實驗及食品快速凍結(jié)特性的研究提供了良好的基礎(chǔ)；

（2）自主設(shè)計研發(fā)的透平膨脹機，主軸徑為10 mm，膨脹葉輪外徑為20.60 mm，采用波箔動壓氣體軸承進行支承，其穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速達到278 kr/min，超過設(shè)計轉(zhuǎn)速11.2%，具有良好的機械性能；

（3）該透平膨脹機具有良好的熱力性能，當膨脹比為2.15時，膨脹機出口溫度2 min內(nèi)下降33 K以上，且具有較大的流量和制冷量；在遠離設(shè)計工況點時，仍可實現(xiàn)高達65.5%的等熵效率。